聊城市東昌府區(qū)引黃灌區(qū)渠道工程膨脹土邊坡治理方案分析

榮 智，魏慶陽

(聊城市東昌府區(qū)水利局，山東 聊城 252000)

1 概 述

膨脹土是一種較為特殊的巖土體，其遇水膨脹、收縮等特性對工程建設(shè)有較大的影響，在工程實(shí)踐中，需要充分考慮膨脹土的這一特性，否則將造成無法估量的后果[1-3]。膨脹土邊坡是膨脹土地區(qū)較為復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，有許多專家、學(xué)者對膨脹土邊坡進(jìn)行了較為深入的研究。沈丹萍等[4]對降雨作用下，南水北調(diào)工程膨脹土渠道邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；郭從潔等[5]分析了初始含水率對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響；鄧銘江等[6]對北疆地區(qū)膨脹土邊坡破壞機(jī)理進(jìn)行了研究。根據(jù)已有研究成果可知，水對膨脹土邊坡的穩(wěn)定性影響較大，因此針對渠道工程膨脹土邊坡的問題需要進(jìn)行深入研究。結(jié)合聊城市東昌府區(qū)引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程渠道工程建設(shè)，對該渠道膨脹土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

2 工程概況

東昌府區(qū)引黃灌區(qū)為位山灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積5.36×104hm2，有效灌溉面積4.433 3×104hm2。位山灌區(qū)引黃水源對全區(qū)進(jìn)行了全部覆蓋，骨干渠道為位山二、三干渠，年引水1×108m3。通過疏浚、襯砌溝渠、新建、改建、維修建筑物，增加水源工程、配合現(xiàn)有信息化平臺，增加計(jì)量、閘門控制等裝置，起到節(jié)約農(nóng)業(yè)用水、強(qiáng)化用水計(jì)量、規(guī)范用水管理、減輕管理工作負(fù)擔(dān)的作用。

3 渠道坡面膨脹土治理

三級干渠樁號5+000～8+840采用明渠開挖方式，明渠開挖段總長3.84 km。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告勘察成果，5+000～6+700、7+640～8+840段沿程邊坡上覆弱～中等膨脹潛勢的③層重粉質(zhì)壤土。其中，5+000～6+700段渠道上部③層土高度不超高5 m，7+640～8+840段上部③層土高度普遍超過8 m?？紤]到邊坡穩(wěn)定及投資情況，本次擬對渠道上部③層膨脹土較高的7+640～8+840段渠道坡面進(jìn)行膨脹土治理。

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查以及地勘成果可知，灌區(qū)干渠工程的膨脹土完整性較好，未發(fā)現(xiàn)較為明顯的長大裂隙?？沙醪脚卸ǎ琅蛎浲吝吰禄静粫l(fā)生由長大結(jié)構(gòu)面控制的大規(guī)模破壞。但在干濕交替、雨水入滲等條件影響下，膨脹土已有裂隙存在發(fā)展、擴(kuò)大的可能。因此，防止雨水入滲是河道膨脹土邊坡治理的重要措施。與此同時(shí)，做好表面排水和土體內(nèi)排水設(shè)施，避免膨脹土因遇水崩解以及干濕交替引起的邊坡失穩(wěn)。

3.1 膨脹土分布情況

從本階段地質(zhì)鉆探資料分析，三級干渠樁號7+640～8+840段大量分布③層重粉質(zhì)壤土，且渠底上部高度普遍超過8 m，該層土含鐵錳結(jié)核，黃、灰黃、灰白等色，可塑～硬塑，為弱～中等膨脹潛勢，對河道邊坡的穩(wěn)定構(gòu)成一定威脅。

3.2 膨脹土邊坡失穩(wěn)緣由初析

膨脹土具備脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性，是其區(qū)別于一般黏性土的重要特征。膨脹土的“三性”形成的原因以及對邊坡穩(wěn)定性的影響也不盡相同。其中，膨脹土的脹縮性主要受到形成膨脹土的礦物所控制，是膨脹土的“內(nèi)因”。膨脹土具備的脹縮性使其在干濕循環(huán)影響下，體積不斷變化，從而造成膨脹土之間出現(xiàn)裂隙。膨脹土裂隙的形成，對整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性將造成巨大的影響。在膨脹土邊坡內(nèi)部，裂隙是邊坡應(yīng)力集中的區(qū)域，也是土體強(qiáng)度較低的區(qū)域。同時(shí)裂隙的存在，導(dǎo)致了雨水的匯集，增大了膨脹土的脹縮性，裂隙中的雨水也增大了邊坡的水壓力，降低了土體抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致邊坡容易出現(xiàn)滑動破壞。膨脹土超固結(jié)性在河道開挖卸荷影響下，土體易出現(xiàn)軟化，可導(dǎo)致膨脹土邊坡易于失穩(wěn)破壞。

3.3 膨脹土邊坡治理方案

3.3.1 膨脹土邊坡常用治理措施分析

根據(jù)上述分析可知，水是誘發(fā)膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞的一個(gè)主要因素。為了保證膨脹土邊坡的穩(wěn)定性，可從以下幾個(gè)方面采取相關(guān)治理措施：

1) 構(gòu)建良好的膨脹土邊坡防水、排水體系。首先，需要保證在邊坡坡面沒有大量的降水、地表水入滲，同時(shí)需要保證降水、地表水的排泄條件，盡快疏排。

2) 在工程施工期間，保證膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。目前，部分區(qū)域膨脹土邊坡已經(jīng)出現(xiàn)一定程度的細(xì)小裂隙，存在繼續(xù)擴(kuò)大的可能。因此在施工期間，將已形成的裂隙消除是十分必要的。修正后需及時(shí)封閉，避免陽光暴曬而形成新的裂隙。

3) 提高表層土體的抗膨脹能力。在邊坡表層覆蓋一定厚度的摻入土工合成纖維的黏性土，必要時(shí)可采用加筋處理。

4) 干渠渠道護(hù)坡工程下鋪設(shè)一定厚度的透水材料，如砂等。

3.3.2 工程膨脹土邊坡治理方案研究

三級干渠出露的膨脹土為弱～中等膨脹潛勢，根據(jù)其他類似工程的研究經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合考慮，采用加強(qiáng)膨脹土坡面排水設(shè)施建設(shè)同時(shí)結(jié)合表層覆蓋、防護(hù)工程建設(shè)等措施，以保證膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。具體治理措施如下：在膨脹土邊坡表層回填無膨脹性并摻入5%水泥的粉質(zhì)壤土對膨脹土邊坡進(jìn)行覆蓋，換填厚度不小于1.0 m，即在膨脹土出露河道兩側(cè)邊坡各擴(kuò)挖水平寬度3.16 m，即垂直于坡面厚度1.0，然后回填5%水泥土，最終形成河道設(shè)計(jì)斷面。

5) 在覆蓋層表面設(shè)置厚0.1 m瓜子片墊層，其上設(shè)置厚0.12 m混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，在護(hù)坡表面設(shè)置縱橫向排水溝，所有縱橫排水溝均引至渠底。

渠堤堤坡穩(wěn)定分析包括：非常運(yùn)用條件Ⅰ，完建期工況，穩(wěn)定滲流期+地震；正常運(yùn)用條件，水位自設(shè)計(jì)水位31.3 m降至29.8 m的工況。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表1、圖1。

表1 穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果表

圖1 計(jì)算斷面不同工況下抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果圖

從表1堤坡穩(wěn)定計(jì)算成果看，堤坡穩(wěn)定系數(shù)滿足要求。8+533斷面坡面為膨脹土，坡面治理前各工況下計(jì)算坡面穩(wěn)定系數(shù)雖大于規(guī)范規(guī)定的最小穩(wěn)定系數(shù)，但考慮到灌溉渠道水位變化、干濕交替頻繁，膨脹土殘余強(qiáng)度衰減周期長，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，擬對三級干渠坡面存在膨脹土的開挖坡面高于5.0 m堤段進(jìn)行坡面膨脹土治理。

4 結(jié) 論

聊城市東昌府區(qū)引黃灌區(qū)渠道線路長，部分區(qū)域巖土體具有一定的膨脹性，渠坡屬于膨脹土邊坡。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，現(xiàn)場膨脹土邊坡局部形成裂隙，邊坡具有發(fā)生破壞的可能。由于膨脹土的脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性對邊坡穩(wěn)定性具備不利影響，因此考慮治理膨脹土邊坡可從削弱膨脹土的“三性”方法入手。綜合考慮，聊城市東昌府區(qū)引黃灌區(qū)渠道邊坡采取坡面排水和表層覆蓋相結(jié)合的措施進(jìn)行治理。根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，采用該方法較為可行。