毗河供水一期工程总干渠穿越成都粘土区明渠高边坡滑坡原因分析及处理

(资阳市水务投资有限责任公司，四川 资阳，641300)

1 滑坡基本情况

1.1 已滑坡部分概况

毗河供水一期工程自2016年10月以来，共进行了4段成都粘土覆盖区的明(暗)渠开挖施工，实际情况揭示，各渠道在施工阶段就出现了不同程度的滑坡现象，截止2017年3月2日数据统计，已施工的4段渠道工程中，左侧边坡滑坡443.6m，右侧边坡滑坡572.8m，直接造成工程施工停止，对工程建设产生了严重影响。

表1边坡滑坡情况统计

1.2 分析重点与范围

毗河供水一期工程穿越成都粘土区渠道总长度约11000余m，设计开挖深度从4m～10m不等，粘土覆盖层厚度从3.5m～19m不等，设计断面较多，类别复杂。本文主要结合已施工的980m明渠段滑坡情况，对设计开挖深度为6m～10m，粘土厚度≥6m的渠段类型进行分析，介绍阐述边坡处理方法及应用效果。

2 滑坡段基本资料

2.1 地质条件

2.2 水文条件

滑坡区域地下水位较高，且无外排出口，地下水类型以孔隙、裂隙水为主，受地表渗水和大气降水补给。降雨时，地层含水量明显增大，土体出现饱和。

2.3 物理参数

对该段工程的粘土层取样进行试验，其天然含水量为28.1%，饱和度90.3%，压缩系数av0.1～0.2=0.380MPa-1、压缩模量Es0.1～0.2=6.634MPa，渗透系数K=1.10×10-6cm/s，自由膨胀率59%，饱和快剪φ=8.34°、C=22.4kPa，饱和固结快剪φ=13.85°、C=22.1kPa，表明该粘土天然含水量较高，中等压缩性、中等膨胀性、微透水性和较低的抗剪强度，具体参数详见表2。

表2成都粘土物理力学参数建议值

3 失稳成因及演变机理分析

3.1 原因分析

该段明渠工程粘土覆盖厚度平均约7.8m，边坡基本由成都粘土组成，工程地质条件差，结合现场施工情况，对该段工程边坡滑坡进行综合分析，认为产生滑坡的原因主要是自然因素和人为因素两个方面。

3.1.1 自然因素

(1)地下水作用

成都粘土的物理性质表明其具有明显的遇水膨胀、失水收缩的特点，根据室内试验，本段工程边坡垮塌土体天然含水量为28.1%，含水量较大，部分滑动带土体处于饱和状态，而水的作用对边坡的影响极其明显，水会在土颗粒表面形成水膜，影响土体颗粒之间的作用力，进一步降低土体的抗剪强度。

(2)降雨作用

一是降雨对边坡施加了一个相对的竖向压应力，同时雨水形成的径流会对边坡产生一个较大的冲刷作用，影响边坡坡面的稳定；二是降雨入渗会使部分不饱和土体逐渐饱和，显著增加土体的重度，而土体在吸水后发生明显膨胀，增大的膨胀力会对周围的土体形成挤压，进一步加大滑坡趋势；三是雨水的渗入会进一步抬升地下水位，使水位线变的陡峭，土体渗流力增大，同时渗透引起的动水压力也会增加土体的剪应力。

(3)大气作用

工程位置位于亚热带湿润季风气候区，大气作用对边坡表层部分影响较大，本段工程在施工中采用了全线开挖，而开挖后的边坡又长期暴露未采取任何保护措施，致使边坡表面长期与空气接触，边坡表层2m～3m范围的土体特性产生较大变化，导致土体内部出现了干裂，进而使土体抗剪强度进一步变低。

3.1.2 人为因素

(1)卸荷作用

边坡开挖打破了原有的土体平衡状态，致使坡脚临空，失去了横向支撑，边坡的侧向荷载被卸除后，粘土内部的裂隙得到扩展，同时在边坡开挖后，坡脚出现较大的应力集中现象，加剧坡脚土体的挤压破损，使边坡坡脚极易失稳，产生牵引式滑坡。

(2)施工方法作用

一是渠道施工开挖过程中，施工道路布置不合理，多沿渠顶边缘布置，重型运输机械在行驶过程中增加了边坡上部的附加荷载和振动效应，对边坡的稳定造成了较大影响；二是开挖方式采用全线开挖，而未进行分段间隔开挖，在部分开挖深度较大的地段也没有采取保护性措施，导致边坡产生蠕动变形致使失稳滑坡。

3.2 边坡失稳过程演化分析

根据以上分析，该段明渠边坡失稳主要受到施工方法、地下水位、大气环境、降雨入渗、土体特性等参数的影响。其失稳演化过程主要表现为：开挖导致坡脚应力集中→无保护措施致使边坡蠕变→大气、地下水作用导致土体抗剪强度降低→降雨入渗增加额外荷载→多重作用导致局部裂隙扩展→产生滑动趋势→出现滑坡。具体过程为：

(1)受施工开挖和重力作用，坡脚出现应力集中现象，在此基础上，坡脚首先追踪土体内部原有软弱结构面，导致结构面的剪切应变软化，然后逐渐向边坡上部扩展，增大软弱结构面的长度与开度；

(2)在此过程中，降雨、地下水、大气等发挥作用进一步促使应力沿软弱结构面向后发展，形成一条沿节理的贯穿性软弱结构面，随后滑体与后缘尚处于稳定的土体逐步脱开，最后形成牵引式滑坡；

(3)以上各影响因素几乎同时发生，又相互促进，综合作用下使边坡出现滑坡，因此，治理边坡时应全面考虑，综合治理。

4 工程处理措施

为解决成都粘土覆盖区明渠边坡的稳定问题，切实减少边坡滑坡所造成的的损失，保障工程建设的有序推进，根据实际情况和类似工程经验，经参建各方深入论证和审慎研究，对原设计方案进行了修改，圆满解决了施工期和建设期的渠道稳定问题。

4.1 原设计方案

原设计方案为全挖方梯形渠道，渠道高度5.97m，底宽2.52m，纵坡1/7000，渠坡坡比1∶0.75，C15混凝土面板衬砌，厚度10cm，面板下部铺设复合土工膜防渗。渠道原设计典型剖面如图1所示。

图1 原初设方案断面

4.2 变更方案比选

根据现场实际施工情况来看。原有设计方案已无法满足需要，为确保工程建设和运行期的安全，初步拟定了板桩墙、暗涵、抗滑桩等方案进行比较。

方案一：板桩墙方案。矩形过水断面，过流尺寸9.0m×4.614m(宽×高)，C25钢筋混凝土抗滑桩，桩顶沿纵向设冠梁，横向设拉杆，侧墙厚度0.3m，底板厚度0.1m。其中桩基直径1.2m，桩长11m～15m，桩间距2m。

方案二：双孔暗涵方案。暗涵纵坡i=1/7000，结构为双孔城门洞形，单孔底宽5.5m，直墙高3.4m，顶拱中心角180°，半径2.75m，C25钢筋混凝土衬砌，厚度0.6m。

方案三：抗滑桩方案。梯形过水断面，渠道设置单排C25钢筋混凝土抗滑桩，渠内边坡采用2.0m厚砂卵石换填，渠道过水断面内设置排水设施，桩基采用C25钢筋混凝土，桩距2.5m，桩长12m。渠内C15混凝土衬砌，厚度0.1m。

表3技术经济对比表 单位：延m

从表3可以看出，三种变更方案在技术上均可行的前提下经济指标接近，其中双孔暗涵方案投资最少，但是成都粘土力学性质复杂，根据已施工的部分暗渠在施工阶段边坡即出现垮塌的情况，为保证施工期的边坡稳定，避免新增用地，最终确定采用方案一(板桩墙，桩径1.2m，桩距2m)，桩基深入底板以下深度≥6m。

图2 变更后渠道断面

4.3 施工期边坡稳定验算

对于该类型渠道，开挖施工采用两步进行，首先完成设计桩顶高程以上的边坡开挖，随后进行抗滑桩施工，抗滑桩强度验收完成后，再进行矩形渠身开挖。施工期边坡稳定验算根据施工方式分两种工况进行，计算方法采用单一安全系数毕肖普法；抗剪强度采用三轴压缩仪测定值，指标按线性强度准则选用，计算程序采用理正边坡稳定分析软件，计算标准采用《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)。

表4计算参数取值

图3 渠坡稳定计算简图

4.4 施工期边坡稳定效果评价

计算结果表明，施工各阶段的边坡稳定系数均满足规范要求，在实际施工运用中，良好地解决了施工期边坡垮塌问题，达到了预期效果，为工程顺利推进创造了良好条件。

5 结论

(1)成都粘土的工程性质较差，遇水极易软化、崩解，在工程施工时极易产生滑坡等不利影响。因此，在勘察设计阶段应对此类特殊地质问题进行详勘，并进行专项设计与评估，避免在施工阶段进行补勘和设计变更，尽量减小对施工阶段的影响。

(2)本段施工开挖形成的边坡滑坡除了受到自身力学性质的影响外，还主要受施工工艺、降雨入渗、地下水活动、大气循环等作用影响。在实际施工时，必须要合理选择施工时段，避免采用全线开挖的施工方法，开挖后须及时完成后续工作，并回填封闭，最大程度减少滑坡风险。

(3)水利工程中的渠道工程，其永久结构的稳定计算往往可以满足规范要求，但施工期的边坡稳定支护方案却容易被设计单位忽略，尤其是对于复杂土体施工期临时边坡的稳定，施工单位一定要妥善处理，不能盲目施工。

(4)关于成都粘土明渠开挖高边坡的稳定问题，可以采用板桩墙+植草护坡的方式进行处理。实践证明，此方案可以有效地支挡滑坡体，保证施工期的边坡稳定，也将对渠道后期运行产生积极影响。