特殊土渠基与渠坡的稳定

2011-02-14邢义川宋建正曹国利杜秀文

中国水利水电科学研究院学报 2011年2期

邢义川，宋建正，曹国利，杜秀文

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003；3.中国灌溉排水发展中心，北京 100053）

水利行业标准《渠道防渗工程技术规范》颁布17年来，不仅在我国的节水灌溉，而且在发电、供水等渠道防渗工程建设中都发挥了重大的作用。为了确保我国渠道防渗工程建设的质量、管理水平和输水效率，充分发挥工程效益，水利部组织了国标《渠道防渗工程技术规范》的修编。笔者参加了该规范第6章“渠基与渠坡的稳定”的编写工作，该章内容涉及对特殊土渠道稳定的总体要求，对保证渠基与渠坡稳定做出了具体规定。现将该章的修编思路与技术要点概述如下，便于使用者对该章的理解。

1 渠坡的安全坡比确定

1.1 确定渠坡安全坡比的两种方法渠道边坡的安全坡比i指一定条件下能够保证渠坡稳定的最小坡比，可用最小边坡系数m表示，二者互为倒数，即i=1∶m。渠道的安全坡比是衡量渠道稳定的基本指标，在渠道建设中非常重要，所以本规范增加了这一节内容。规范提出了确定渠坡安全坡比的两种方法：（1）采用数值计算的方法，就是根据工程地质和水文地质条件，通过土工试验和边坡稳定计算分析确定，这种方法适用于确定所有级别渠道的安全坡比；（2）采用工程类比法，就是与拟建渠道地质条件相近的已建渠道稳定边坡的坡比作为参考，再加上工程经验确定拟建工程的安全坡比，这种方法适用于确定小型渠道的安全坡比。

本规范采用这两种方法的理由是：现在的渠道工程规模有的很大（象南水北调中线渠道，过几百个流量），有的很小（像灌溉农渠，只过0.1个流量），对于很小的渠道工程再采用数值计算的方法，就显得过于浪费，所以规定5级渠道的安全坡比的确定可采用工程类比法。

1.2 渠道边坡安全坡比数值计算方法在采用数值计算方法确定渠道边坡的安全坡比时，关键的问题是分析方法的选取、强度参数的选取和边坡安全系数的确定。

（1）边坡稳定分析方法选取。分析方法很多，有极限平衡法、有限元法、概率统计法等，就极限平衡法大类中还有许多方法，例如简化毕肖普法、摩根斯—普赖斯法、不平衡推力传递法和楔体法等。实践经验表明，对于一般的渠道工程，采用极限平衡法，就可以满足设计要求，但是当变形对渠道的安全影响较大（当变形对渠道防渗衬砌结构有较大影响或开挖卸荷导致渠道变形破坏时），就需要再采用有限元法作进一步验算；对于极限平衡法中多种方法的选用，要根据渠基和渠坡的岩性（土质渠坡或岩质渠坡）、边坡滑动面形状（滑动面呈圆弧形、滑动面呈非圆弧形、岩体呈块体结构和层状结构、岩体楔形体）等特点确定；

（2）渠坡稳定计算的强度参数选取。强度参数是边坡设计与治理的重要依据，选择时应该非常慎重。正确选取强度参数对于大型或特大型渠坡更为重要，所以在本规范中强调了对大型或特大型渠道工程的强度参数选取；

（3）渠坡稳定分析的安全系数确定。从理论上讲，处于极限平衡状态时，边坡的稳定安全系数等于1。因此，若设计边坡的安全系数大于1，应能满足要求。但在实际工程中，由于方法误差、计算误差以及参数选取误差等都影响了计算结果的精度，所以工程中对其取值大于1。目前对于稳定安全系数取值，各部门尚无统一标准，本规范规定渠坡稳定分析的安全系数，对于正常运行条件可采用1.15～1.25，当考虑地震荷载时，应不小于1.05～1.10。这里安全系数给定一个范围而不是一个值，其目的是为了使设计工程师根据具体的工程等级、地质条件和工程的重要性对其进行选取。例如大型工程取大值、重要工程取大值等。

1.3 渠道边坡安全坡比工程类比法规范给出了水深小于或等于3m的挖方渠道最小边坡系数m表格，也给出了填方高度小于或等于3m的渠道内、外边坡最小边坡系数m表格，还给出了膜料防渗渠道的土料保护层内坡坡比表格，可供采用工程类比法选取边坡系数时参考。

2 黄土渠道的稳定性

黄土地区渠道破坏主要有两种现象，一种是渠基的湿陷破坏，这普遍存在于湿陷性黄土地区；另一种是渠道修建在黄土塬边，引起塬边黄土高边坡的滑坡，这主要发生在西北黄土高原地区。针对这两种现象，本规范在原规范内容的基础上，增加了湿陷性黄土渠基处理方法和黄土塬边渠坡增稳措施两项内容。

2.1 湿陷性黄土渠基的处理方法黄土的湿陷变形是黄土的突出特性，由于黄土的湿陷变形具有突变性，非连续性和不可逆性，往往对工程产生严重的危害。为了保证湿陷性黄土地区建筑物的安全和正常使用，在绝大多数情况下都必须采取地基处理。然而，地基处理费用很高，有时占工程总造价的20%～30%，工期较长，一般占总工期的1/4还多[12]，因此，地基处理方案的选择必须高度谨慎，力求做到技术经济上的合理性。湿陷性黄土地基处理方法很多，可以概括如下。

（1）基本消除黄土地基的湿陷性方法：①换土垫层法：有素土垫层和灰土垫层，将填筑的黄土分层夯实，使填土密实度大，孔隙小，具有强度高、压缩变形小的特点。但该法只能消除垫层厚度以内的湿陷性，一般处理深度1～3m；②强夯法：将适宜含水率的黄土，采用重锤夯实，夯后黄土地基的强度和均匀性都有保障，但该法有效处理深度一般为3～12m；③挤密法：在黄土地基上采用机械、人力或爆扩成孔，孔内填最优含水率的土或灰土桩，挤密适宜湿度的湿陷性黄土，该法可处理深度5～15m；④预浸水法：一般处理自重湿陷性黄土地基，可消除地面下6m以下湿陷性黄土层的全部湿陷性；此外，对于深厚湿陷性黄土地基，还可以采用孔内深层夯实处理技术，即DDC处理方法等。

（2）桩基础穿透湿陷性黄土层方法：将桩基础穿透湿陷性黄土层直接作用在持力土层上，躲过湿陷性黄土层带来的工程问题。这种桩基础主要是灌注桩。

（3）完全防水的方法：在湿陷性黄土地基上，采用隔水材料做好防水，避免地基的湿陷性。常用的隔水材料有灰土、油毡以及各种PVC和PE膜等。

在这3类湿陷性黄土地基处理方法中，完全防水的方法不可取，理由显而易见，渠道工程不可能做到完全防水；桩基础穿透湿陷性黄土层方法由于造价太高也不可取；通过分析比较，对于渠道工程，基本消除黄土地基的湿陷性方法比较适宜，所以规范采用了该类方法，并以列表的形式给出。规范还指出了湿陷性黄土渠基的处理具体选用方法，即根据黄土的湿陷性等级和渠道具体特点选取表中一种或多种相结合的方法。

2.2 塬边渠道黄土高边坡的增稳措施黄土塬边修建了渠道以后，由于渠道从高边坡拦腰开挖，坡面开挖卸载，形成了应力集中和临空条件，使剪应力增大，滑动势能增大；渠道在运行中，由于渠道渗水的作用、降雨作用、塬面灌溉和人为用水作用使地下水位上升，软化了土体，减小了土体的抗滑能力；坡脚不适当的挖土和人为活动的影响增加了坡体失稳因素。这就是塬边渠道高边坡常常发生滑坡的原因。例如陕西宝鸡峡引渭灌溉工程，渠道要经过98km黄土塬边斜坡地带，从1971年到1984年渠道通水后13年间，累计滑塌89次，滑塌方量190余万m3。1984年11月21日，86km段（即魏家堡附近）渠道左岸发生了大滑坡，滑塌土方约15万m3，堵塞渠道130m，使塬上11.3万hm2小麦冬灌受到很大影响，到目前为止在高边坡地段险情迹象仍存在，如许多群众窑洞出水，坡脚鼓肚，地表开裂、沉陷等时有发生[10]。

在长期的塬边渠道黄土高边坡的治理过程中，已形成了较系统的方法。主要有：（1）通过计算选取合理的边坡坡比，既要保证边坡稳定又要节省工程造价；（2）在平均坡比不变的条件下，一般在坡高的1/2或稍高处设6～12m宽的大平台，较一坡到顶或小平台的坡型，既经济又安全。因为在平台以下采用缓坡，少挖土方量，可以增强边坡土体的抗滑能力，大平台以上采用陡坡，可使平台加宽，相应地减少了边坡土体的滑动力；（3）为了防止黄土渠坡由于雨水作用产生的坡面冲刷、坡顶陷穴或溶洞等危害，同时为了防止坡体由于渗流、灌溉以及人为活动的影响而导致的地下水位升高，进而造成渠坡失稳现象，采用立体排水系统，增强土体的自身稳定性。对于坡体，采用水平钻打孔排出土体内的地下水，对于坡面，采用由天沟、侧沟、平台排水沟和吊沟组成的坡面排水系统；（4）渠堤以上黄土高边坡的坡脚是应力集中带，受到应力松弛和剥落、冲刷的交替作用，为了防止由于这些作用而逐渐降低边坡稳定性导致渠坡的整体破坏，常在坡脚处采用砂浆块石护坡或采用喷锚支护增稳措施。

3 膨胀土渠道的稳定性

3.1 膨胀土的工程特性膨胀土是由膨胀性黏土矿物蒙脱石、伊利石等组成的，具有胀缩性、超固结性、多裂隙性以及强度衰减特性的一类特殊黏性土[13]。主要分布在长江流域，绝大多数膨胀土集中分布在Ⅱ级阶地以上、盆地及平原地区。膨胀土的工程特性中，胀缩性是其内因，是由他的矿物成分和特殊物质结构所决定的，表现出干燥时体积收缩，土体处于坚硬状态。变湿时体积膨胀、土体处于软化的状态；裂隙性是关键因素，裂隙使土体的整体性减小，强度降低；超固结性是促进因素，使土体产生渐进破坏。膨胀土的工程特性决定了其边坡失稳破坏的特点，主要有[8]：

（1）由于气候的影响，使边坡出现浅层滑坡现象，一般是3～4m，最多是6m；

（2）膨胀土边坡滑动多在边坡的上半部，然后逐级牵引向上发展；

（3）在众多的膨胀土边坡破坏的调查中发现有的边坡坡比1∶5，仍然产生滑坡；

（4）不少边坡在运行了多年以后还产生滑波。例如驷马山引江水道是联系长江与滁河的人工开挖渠道，引江流量230m3/s，分洪流量500m3/s，最大切岭深34m。1969年12月动工开挖，1971年12月竣工，渠道底宽14～27m，边坡1∶3～1∶3.5，运行中1974年发生第一处滑坡后，到2002年已发生滑坡10处，而且20多年后渠坡仍有滑坡迹象；

（5）在多雨季节是滑坡最易发生的时期，特别是在长期干旱以后的第一个雨季，滑坡会成群出现；

（6）阳坡是气候变化较为剧烈的地方，所以，膨胀土边坡的破坏多发生在阳坡。

由于膨胀土复杂的工程特性，膨胀土地区修建的渠道常常发生地基和边坡破坏，造成巨大的经济损失。例如南水北调安阳段有一处弱膨胀土渠道，在修建过程中，由于2010年8月份连续降雨，使4公里多的渠道产生大面积滑塌破坏，现场情况惨不忍睹。

在这一节，本规范针对膨胀土的工程特性，结合长期工程实践经验，在原规范的基础上，增加了安全坡比的确定、边坡稳定分析方法的选取、计算参数的选取原则、计算参数的试验方法等内容；在膨胀土地基和边坡处理方法方面，增加了新方法、新材料和新技术的应用。

3.2 膨胀土渠道边坡稳定分析膨胀土渠道边坡稳定分析必须反映膨胀土复杂的工程特性和独特的渠坡破坏特性，这主要体现在破坏面、强度参数和计算方法的选取上。

（1）膨胀土边坡的破坏面选取。在破坏面确定方面，在一定条件下，要考虑裂隙的分布和数量、裂隙的产状变化规律、充填物性质等，根据裂隙的这些性质判断出可能的破坏面；

（2）膨胀土边坡稳定计算的强度参数选取。一般情况下，膨胀土的峰值抗剪强度是相当高的，但是从失稳的膨胀土边坡反算出的抗剪强度却远远低于其峰值强度，一般在峰值强度和残余强度之间。滑动面上强度参数的取值要根据不同土层结构特点、地质条件、地下水情况由土工试验确定。强度参数宜采用三轴压缩试验确定，残余强度参数宜采用反复剪切试验确定；

（3）计算方法选取。膨胀土渠坡的稳定性，实际是一个非饱和土工程问题，对于特大型和大Ⅰ型渠道边坡稳定分析一定要考虑非饱和土的性质，可采用相应的稳定分析方法和选取相应的强度参数。

3.3 膨胀土地基和边坡处理方法膨胀土边坡破坏表现出多种特点，提醒人们应采取针对措施以增强边坡的稳定性。在长期工程实践中，积累了丰富的经验，提出了很多好的膨胀土地基和边坡处理方法，规范根据膨胀土渠道边坡的运行特点，选取了一些适宜的方法列入表中供应用时参考。在选择膨胀土渠坡的增稳处理措施时，可选择其中一种或多种相结合的方法，处理深度应根据分析计算确定。

（1）适应基土变性的渠道断面和防渗结构措施。主要是考虑结构与地基的共同作用，规范指出：当地基变形值小于5cm时，可采用适应基土变形的渠道断面和防渗结构；当基土变形值大于5cm时，应采用处理渠基的方法；或二者联合的方法。适应基土变形的渠道断面形式有U形、弧形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形、宽浅矩形等；防渗结构有柔性结构，柔性与刚性复合结构（混凝土板与塑膜复合式），形式改善的刚性结构（架空梁板式—预制∏形板、预制空心板式结构）等；

（2）换土措施。将膨胀土部分挖除，用非膨胀土或粗粒土包盖。换土的厚度要考虑因降雨引起土体含水量急剧变化带的深度，换土质量符合各项技术指标要求。例如河南南阳刁南灌渠北干1#跃水闸下游渠段换土厚度1.5m，断面坡度1∶2.0，运行近20年，渠坡未发生破坏迹象。宁夏盐环定杨黄工程龚儿庄泵站地基膨胀土采用换土处理方法，换成3∶7灰土，厚2.5m[6]，南水北调中线工程线路长1 427.17km，其中穿越膨胀岩土渠段累计长约340km，从科研报告看，处理的主要措施还是换土方案，强、中膨胀土的换土厚度分别为2.5和2.0m；

（3）土性改良措施。主要有石灰固化作用和水泥固化作用。我国广西上思那板北干渠有些渠段，采用膨胀土掺8%的石灰，衬砌灰土厚40cm，表面盖30cm厚的水泥砂浆；有些渠道膨胀土掺6%水泥作护坡材料，厚20cm，表面覆盖厚约30cm水泥砂浆，该渠处理后30多年来运行正常[6]；

（4）坡面防护措施。主要是种植草皮，坡面设置排水系统防止雨水冲刷。该措施大多应用于渠道外坡和衬砌以上渠坡；

（5）坡体排水措施。采用某种排渗措施将膨胀土渠坡内部积水排出体外以增强渠坡的稳定性。安徽省驷马山引江工程渠坡治理就曾采用竖井结合水平孔排渗方案。其中I-74#滑坡段采用了3口、IV-89#滑坡采用49口、IV-96#滑坡采用深井26口和Ⅷ-98#滑坡采用8口竖井及水平排渗孔方案，形成了竖井联合水平排渗孔的立体排渗系统。经过多年运行，渠坡再没有发生滑塌，从测压管水位观测情况看，渠坡向有利于稳定的趋势发展。

（6）加筋土措施。将土工合成材料在渠坡内不同高度分层铺设，使其与土体共同作用来增强渠坡的稳定性，加筋材料有纤维、土工织物、土工格栅等，对于渠道边坡土工格栅效果更佳。土工格栅选型、土工格栅自由段长度、锚固长度，分层填土厚度等技术数据，应根据工程需要和渠坡稳定分析确定。

4 分散性土渠道的稳定性

分散性土具有易被水冲蚀的特性，容易被雨水淋蚀产生冲蚀孔洞和被渗流水冲蚀出现管涌破坏。分散性土对渠道工程产生的破坏非常严重，20世纪50年代在澳大利亚首先发现，60年代在美国也相继发现，70年代我国黑龙江省在兴建北部引嫩繁荣灌区等工程时，同样发现了分散性土对工程带来的严重破坏，其后在湖北、浙江、广西、辽宁、山东、河南、吉林等省区的水利工程建设中，相继都有发现[7]。分散性土对渠道工程产生的破坏虽然非常严重，但只要通过试验，鉴别其分散性，采取有效措施，在分散性土基上修建渠道工程是安全可行的。

这一节首先更正了原规范对分散性土的分类定名。原规范中将分散性土定名为高、中、低分散性土，笔者认为不妥，根据现行相关规范将分散性土定名为高抗蚀性土、非分散性土、过渡性土和分散性土。然后，根据分散性土的易被水冲蚀、易被雨水淋蚀和易发生渗透管涌破坏的特性，提出渠道地基和边坡的工程处理措施。

（1）对分散性土渠基和渠坡采用防雨水淋蚀措施。应根据当地的降雨强度和雨量以及土的分散程度、坡高等，设计防水设施和排水系统。例如20cm厚灰土压实处理、换填一定厚度的非分散性土处理和土工膜防渗处理等。

（2）对分散性土渠基和渠坡采用防渗流冲蚀和防渗透管涌措施。采用水利工程中常用的迎水坡防渗背水坡反滤的方法。成功的经验表明，渠道的迎水坡采用土工膜防渗，背水坡采用反滤砂或土工布反滤保护的措施对增强渠道边坡的稳定性效果非常好。

5 盐渍土渠道的稳定性

我国的盐渍土主要分布在西北干旱地区的新疆、青海、甘肃、内蒙古等地势低平的盆地和平原中。主要工程特性有：（1）盐渍土的固、液和气三相组成与一般土不同，液相中含有盐溶液，固相中含有结晶盐。由于相转变作用，使得现行的土工试验方法对盐渍土不完全适用；（2）盐渍土在水的作用下，强度显著降低；（3）有些盐渍土地基浸水后，因盐溶解产生溶陷；（4）含硫酸钠土的地基，在温度和湿度变化时，会产生体积膨胀；（5）盐渍土中的盐溶液可以导致建筑物和地下埋设的设施的材料腐蚀等。

本规范在这一节中紧紧围绕盐渍土的工程特性和多年来工程应用的实际，增加了盐渍土分类标准、新建盐渍土渠道尽量采用填方渠道、盐渍土作为填料的标准等。

盐渍土的分类方法很多，但主要根据含盐的性质，含盐量的多少，盐在水中溶解的难易程度，盐渍土的地理条件等进行分类。分类的目的是盐渍土的类别对各行业的危害程度，例如，农业上是考虑对一般农作物生长有害程度，按可溶盐类别和含量进行分类，而工程上则考虑对工程使用的影响。所以各部门都可根据各自的特点和需要来划分盐渍土的类别，这样就出现了各分类标准之间存在较大差距。通过分析认为《岩土工程勘察规程》（GB50021-2001）将盐渍土分为弱盐渍土、中盐渍土、强盐渍土、超盐渍土，较为符合渠道工程实际。

根据多家科研单位的多年研究，以及公路、铁路和水利部门多年经验，盐渍土填方地基的稳定性优于挖方地基，在渠道选线时尽量考虑采用填方地基。新疆引额济乌平原明渠工程硫酸（亚硫酸）盐渍土地区设计时就曾尽量采用填方渠道。

并不是所有盐渍土都能作为填方渠道的填料，本规范根据渠道运行特点，由盐渍土程度和渠道填料的平均含盐量多少规定该盐渍土是否可作为填料。

在盐渍土地基加固方面，规定了工程处理原则：“氯化钠盐渍土渠基，可不进行处理；碳酸钠盐渍土渠基，宜采用适应基土变形的渠道断面和防渗结构；盐胀土渠基，可采用砂砾石或灰土等非盐胀土置换，也可采用添加剂进行化学处理，使盐胀土转化为非盐胀土”。

6 沙漠渠道的稳定性

一些输水工程要穿越沙漠地区，对于中小型引水工程多采用钢筋混凝土箱涵或预应力混凝土管道，大型输水工程多采用明渠输水。国外典型的沙漠渠道工程有：土库曼斯坦卡拉库姆运河、埃及尼罗河向西奈半岛引水工程、美国科罗拉多引水干渠和加利福尼亚南部引水干渠等[16]。我国已建的沙漠明渠是新疆引额供水工程引额济乌一期一步工程的一部分。沙漠明渠由北向南穿过准噶尔盆地中部的古尔班通古特沙漠区，渠道由3个泉倒虹吸出口至沙漠出口，全长166.472km。

我国在修建沙漠渠道时，对穿越沙漠的北部段、中部段和南部段渠基进行了详细的勘探，同时做了大量室内土工试验和现场试验，揭示了沙漠土的工程特性，主要有[16]：（1）风积沙颗粒较细，比较均匀，其工程特性介于沙和土之间；（2）天然沙属中密状态，机械碾压后可达到密实状态；（3）渗透系数在1.6×10-3～9.9×10-3范围，渗透破坏属流土破坏，临界比降1.0～1.2之间；（4）承载力大于100kPa；（5）沙土不存在溶滤变形和湿胀变形；（6）属于非冻胀土。

该节是根据建设大型沙漠明渠的经验和今后会遇到需要修建沙漠明渠的可能而增加的一节。在这一节中根据我国沙漠明渠风积沙的颗粒特性、碾压特性、渗透特性、承载能力、含盐量、冻胀性、压缩性等性质和沙漠渠道稳定问题，对沙漠渠道的稳定计算方法、渠基的清基原则、沙漠明渠设计布置方法、施工机械、施工方法、以及生态绿化和固沙防护作出具体规定。

7 结语

渠道防渗和衬砌结构直接坐落在渠基与渠坡上，保证渠道防渗效果的前提是具有坚实稳固的渠基与渠坡。

（1）渠坡安全坡比确定方法有数值计算法和工程类比法。对于大型渠道工程，必须采用数值计算方法确定其安全坡比。在坡比计算中应根据渠道的规模、岩土工程特性、以及渠道运行特点选取相应的计算方法、强度参数取值和安全系数标准；但对于小型渠道工程，若设计资料缺乏，可根据同类工程情况和工程经验进行类比确定渠坡的安全坡比。

（2）我国广泛分布着特殊土，而且特殊土种类也比较多。本文对比较典型的几种特殊土，即黄土、膨胀土、分散性土、盐渍土、冻胀性土和沙漠土等，进行了分析，指出了他们的共同点和基本特性。共同点是对水具有特殊的敏感性，遇水工程性质发生显著变化；基本特性是有的湿陷、有的湿胀、还有的产生冲蚀等。列举了这些特殊土曾在渠道工程建设和运行中，给工程带来巨大的经济损失，给人们的生活造成重大的灾害。

（3）根据多年来人们对特殊土工程的设计、施工和工程处理方面的经验总结了开展渠基与渠坡稳定性分析和选取工程处理方案的程序和方法。即首先要通过试验资料评价出某种特殊土的危害级别，然后根据土的力学试验参数和工程特点确定渠坡的安全坡比，最后根据相应的渠道工程级别、特殊土的特性和工程条件选取工程处理措施。

（4）根据典型的几种特殊土的基本特性和渠道工程的特点广泛分析和评价了特殊土工程处理的方法，提出了适合渠基和渠坡处理的方法和措施，还列举了该类方法中一些成功的实例。供规范使用者参考。

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