高地下水位膨胀岩渠坡稳定性分析研究

□罗云昊 □朱 华（华北水利水电大学）

□王东东（福建省建研勘察设计院)

0 引言

南水北调工程穿越膨胀岩渠段累计长约131 km，膨胀岩因其特殊的工程性质，易造成渠道边坡失稳，对工程的安全运行产生严重危害，是南水北调中线工程的主要技术问题之一。

造成膨胀岩渠坡危害的原因可主要归结为膨胀岩的“三性”，即胀缩性、裂隙性和超固结性。胀缩性是所含的粘土矿物成分、胶结物质成分和结构特征而造成遇水膨胀、失水收缩的特性，属于“内因”；裂隙性是由于膨胀软化或收缩开裂而导致岩土体积和状态的变化，从而使岩土体开裂，产生裂隙，破坏膨胀岩的整体性；超固结性是由于沉积受荷历史等因素引起的，在施工开挖时卸荷使地基产生回弹，促进裂隙的发展和岩土体膨胀软化加剧。此外，在外界因素如降雨、蒸发等作用下含水量发生变化，对渠道边坡的稳定性影响很大。

1 失稳渠段概况

南水北调中线工程河南安阳段全长40.33 km，渠道长39.36 km，其中一半以上涉及膨胀岩。2010年7-9月，河南安阳等地普降大、暴雨，8月22日，在防汛检查中，发现南田村西公路桥附近部分已衬砌完工的渠道边坡发生滑坡，之后向南、向北不连续发展，截止到9月底，失稳渠坡长度累计5000余米。

失稳渠段以半挖半填为主，渠道最大挖深约11.50m，最大填高约10m。渠道为梯形断面，设计渠底宽度为18.50m，渠道内一级边坡 1：2，一级马道宽 5m，外坡 1：1.50～1：2，渠道纵比降为1/28000。堤顶至渠底深最大为9.05m。本渠段进出口设计流量245m3/s，设计水深7m。加大设计流量280m3/s，加大水深7.34m。渠底高程87.05～86.77m，一级马道高程96.10～95.78m。

2 工程地质条件

失稳渠段属软岩丘陵岗地地貌单元，地势总体呈西高东低，总干渠左侧地面高程97～104m，总干渠右侧地面高程84～95m。地层结构为土岩双层结构，自上而下依次为第①层重粉质壤土：褐黄、黄色，可塑状，厚度0.50～1.00m；第②层泥灰岩：为上第三系软质岩，成岩一般较差。上下岩性略有差异，上部为棕黄、灰白，下部为灰白色杂浅灰绿色，隐晶结构，上部成岩较差，较破碎，网状裂隙发育，厚3～4m。下部相对成岩较好。本段泥灰岩自由膨胀率δef=41%～58%，具弱膨胀潜势，膨胀力Pe=12.50～178.91 kPa。地下水类型属泥灰岩裂隙、岩溶水。该层泥灰岩裂隙、岩溶发育程度很不均一，泥灰岩赋水性、透水性及其水力联系存在明显差异。在大气影响带范围内泥灰岩中裂隙岩溶水具有上层滞水特点，枯水季节地下水位埋深大，汛期多雨季节地下水位明显上升，地下水位变幅较大。受地形的控制，场区内地下水整体流向自西向东流。多年最高水位线一般高于渠底板0.50～2.50m。透水性差异很大，透水率q=0.65～53 Lu，属微～中等透水性。

该区位于华北准地台黄淮海拗陷与山西台背斜的交接部位，新构造分区属华北断陷~隆起区的太行山隆起分区和河北断陷分区。地震动峰值加速度0.20 g，相当于地震基本烈度Ⅷ度。

3 物理力学参数的选取

根据室内试验成果和前期勘察试验资料，结合工程经验和类比，换填土和弱膨胀泥灰岩结合面饱和抗剪强度建议值采用C=19 kPa、φ=16°。膨胀岩的物理力学性质参数见表1，残余强度建议值见表2。

表1 安阳段上第三系膨胀岩物理力学性质参数建议值表

表2 安阳段上第三系膨胀岩残余强度建议值表

4 渠坡稳定计算分析

4.1 计算方法

采用刚体极限平衡法和有限元法对膨胀岩边坡稳定性进行分析。一是对水位以上的非膨胀土采用自然快剪、水位以下采用饱和快剪强度指标；二是对于膨胀岩，根据地质报告取饱和快剪强度指标建议值。计算参数见表1。

计算参数选定后对计算结果影响比较大的边界条件有坡高、地下水位、膨胀岩分布厚度等。因此在计算时着重考虑：一是在每个设计段内选取开挖最深的断面作为代表断面，地层基本相同的情况下边坡越高安全系数相对越低；二是考虑到膨胀岩对水的敏感性，进行了换填前、后最高水位且渠道内无水时的边坡稳定计算；三是坡高、地下水位都相似的情况下，则选择膨胀岩分布最厚的断面做为计算代表断面。

4.2 现状条件分析计算

坡面换填处理完成并衬砌，渠底未衬砌、有积水，泥灰岩裂隙水高于渠底约3m，计算成果见图1。

图1 SY2-540断面换填后整体滑动计算成果图

坡脚处无积水、地下水位高于渠底3m，在换填土表面形成厚约0.10m左右的泥化层。计算成果见图2、图3。

图2 SY2-540断面（坡脚无积水）滑弧位置及安全系数图

图3 SY2-540断面（坡脚无积水）位移矢量图

坡脚处有积水、地下水位高于渠底3m、渠底换填土表层有0.10m厚的泥化层的计算成果，见图4、图5。

图4 SY2-540断面（坡脚有积水）滑弧位置及安全系数图

图5 SY2-540断面（坡脚有积水）位移矢量图

4.3 对假定软弱面的计算

软弱面的强度参数参考潞王坟段选取C=14kPa，φ=17°。假定在地下水位以下换填层与泥灰岩结合面处存在0.10m的软弱带面，计算结果见图6、图7。

图6 SY2-540断面（坡脚积水、有软弱带）滑弧位置及安全系数图

图7 SY2-540断面（坡脚积水、有软弱带）位移矢量图

4.4 考虑结合面有静水压力

考虑当水位上升后，地下水未能够及时排出，在结合面处有静水压力作用时，计算安全系为1.24。

5 计算及复核结果汇总分析

5.1 结果汇总

已发生破坏处复核断面，采用极限平衡法及有限元法对各种工况计算成果见表3。

表3 计算结果汇总表

通过对不同工况的计算结果分析可看出：当在结合面处施加水压力时，安全系数较低；对于坡脚有无积水的情况计算时，安全系数差异较小，通过对位移矢量图（图3和图5）的比较可以看出，坡脚处有积水时的位移较无积水时相对明显一些，并且在距离坡脚较近的位置，换填层的水平位移有增大趋势，该趋势与现场发生的浅层牵引的破坏形式非常相似。

5.2 失稳原因分析

5.2.1 地质结构及径流影响

总干渠为南北走向，地形总体表现为渠道左岸较右岸高，而现场发生破坏的部位多发生在渠道左岸，且渠道两岸的地层及地下水位等条件基本相似，因此，在经历降雨和重力作用的情况下泥灰岩中的裂隙水总体表现为由左岸向右岸径流的趋势，膨胀岩渠道边坡的失稳可能受到优势倾向及缓倾角发育程度的影响。

5.2.2 短期内地下水位升高

失稳渠段钻孔水位一般在渠底板附近，多年预测最高水位一般高于渠底0.50～2.50m左右。由于短时间内连续强降雨导致水位迅速上升致高于渠底近3m处，从而使膨胀岩裂隙的渗透系数增大，水压力也随之增大，以至于对换填层的稳定产生不利影响。

5.2.3 坡脚软化

由于渠道中间清基土的堆放，加之连续降雨，导致坡脚处形成宽约0.80m、深约0.40m的积水，换填土表面由于受到雨水浸泡形成0.15～0.20m的泥化层，坡脚土体强度降低且坡脚部分换填土层出现临空面，因此位移最先可能出现在坡脚处，进而对渠底挤压使渠底隆起，逐渐对坡脚以上的换填土层形成渐进式牵引，导致其失稳下滑。

5.2.4 存在结合面

在工程开挖过程中，边坡表面的岩屑往往不易清除干净，这是由于泥灰岩成岩程度非均一且似土非岩的特征，当其遇水后发生崩解软化，从而强度降低，在换填面易形成软弱夹层。

5.2.5 膨胀力作用

该渠段虽为弱膨胀性泥灰岩，但膨胀力（12.50～178.91 kPa）较大。由于渠底衬砌未完成，加之降雨形成积水使得泥灰岩含水量增大，导致渠坡内土体产生不均匀膨胀形变。而坡脚处膨胀力释放较大，应力集中，从而在坡脚处剪应力越过峰值强度而首先破坏，进一步引起相邻区域相继超过其峰值强度并破坏，破坏方式呈链式自下而上逐步扩大，最终使渠坡整体失稳滑动。

6 结语

文章结合膨胀岩的特性，对失稳渠段进行了稳定性分析计算以及失稳原因的分析。为保证渠道安全稳定，一是渠坡换填面在换填粘土前要做好粘土岩碎屑的清理工作，以免形成薄弱面；二是地下水位高于渠底的渠段应采取必要的降水措施，保证干地施工及完建期渠道安全；三是雨季渠道积水时应及时抽排，以免渠道坡脚换填土长期浸泡于水中；四是渠内临时排水沟设置应尽量远离坡脚，避免坡脚失稳；五是加强人工巡视及监察监测，及早发现迹象并采取有关措施，防止破坏发生。

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