排水措施在膨胀土边坡处理中的应用

□何向东 □马慧敏

（1 河南省水利科学研究院；2 河南省水利勘测设计研究有限公司）

0 引言

膨胀土（岩）是具有胀缩性、裂隙性和超固结性的粘性土，其工程性质非常特殊。膨胀土工程危害具有多次反复性和长期潜伏性，在世界各地频繁发生，是当今岩土工程界的全球性技术难题之一。南水北调中线工程涉及膨胀土（岩）的渠段累计约340km，膨胀土（岩）渠道处理是南水北调中线工程的主要技术难题之一。为此，国家“十一五”科技支撑课题2006BAB04A10“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”对此工程难题进行了深入研究，提出“在进行膨胀岩土渠道的设计和处理时，根据破坏模式的不同分别采取相应的处理措施”。膨胀土渠坡的破坏模式及处理方法分为两类：一是裂隙强度控制下渠坡滑动的处理方法：应进行裂隙强度控制下的膨胀岩土渠坡的整体稳定性复核，特别是具有顺坡向裂隙面（带）的中、强膨胀土渠坡挖方段，应保证渠道边坡沿裂隙面的抗滑稳定；如不满足设计要求，应适当放缓坡比并采取合适的支挡措施加固，如土钉、土锚、抗滑桩等。二是膨胀作用下渠坡变形及滑动的处理方法：在渠道边坡整体稳定的前提下，应采用考虑膨胀变形的有限元分析方法进行稳定复核，若不满足稳定要求，可考虑以下方案：对有土可换的渠段，首选换土方案；对无土可换的渠段可采用换填水泥改性土、土工格栅加筋、土工袋等方案，并根据工程要求和实际情况，对选取的处理方案进行合理设计；处理层厚度应满足膨胀作用下渠坡的抗滑稳定要求。

采用换填法处理的膨胀土（岩）渠道边坡，当处理层与渠道原坡面渗透性存在较大差异时，当农作物灌溉期以及主汛期强降水时，会由于内外水头压差而出现换填层的滑塌现象。笔者在实际工程中发现有由于换填层后背后来水发生的膨胀土边坡失稳事件，因此在膨胀土边坡设计中不仅要考虑坡面防排水，还要解决好坡体内换填层后地下来水。

1 排水方案的分析计算

分两种情况进行排水敏感性分析。第一种为在换填层面只设集水暗管排地下水，根据集水暗管在换填层面处布设位置的不同，以及有无排水井和换填层间有无排水垫层的不同，分4 种方案进行计算分析。第二种情况为在膨胀岩与换填面之间铺设排水网垫，在换填层面布设集水暗管（由情况一的分析结果确定集水暗管的布设位置），根据渠坡的排水系统是否与渠底的排水系统相连分2 种方案进行分析计算。

1.1 渗流计算原理及所用软件

渗流计算采用有限元数值分析方法计算，采用河海大学软件《水工结构有限元分析系统》程序。基本模型为：

式中H 为渗流场的水头函数，P 为水压力，γ 为水容重，Kx和Ky分别为x 和y 方向土的渗透系数。

1.2 第一种情况的分析计算

进行4 种排水条件下的渗流计算，并分析对比粗砂垫层分别在换填层上部和下部、有无排水井和横向排水垫层时的排水效果情况。

计算模型1：粗砂垫层位于换填层下部，通过横向布置的波纹管连通逆止阀将坡后地下来水排至渠内；计算模型2：粗砂垫层位于换填层上部，通过逆止阀将坡后地下来水排至渠内；计算模型3：粗砂垫层位于换填层上部，通过逆止阀将坡后地下来水排至渠内；同时设排水井将坡后来水向外抽排；计算模型4：粗砂垫层位于换填层上部，通过逆止阀将坡后地下来水排至渠内，并在换填层中间设横向排水垫层加快换填处理层后地下水外排。计算模型示意图见图1。

图1 计算模型示意图

1.3 第一种情况的计算成果各模型的计算结果见表1。

表1 各种计算模型渗流计算结果表

1.4 第一情况的计算结果分析

一是粗砂垫层布置在换填层下，相比在换填层上可以提前降低浸润线，且在坡脚处降低浸润线的作用明显；但这种排水方式可能在处理层结合面产生薄弱带；二是地下水位较高时，采用排水井和逆止阀共同作用的降水效果最为理想，能有效的降低浸润线，但设置排水井对膨胀岩这种渗透系数不均的上层滞水，理论计算与实际排水效果的差别较大，并且投资较高；三是设置横向排水垫层，可以及时将换填层后的地下水向坡面排出，避免排水不畅而在换填结合面形成的软弱带。但是横向排水垫层在施工时相比设置排水管的施工工艺要复杂，加大了施工难度。

1.5 第二种情况的计算及结果分析

1.5.1 计算模型5

粗砂垫层位于换填层上部，膨胀岩与换填土之间布置三维土工排水网垫，连通至纵向集水暗管，通过横向布置的波纹管连通逆止阀将坡后地下来水排至渠内。

1.5.2 计算模型6

粗砂垫层位于换填层上部，膨胀岩与换填土之间布置三维土工排水网垫，连通至纵向集水暗管，通过横向布置的波纹管连通逆止阀将坡后地下来水排至渠内，另与渠底设置的粗砂垫层连通，并通过渠底所设置的逆止阀将水排向渠内。

1.5.3 计算结果及其分析

1.5.3.1 计算结果

具体计算结果见表2。

1.5.3.2 分析结果

表2 独立排水系统渗流计算结果表

一是第二种情况中计算模型5 同计算模型6 都可以有效的降低渠坡膨胀岩地下水位出逸点高程。两种方案中计算模型5出逸点的高度较大；二是排水方案计算模型6 优于计算模型5，在于计算模型6 不仅有效降低了渠坡内侧地下水位逸出点高程，同时也使渠底板之下的地下水位出现呈漏斗状的降低；三是第二种情况的排水方案，换填处理层后的水位可以降低到1m以下，满足换填层抗浮稳定的要求。

综合以上分析计算，推荐排水方案为计算模型6。由于膨胀岩裂隙发育及发育程度的不均一性，会形成裂隙带里上层滞水动态和分布不均匀不规律的特点，因此，在坡面还构造性的设置横向集水暗管与纵向集水暗管连通以保证排水效果。

2 工程应用

该排水方案在南水北调中线一期工程膨胀岩渠段的处理中得到了广泛应用。2011年3月，该方案在南水北调中线一期工程安阳段膨胀岩渠段中进行试验，通过对试验结果分析，各项试验参数均满足设计要求。随后，施工标段采用该方案对膨胀岩渠段进行了施工。2013年下半年，安阳段膨胀岩渠段施工基本完工。通过后期观察，当村民对农作物灌溉以及主汛期强降水时，外界地下水位迅速升高，受膨胀岩内部裂隙影响，外水可在短时间内通过内排水系统从逆止阀流出，减小面板内外压差。达到了工程预期效果。

3 结语

由上述分析可知，膨胀岩土渠段的渠坡处理不仅要对地表大气降水进行防护，即设置换填保护层，减少大气降水对膨胀岩土体的影响，而且要做好换填层下部膨胀岩土体内地下来水的排泄措施，在渠道地下水位较高或地层透水性较大的地区，在防止局部膨胀变形破坏的处理层与原渠坡的接触面上，应合理设置排水盲沟或排水垫层，防止地下水渗流产生的顶托破坏。

[1]包承纲.南水北调工程膨胀土渠坡稳定问题及对策[J].人民长江，2003，34（5）：4-6.

[2]张家发，刘晓明，焦赳赳.膨胀土渠坡兼有排水功能的双层结构防护方案[J].长江科学院院报,2009,26(11):37-41.

[3]马慧敏,何向东,张帅.渠道膨胀土边坡换填处理土稳定计算分析[J].人民黄河,2013,35(2):98-102.