土工格栅在漳河灌区膨胀土渠道滑坡中的应用

王志兵，房文娟，杨振琨

(1.湖北省漳河土木工程设计院，湖北 荆门 448000；2.荆门市东宝区水务局，湖北 荆门 448000；3.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 工程概况

漳河灌区是一项跨流域引水灌溉的大型工程，灌区设计灌溉面积17.368万hm2。灌区渠系工程包括总干、干、支干、分干、支、分、斗、农、毛渠等9级渠道，共13990条，总长7167.56km。其中三干渠自总干渠尾端取水，全长75.72km，设计流量91m3/s，实际流量达到60m3/s，灌溉荆门9.01万hm2的农田。渠道底宽6～14m，边坡1∶2，进口渠底高程108.39m，尾水闸底高程38.5m。三干渠渠道上膨胀土分布较多，膨胀土中矿物成分主要是蒙脱石，为一种高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定[1]。由于膨胀土常使渠道边坡产生不均匀的竖向或水平胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，危害性很大[2]。三干渠7+000～7+340段左岸渠坡在2015年5月一次大暴雨后发生了滑坡，该段渠道为挖方渠道，渠底高5.4m，经过测量与勘察，渠道横断面图及滑动面如图1所示。

图1 渠道横断面

2 膨胀土渠道滑坡体处理方案

2.1 土体物理力学指标

在滑坡现场取原状土样进行土工试验，三干渠7+000～7+340左岸渠坡的自由膨胀率为65%，具有中等膨胀性，其超固结比(先期固结压力与现存上覆压力之比)大于1，具有超固结性。天然含水量26.89%，湿密度1.94g/cm3，干密度1.54g/cm3，孔隙比0.810，凝聚力(快)5.3kPa，摩擦角(快)10.0°，压缩系数0.15MPa-1，压缩模量12.0MPa。计算时，不计凝聚力。

2.2 土工格栅主要指标性能

选用TGDG8160型土工格栅，为HDPE材质[3]。土工栅格与土体拉拔摩擦系数由于没有进行试验，根据GBT50600-2010、SL18-2004《渠道防渗工程技术规范》取0.8tanφ，综合强度折减系数采用3.5。TGDG8160型土工格栅的主要指标见表1。

与土工织物相比，土工格栅的拉伸强度及与土体的抗拔摩擦系数均较大，对土体的加筋效果更好[4]。

2.3 滑坡体加筋设计

采用土工格栅加筋回填土边坡优化设计方案，将原滑坡体挖除后，边回填原土，边铺设土工格栅，土工格栅长6～8m，垂直间距0.5m。上下层土工格栅搭接长度0.8m，从坡底到坡顶依次铺设，同层土工格栅间采用细铅丝拴接，每层土工格栅均为满铺[5]。铺好土工格栅，回填土碾压密实后，在边坡上采用10cm厚C15砼护坡，设10cm厚砂石垫层，并做好碎石导渗沟与排水管[6]。

表1 TGDG8160型土工格栅主要指标

3 加筋边坡稳定计算

3.1 整体稳定性验算

三干渠7+000～7+340段渠堤为3级建筑物，该处渠堤雨后发生滑坡，为非常运用工况。根据GBT50600-2010、SL18-2004《渠道防渗工程技术规范》要求，允许值Fsr=1.1。按瑞典条分法核算其安全系数，即:

(1)

式中，Wi—第i土条重量；θi—第i土条底弧的仰角；Δli—第i土条底弧长；R—滑动圆弧半径；yi—第i层加筋材料至滑弧圆心的距离；φ、c—边坡填土的内摩擦角和凝聚力；Tai—第i层筋材的允许抗拉强度，取土工格栅5%伸长率时的拉伸强度90(kN/m)/3.5=25.71(kN/m)；n、m—土条数和加筋层数。

计算时选取最危险滑动面为滑坡滑弧，分项计算成果，如图2所示，见表2、3。

对三干渠7+000～7+340段渠道膨胀土滑坡体加筋后，其稳定安全系数Fs=(681.62+1974.86)/816=3.26>1.1，满足规范要求。设计筋材层数与层间距的布置合理，安全稳定性高。

图2 加筋边坡稳定性核算

表2 土条滑动力矩与阻滑力矩计算成果

表3 筋材拉力矩计算成果

3.2 内部稳定性验算

3.2.1 筋材强度验算

每层筋材均进行强度验算，第i层单位墙长筋材承受的水平拉力Ti验算，即[7]：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]Svi/Ar

(2)

式中，σvi—验算层筋材所受土的垂直自重压力，kPa；∑Δσvi—验算层筋材所受土的垂直自重压力，KPa；Δσhi—验算层筋材所受土的垂直自重压力，kPa；Ar—筋材面积覆盖率；Svi—筋材垂直间距，m；Ki—土压力系数。

表4 每层筋材强度验算

通过计算，每层筋材的强度均满足规范要求。

3.2.2 筋材抗拔稳定性验算

第i层筋材抗拔力Tpi应根据填土破裂面以外筋材的有效长度Lei与周围土体产生的摩擦力计算，即：

Tpi=2σviBLeif

(3)

式中，f—筋材与土的摩擦系数，根据规范取0.8tanφ=0.14；Lei—筋材有效长度，即破裂面以外筋材长度，该长度最小不得小于1m；B—筋材宽度，m，筋材满堂铺时，B=1。

筋材抗拔稳定性的安全系数，按规范规定Fs不应小于1.5，取Fs=2，每层筋材有效长度，计算成果见表5。

表5 每层筋材有效长度计算成果

从表5计算成果，设计筋材有效长度按不小于3m计算，则三干渠7+000～7+340段滑坡处理的具体设计横断面，如图3所示。

图3 三干渠7+000～7+340段左岸滑坡处理设计横断面

4 方案对比

为验证土工格栅加筋回填土边坡处理可靠性和经济效益，采用仰斜式挡土墙支护方案进行对比分析。仰斜式挡土墙墙高3.8m，顶宽1.0m，迎水面边坡系数1∶2.5，背水面边坡系数1∶2，墙趾宽1.0m，基础埋深1.5m，挡土墙采用M7.5浆砌石砌筑，每12m分缝，缝中填充聚乙烯闭孔泡沫板，距渠底以上0.5m设φ80PVC排水管，排水孔纵向间距3m。

7+000～7+340左岸加筋土坡方案的主要工程量为：土方开挖151.79m3，土方填筑148.74m3，土工格栅15766m2，C20砼护坡327.42m3，C20砼脚槽38.52m3，C20砼压顶16.05m3，总造价为64.85万元。

仰斜式挡土墙的主要工程量为：土方开挖4327m3，M7.5浆砌石5203.41m3，聚乙烯闭孔泡沫板421.46m3，φ80PVC排水管738.3m，总造价为199.2万元，约是土工格栅方案造价的3倍。

已建总干渠渠首段滑坡全部采用加筋土坡处理，且边坡已运行12a，现状边坡稳定，运行良好。而其他渠段的仰斜式挡土墙，均发现有不同程度裂缝，排水管堵塞，甚至局部垮塌。探勘分析结果表明膨胀土湿胀作用的发展比原滑坡治理时更加显著，仰斜式挡土墙已不能满足稳定要求。

另外，加筋土坡可采用原膨胀土进行回填，而挡土墙墙背必须换填非膨胀土，但三干渠沿线膨胀土分布广泛，非膨胀土料场非常少。采用加筋土坡优化设计方案，回填土料非常丰富且经济。

5 结论

采用挡土墙处理膨胀土地区渠道滑坡，往往不能满足边坡长期稳定要求，而土工格栅对边坡的加筋效果十分明显，在膨胀土地区应用具有明显的经济性和可靠性。漳河灌区三干渠7+000～7+340段渠道采用土工格栅处理滑坡后，于2016年初完工通水，并经受了2016年湖北省“7·19”特大暴雨的考验。目前，该段渠道运行良好，岸坡稳定。