伞型锚在鄂北调水工程膨胀土临时边坡加固中的应用

2019-04-24程永辉王满兴

长江科学院院报 2019年4期

程永辉，王满兴，熊勇

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局，武汉 430071）

1 研究背景

膨胀土在世界范围分布广泛，许多国家在工程建设中均面临膨胀土的复杂问题［1-2］。我国南水北调中线工程建设过程中，膨胀土地区渠道边坡出现了不同程度的边坡稳定性问题［3］；程展林等［4］最新研究发现，膨胀土存在胀缩引起的浅层破坏，还存在原生裂隙导致的深层破坏模式，后者对膨胀土边坡变形与稳定的影响尚未得到重视与研究。

鄂北调水工程膨胀土地层中原生裂隙极为发育，临时渠坡高度远超常见边坡，但其对变形控制的要求较永久边坡低。常用的卸载、放坡、各种锚固和支挡技术［4］加固膨胀土临时边坡均存在明显的缺陷。其中，卸载不当容易引起膨胀土边坡出现新的滑坡；放坡至1∶3甚至是更缓，膨胀土边坡仍然持续滑动［4-5］，效果并不理想；常规锚杆则存在如下缺陷：①锚固力较小，无法满足坡高超过20 m的膨胀土高边坡的锚固需求；②灌浆凝期相对较长，对于持续滑动边坡无法发挥及时的加固作用［6］；③临时变坡当作永久边坡加固处理，存在造价高、锚杆加固量大、经济性不合理的问题。长江科学院提出的快速自锁预应力伞型锚快速加固技术［7-8］，首次在实际应用中有效地解决了上述工程难题。虽然该技术在南水北调工程辉县段渠坡抢险中的应用效果得到了相关专家的认可，但现在还未得到全面的正式推广应用。

为此，基于鄂北调水工程中膨胀土临时高边坡的特殊工程地质特征，选取存在潜在滑体的典型渠段进行伞型锚加固的现场原型试验，同时进行边坡安全监测，分析伞型锚对赋存深层裂隙的膨胀土边坡的加固效果；在此基础上，开展膨胀土临时高边坡加固的推广应用，结合各渠段边坡水平位移的监测数据，分析边坡位移变化趋势，从而验证伞型锚加固技术的推广应用价值。

2 伞型锚加固系统

2.1 伞型锚加固系统简介

伞型锚加固系统主要包括伞型锚头、自由段锚杆和坡面承压板，如图1所示，其中，伞型锚头结构如图2所示。

施工流程：先通过潜孔钻成孔，然后将连接有锚杆的伞型锚头击入孔底，随后安装坡面承压板，之后再用液压千斤顶张拉锚杆，使伞型锚锚板张开，并继续张拉施加预应力至设计要求值，最后通过承压板将锚杆锁定。

图2 伞型锚头结构Fig．2 Structure of umbrella-shaped anchor

基本原理：伞型锚在潜在滑动面张拉并锁定后，滑动面以下深部土体自身提供伞型锚抗拔力，并通过锚杆将深部锚头抗拔力传递至坡面承压板，坡面承压板作用于潜在滑体表面，从而给潜在滑体提供抗滑力。

2.2 伞型锚力学参数试验

伞型锚加固系统的极限承载力和设计抗拔力等力学参数需要通过现场破坏性试验和基本力学试验得到。其中，破坏性试验共3孔，间距2.0 m，孔深均为15 m，伞型锚通过引孔、击打至孔底后，用液压千斤顶张拉至破坏（破坏标准参照规范［9］中相关条文），得到极限承载力，基本力学试验最大荷载按极限承载力的80%［9］控制，采用分级加载模式，开展基本力学试验。

试验结果显示，伞型锚锚杆极限承载力略＞150 kN，现场以120 kN作为最大荷载开展基本力学试验。试验结果显示，锚头向外滑移0.8～1.2 m后，锚头张开受力，锚固力可稳定在120 kN；设计锚固力取120 kN较为合理。

3 伞型锚加固膨胀土高边坡现场试验

3.1 现场基本工况

鄂北地区水资源配置工程开工以来，先后在2标段和9标段膨胀性土渠段均出现了多处滑坡。例如袁冲暗涵2标段1号滑坡（10+350—10+410，坡高约25 m，坡比1∶1.5）在渠道开挖至接近渠底时，在左、右岸均发生滑坡；后采用1∶2坡比削坡减载后，滑坡虽有一定抑止，但作用不明显，原有滑坡仍进一步滑动，且同时又出现新的滑坡，如图3所示。在10+400—10+680段先后出现类似滑坡，如图4所示。

图3 放坡后继续滑动Fig．3 Continuous sliding after lowering the slope

图4 坡面裂缝及坡顶错台Fig．4 Cracks on slope surface and staggered steps on slope top

按伞型锚施工流程对试验段边坡10+710—10+800进行加固，边坡加固后的现场如图5所示。

图5 试验段伞型锚加固后的现场Fig．5 Test segment reinforced with umbrella-shaped anchor

在试验段边坡各级马道上分别埋设测斜管，监测边坡不同深度的水平位移，各测斜管深度如表1所示。

3.2 伞型锚加固方案

取滑坡段10+620～680下游10+710～800渠段作为试验段。试验段长90 m，设计坡高约20 m，渠底离设计高程还有约3 m厚土层，缓倾裂隙为3°～5°，位于地面以下20 m左右深度。按图6所示进行伞型锚加固，从上至下锚固深度依次为 22，15，

表1 各级马道边坡位移监测深度Table 1 Monitoring depth of horizontal displacement on every dyke

图6 伞型锚加固方案Fig．6 Scheme of umbrella-shaped anchor reinforcement

13 m。伞型锚设计锚固力120 kN。

3.3 加固方案计算分析

通过现场的地质勘探和室内试验分析可知，试验段地层存在较为发育的原生裂隙，裂隙面由灰绿色黏土填充，强度低，倾角3°～5°，现场取深度h分别为20，14，8，2 m处的原状土进行室内试验，得到试验段地层膨胀土的相对密度Gs、天然含水率w、颗粒密度ρd、极限抗剪强度参数（c和φ）如表2所示。

表2 现场地层膨胀土物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of field expansive soil

由文献［4］可知，裂隙发育型膨胀土边坡破坏模式为：渠底处裂隙较为发育，大多贯通成大长裂隙，渠底土体开挖，侧向约束消失，边坡土体沿渠底裂隙面滑动，进而出现垂直滑动面，从而形成深层滑坡，如图4所示。因此，边坡的稳定性由裂隙面的强度决定。表2中强度参数（37.2 kPa和19.3°）为原状土块抗剪强度参数，并未考虑裂隙对土体强度的影响，进行数值计算分析时，还必须得到裂隙面强度参数。考虑到渠底裂隙面位于地下水位以下，基本处于饱和状态，采用CT三轴设备，测得渠底饱和状态的原状土体裂隙面强度参数c0和φ0分别为9.6 kPa和10.3°。

计算分析时，滑体底部采用原状饱和状态下的裂隙面强度参数（9.6 kPa和10.3°），而滑体垂直滑动面区域土体采用原状土块的强度参数（37.2 kPa和19.3°）。

结合膨胀裂隙强度参数和土块强度参数，对存在固定潜在滑面（裂隙面）的膨胀土边坡进行稳定分析，如图7所示，计算得到当边坡开挖至20 m高时（图7中虚线位置），与裂隙倾向一致方向的边坡安全系数为1.017，接近临界状态，按3.2节中的伞型锚加固方案加固后，边坡安全系数提高至1.051，《水利水电工程边坡设计规范》［10］规定边坡安全系数需＞1.050，满足规范对临时边坡稳定性的要求。

图7 复杂裂隙条件下的边坡稳定分析Fig．7 Model of slope stability analysis under complex fracture condition

3.4 试验段加固效果分析

边坡加固完成后，开挖渠底设计高程140～143 m范围内3 m厚的土体，各级马道上测斜管监测边坡不同深度处的水平位移。监测历时50 d，期间经历边坡开挖以及数次强降雨，开挖至渠底时现场见图8。

图8 开挖和强降雨影响下的膨胀土高边坡Fig．8 Expansive soil high slope influenced by excavation and heavy rainfall

从渠底开始开挖至强降雨结束期间，测得边坡最大水平位移对应深度如表3所示，边坡最大累积水平位移如表4所示。

表4中数据显示，一级马道在40～50 d的累积水平位移接近45 mm，相对较小，随后降雨停止，累积水平位移收敛；二级马道水平位移监测期间缓慢增长，且位移速率很小，位移呈现收敛趋势，接近40 mm；三级马道与二级马道变化规律一致，累积水平位移较小，为13.4 mm，位移速率基本为0。

表3 左岸最大水平位移对应深度Table 3 Depth of maximum horizontal displacement on left bank

表4 试验段边坡累积水平位移监测数据Table 4 Monitoring data of accumulated horizontal displacement of slope in test segment

同时，伞型锚锚固力监测显示，锚固力变化不大，无明显增大趋势，表明边坡内部无明显的位移增大趋势，边坡基本稳定。

综上可知，在开挖最后3 m厚土层时，10+620～680段无伞型锚加固，该段出现了滑坡；而试验段（10+710～800）因采取了伞型锚加固措施，边坡变形发展趋势收敛，锚固力稳定，保证了渠底开挖过程中的边坡安全，且即使出现强降雨与边坡开挖的不利组合时，伞型锚仍然有效地控制了边坡变形的发展趋势，保证了工程的顺利进行。

4 伞型锚在工程示例中的推广应用

在伞型锚加固现场试验全面成功的基础上，伞型锚在鄂北地区水资源配置工程中得到了较大范围的推广应用，10+360—11+310段共950 m的膨胀土高边坡均采用了伞型锚加固，主要包括滑坡病害处治和边坡加固，现取典型加固断面进行分析。

4.1 伞型锚在滑坡处治中的推广应用

10+400～485段开挖至一级马道高程时，边坡采用伞型锚在一级马道和二级马道处进行加固，如图9所示。2016年3月25日开挖一级马道以下土体，26日上午边坡滑体水平位移明显增大，呈发散趋势，渠底出现剪出口，滑动面大致位置如图9中粗黑线所示，随即采用伞型锚在一级马道下3 m坡脚处二次加固，于26日下午完成。加固前后，滑体水平位移速率变化曲线及边坡伞型锚锚力如图10所示。

图9 滑坡段边坡概况Fig．9 Profile of slope in landslide segment

图10 水平位移速率及锚力变化曲线Fig．10 Curves of horizontal displacement rate and anchoring force

参考《建筑基坑工程监测技术规范》［11］三级边坡水平位移的监测预警值为15～20 mm／d，考虑到该边坡为临时边坡，监测预警值取20 mm／d。由图10（a）可知，伞型锚加固后，边坡水平位移速率低于 20 mm／d，最后稳定在 5 mm／d以内；同时由图10（b）可知，伞型锚加固完成后，伞型锚锚力稳定在86 kN附近，并未明显增大。综上可知，加固后临时边坡处于稳定状态。

由上可知，伞型锚对滑坡快速处治有极其明显的效果，伞型锚治理前滑体位移急剧增加，治理后滑体位移迅速衰减，有效地抑制了滑坡的发展。

4.2 伞型锚在临时边坡加固中的推广应用

图11 伞型锚加固边坡概况Fig．11 Profile of slope reinforced with umbrella-shaped anchor in landslide segment

图11 中所示边坡于2016年12月20日开始开挖渠底上3 m厚土体，开完前对边坡采用图11中所示的伞型锚加固方案，表5为开挖前后边坡位移及锚力监测数据。

表5 加固后边坡位移及锚力监测值Table 5 Monitoring data of displacement and anchoring force after reinforcement via umbrella-shaped anchor

由表5可知，开挖前边坡位移速率＜2 mm／d，累积水平位移较小，伞型锚锚力基本稳定在62～65 kN之间，边坡处于稳定状态；开挖期间位移速率增加至4 mm／d，锚力增加至接近70 kN，位移和锚力增加幅度不大，边坡基本稳定；开挖完成后，位移速率降低至1 mm／d以下，锚力略有减小，稳定在 66 kN附近。

可见，采用伞型锚对边坡进行加固，可有效地控制边坡位移发展趋势，维持开挖期间临时边坡的短期稳定，保证工程的顺利施工。目前鄂北地区水资源配置工程袁冲暗涵段大部分顺利施工完成，如图12所示。伞型锚加固临时边坡具有良好的效果，后续可考虑应用于永久边坡加固处理，但材料耐久性以及膨胀土蠕变方面有待深入研究。