大型输水渠道膨胀土（岩）渠段边坡稳定分析

2020-10-12马慧敏何向东张帅刘吉永

人民黄河 2020年3期

马慧敏　何向东　张帅　刘吉永

摘要：膨脹土（岩）工程特性特殊，易造成边坡失稳、滑塌，因此对膨胀土（岩）渠坡的稳定性进行分析尤为重要。针对膨胀土（岩）渠段不同的破坏模式提出了相应的边坡稳定分析方法，并给出了边坡稳定分析时参数取值的经验方法：对于有明显裂隙面的裂隙强度控制下的渠坡滑动采用极限平衡法中的摩根斯坦-普拉斯法（Morgenstein-Price Method）进行计算（滑裂面为裂隙结构面），对于无明显裂隙面的渠坡采用极限平衡法中的毕肖普法（Bishop）进行计算（搜索最危险滑动面）。以南水北调中线工程干渠某膨胀土（岩）渠段为例进行渠坡稳定分析，指出：对于南水北调中线工程土体参数，弱膨胀土黏聚力取峰值强度，中、强膨胀土（岩）体强度采用分带选取原则，在大气影响带（0～2.5 m）范围内取残余强度，在过渡带（2.5～4.5 m）范围内黏聚力按峰值强度的0.5～0.7倍取值、内摩擦角按峰值强度对应内摩撑角的0.7～0.8倍取值，4.5 m以下非影响带黏聚力取峰值强度。

关键词：膨胀土（岩）边坡;稳定分析;参数取值;南水北调中线工程

中图分类号：TV91 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.029

Analysis and Study on Slope Stability of Expanded Soil Channel Section of Large Water Pipeline

MA Huimin1， HE Xiangdong2， ZHANG Shuai1，LIU Jiyong1

（1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China;

2.Henan Provincial Water Conservancy Research Institute， Zhengzhou 450008， China）

Abstract： The canal slope or bottom of the trunk canal of the South-to-North Water Diversion Project involves about one-third of the open channel section of the expansion rock（soil）， and the engineering geological conditions are complex. Due to its special engineering characteristics， expansive rock（soil） is prone to slope instability and collapse， and the problem of expansive rock（soil） encountered in waterconservancy projects（especially channel engineering） is more and more difficult to deal with. In addition， the amount of engineering， processing investment and processing are also more difficult. Therefore， the stability of the expansion rock（soil） slope is one of the key problems in the design of the expansion rock（soil） channel. In this paper， the corresponding slope stability analysis method was proposed for the different failure modes of expansive rock（soil） channel. The empirical method of the parameter value of slope stability analysis is given： For the channel slope sliding under the control of the fracture strength with obvious fissure surface， Pulasifa（Morgenstein-Price Method） in the limit equilibrium method is used to calculate（sliding surface is fracture structure surface） for drainage slopes with no obvious fissure surface， Bixiaopufa in the limit equilibrium method is used to calculate（search for the most dangerous sliding surface）; The strength of the soil body in the middle line of the South-to-North Water Diversion takes the peak strength of the weak expansion soil， and the principle of band selection is adopted for the strength of the medium and strong expansion（rock） soil body： The residual strength is taken within the range of the atmospheric influence zone（0 to 2.5 m）; In the transition zone（2.5-4.5 m）， the C value is 0.5 to 0.7 times the peak strength， and the φ value is 0.7 to 0.8 times; 4.5 m below non-effect band peak strength.

Key words： expansive soil slope; stable analysis; parameter value; Middle Route Project of South to North Water Transfer

南水北调中线工程从丹江口水库引水至北京、天津，输水距离长达1 400 km，年均调水约95亿m3。干渠工程大多采用明渠输水，渠坡或渠底涉及膨胀土（岩）的渠段累计约380 km，约占明渠段的1/3，工程地质条件复杂，膨胀土（岩）的特殊性主要反映在土体的胀缩性、裂隙性和超固结特性上，在水利工程中水的存在使其危害更加突出。膨胀土（岩）渠道设计需要解决的主要问题之一为膨胀土（岩）渠段的边坡设计：综合考虑膨胀土（岩）级别、土体结构与工程特性、环境地质条件、大气影响深度等影响因素，建立合理的分析计算模型以及选取合理的土体力学参数进行膨胀土（岩）边坡稳定分析计算。

1 传统膨胀土（岩）渠坡的稳定分析理论和计算方法

计算膨胀土（岩）边坡稳定性的传统方法有极限平衡法和有限元法。

极限平衡法是目前实际工程稳定分析中最常采用的方法。坡比为1∶4～1∶6的膨胀土边坡很多会发生浅层滑坡，采用通常的极限平衡法计算时往往显示边坡安全不会滑坡，这时不考虑膨胀土（岩）的强度变化、裂隙因素等而一味采用极限平衡法显然不合适[1]。以往研究中，为反映水对膨胀土的影响，一般引入非饱和土强度随土体含水量的增大而降低这一概念，通过改变土体强度进行膨胀土（岩）边坡稳定分析[2]。大量的工程实践证明，不考虑膨胀土（岩）的基本特性、土体结构、环境地质条件以及边坡的工程运行特点等因素，统一采用传统的极限平衡法进行边坡稳定分析是不合适的。

有限元法是把土坡當成变形体，按照土的变形特性计算土坡的应力分布，然后引入圆弧滑动面的概念，验算滑动土体的整体抗滑稳定性。目前有限元法在膨胀土边坡稳定性分析方面的应用主要是通过非饱和土渗流场的有限元分析来定性解释降雨期间或降雨后这类边坡的失稳机理[3-9]。

2 南水北调中线采用的膨胀土（岩）渠坡稳定分析理论和计算方法

南水北调中线工程有近1/3的渠段涉及膨胀土（岩），膨胀土（岩）因其特殊的工程特性而易造成渠坡失稳，对工程的安全运行影响很大，而且其处理难度、处理的工程量和投资较大。为此，国家“十一五”科技支撑计划项目

“南水北调工程若干关键技术研究与应用”对膨胀土（岩）渠段的边坡设计问题进行了专项研究，其研究成果在南水北调中线工程中进行了应用，主要研究成果如下。

（1）提出膨胀土（岩）渠坡的两种主要破坏模式。从膨胀土（岩）工程的破坏现象和破坏特征中归纳出两种主要的破坏模式，即裂隙强度控制下的渠坡滑动和膨胀作用下的渠坡滑动，前者破坏以沿裂隙面或结构面的滑动为主，多表现为重力式滑动，后者以膨胀变形为驱动力，多表现为浅表层膨胀变形后的牵引式滑动。

（2）针对不同的破坏模式提出渠坡稳定分析理论和分析方法。对于裂隙强度控制下的渠坡滑动可以采用极限平衡理论;对于膨胀作用下的渠坡滑动，应采用考虑膨胀变形的有限元分析理论。

（3）提出稳定分析参数测试和取值方法。对于裂隙强度控制下的渠坡稳定，应采用裂隙面强度指标。

由于有限元法存在很多假定，本构关系不准确，因此在南水北调中线工程（沙河南至黄河南段以及黄河北至漳河南段）膨胀土（岩）边坡稳定分析时仍采用极限平衡法，对于有明显裂隙面的裂隙强度控制下的渠坡滑动采用极限平衡法中的摩根斯坦-普拉斯法（Morgenstein-Price Method）进行计算（滑裂面为裂隙结构面），对于无明显裂隙面的渠坡采用极限平衡法中的简化毕肖普法（Bishop）进行计算（搜索最危险滑动面）。以下以简化毕肖普法为例推导极限平衡法的计算公式，从圆弧滑动体内取出土条i进行分析。作用在条块i上的力除了重力Wi外，滑动面上有切向力Ti和法向力Ni，条块的侧面分别有法向力Pi、Pi+1和切向力Hi、Hi+1（见图1）。

图1 毕肖普法条块作用力分析

若条块处于静力平衡状态，根据竖向力平衡条件（∑FZ=0），应有：

Nicos θi=Wi+ΔHi-Tisin θi（1）

根据满足安全系数为Fs时的极限平衡条件，有：

Ti=1Fs（cili+Nitan φi）（2）

将式（2）代入式（1），整理得

式中：li为条块i沿滑面底部的长度;ci、φi为条块i土体黏聚力及内摩擦角。

考虑整个滑动土体的整体力矩平衡条件，各土条的作用力对圆心力矩之和为零。这时条间力Pi和Hi成对出现，大小相等，方向相反，相互抵消，对圆心不产生力矩。滑动面上的正压力Ni通过圆心，也不产生力矩。因此，只有重力Wi和滑动面上的切向力Ti对圆心产生力矩：

∑Widi=∑TiR（5）

进一步假定ΔHi=0，简化得

Fs=∑1mθi（cibi+Witan φi）∑Wisin θi（6）

以上是简化Bishop法的分析过程，其他方法的分析原理与之类似。Bishop法只考虑了力的平衡，而忽略了力矩的平衡条件，只适用于圆弧滑裂面。

Morgenstern等对极限平衡理论进行研究发展，建立了能同时满足力矩和力的平衡来求解安全系数的方程，而且滑裂面可以是任意形状。摩根斯坦-普拉斯法对相邻条间作用力进行假定，给出了条间合力的作用位置，通过改变条间合力的作用方向以求得最佳解[10]。

3 南水北调中线膨胀土（岩）边坡的稳定分析参数和取值方法

渠坡稳定计算涉及的主要指标是岩土体的抗剪强度。膨胀土（岩）强度指标的选取是个复杂的问题，目前还没有统一的标准。膨胀土（岩）峰值强度较高，但是从失稳的膨胀土（岩）边坡反算出的抗剪强度却远远低于峰值强度。这一现象早就引起了人们的注意，经过多年研究后，人们普遍认为膨胀土（岩）的胀缩性、裂隙性和超固结性是造成强度衰减的重要原因。目前，膨胀土（岩）的参数试验值和设计实际取值脱节。一方面，由膨胀土（岩）原状样试验得到的数值往往偏大，设计人员不敢直接采用;另一方面，对于某些已滑动的渠坡，即使采用膨胀土（岩）的残余强度计算，安全系数仍然很大。实际工程中，在膨胀土（岩）地区即使边坡坡比为1∶4～1∶6也会发生滑坡。如湖北郧县边坡坡比约1∶5的地区长期存在缓慢的蠕变;南水北调中线工程南阳膨胀土试验段中某区左岸开挖成1∶2边坡后一年自然坡比已演化为1∶6，右岸1∶1.5边坡已演变为1∶4左右。一些规范中提出采用长期强度或残余强度进行渠坡设计，尽管这样的设计偏于安全，但其取值没有理论依据和工程实践检验，且实际工程中这样的取值仍可能发生滑坡。

针对以上膨胀土（岩）边坡稳定计算时抗剪强度的经验取值法，“十一五”国家科技支撑项目“膨胀土（岩）渠坡破坏机理及分析方法研究”课题组对膨胀土（岩）渠坡稳定分析参数测试及取值方法进行分析后提出，膨胀土（岩）的强度有土块强度、裂隙面强度和土体强度之分。土块强度是指土中不含裂隙面时的土体强度;裂隙面强度是指膨胀土（岩）中“非胀缩裂隙面”或地层结构面的强度。对于胀缩裂隙无裂隙面强度，当土体不存在裂隙时，土块强度也是土体强度;对于非胀缩裂隙膨胀土的原状土才谈土块强度和裂隙面强度。

南水北调中线工程膨胀土（岩）渠段设计中提出了裂隙强度和土体强度两个概念，设计人员依据渠坡不同的破坏模式进行参数取值。对于存在明显裂隙面的渠段采用裂隙面强度，其余采用土体强度。裂隙面强度采用由现场原状样测得的土工试验数值并结合反算的边坡稳定抗剪强度指标进行取值。如：某渠段施工期在边坡开挖卸荷后发生边坡滑坡，此处地层结构为黏土岩，初步设计时黏土岩计算参数黏聚力为16 kPa，内摩擦角为17°，根据滑塌体滑裂面的位置对边坡采用摩根斯坦-普拉斯法进行复核，计算工况为渠内无水、稳定渗流，计算安全系数为1.854，满足要求，但显然不符合实际情况，为此进行滑裂面参数反演分析。边坡稳定安全系数采用1.0，反演出来的滑裂面力学参数为：黏聚力8.5 kPa，摩擦角10°。土体强度总体趋于中、强膨胀土（岩）取残余强度或流变强度，弱膨胀土取峰值强度。土的应力—应变曲线上最大剪应力的强度为峰值强度，峰值后若变形继续发展，偏应力将不断降低，当变形很大时，其趋于稳定值，称为残余强度，是反映土体滑动后滑动面的强度。针对南水北调中线工程典型土（岩）体，通过反复剪试验得到的成果见表1[1]。

南水北调中线工程对中、强膨胀土（岩）的强度采用分带法进行边坡稳定计算参数取值，根据以上试验成果以及工程经验，膨胀土（岩）抗剪强度的分带选取原则：在大气影响带（0～2.5 m）范围内，取残余强度;在过渡带（2.5～4.5 m）范围内，黏聚力c按峰值强度的0.5～0.7倍取值，内摩擦角φ按峰值强度的0.7～0.8倍取值;4.5 m以下在过渡带下限的非影响带取峰值强度。

4 南水北调中线膨胀土（岩）渠坡典型案例分析

4.1 典型实例计算工况

选择南水北调中线某段弱膨胀岩渠段典型断面进行计算分析。该典型断面属软岩丘陵区，地面高程91～134 m，区内冲沟发育。该段总干渠为深挖方段，挖深约25 m，设3级马道，其中三级马道高程为112.59 m、二级马道高程为106.59 m、一级马道高程为100.49 m，渠底高程为91.54 m，一级～三级马道宽度分别为5、8、2 m。总干渠设计一级～四级边坡坡比分别为1∶2.5、1∶2.5、1∶2、1∶1.75，設计水位高于渠底7 m。选择如下计算工况：①设计工况，计算内坡，渠道内设计水深，考虑渠坡内地下水渗流;②校核工况Ⅰ，计算内坡，施工期，渠内无水，考虑渠坡内地下水渗流;③校核工况Ⅱ，计算内坡，设计工况+地震。典型断面土（岩）c、φ、湿密度、饱和密度见表2，计算得到设计工况、校核工况Ⅰ、校核工况Ⅱ边坡设计安全系数分别为1.585、1.582、1.217。软岩丘陵区典型断面边坡稳定计算不同工况时最危险圆弧滑裂面见图2。

不同工况时最危险圆弧滑裂面

该典型断面为弱膨胀土（岩）渠段，抗剪强度指标均采用峰值强度，由计算结果可知，设计边坡满足规范要求，该段的处理措施为对膨胀土（岩）出露段进行换填处理，自通水以来该段边坡稳定，未出现影响正常通水的情况。

4.2 存在明显裂隙面膨胀土（岩）渠坡稳定分析

某渠段典型断面为强膨胀岩渠段，地貌单元为岗地，地形起伏较大，挖深为15～28 m，边坡主要为黄土状重粉质壤土（Qalpl3）、重粉质壤土（Qalpl2）及黏土岩（N1L）。基面开挖后，对该段施工边坡及探槽进行了地质编录和取样复核工作，地质情况显示渠底板主要位于黏土岩（强膨胀性）中，存在深层裂隙结构面，且岩层倾角倾向渠内。两级计算边坡坡比分别为1∶3.25和1∶3，一级、二级马道宽分别为5、2 m。在考虑深层裂隙的情况下，当滑动面呈非圆弧形、不规则任意滑裂面时，边坡宜采用摩根斯坦-普拉斯法（折线法）进行抗滑稳定计算，裂隙面摩擦角为10°，黏聚力为8.5 kPa。计算工况如下：①设计工况，计算内坡，渠道内设计水深，考虑渠坡内地下水渗流;②校核工况，计算内坡，施工期，渠内无水，考虑渠坡内地下水渗流。考虑深层裂隙情况时典型断面土（岩）c、φ、湿密度、饱和密度见表3，计算得到设计工况、校核工况边坡设计安全系数分别为1.83、0.99。考虑深层裂隙情况时典型断面边坡稳定计算成果见图3。

该典型断面为强膨胀岩渠段，抗剪强度指标浸润线以上采用分带法取峰值强度的折减，浸润线以下取残余强度。计算的校核工况中边坡安全系数不满足规范要求，因此在考虑裂隙面存在的情况下，对渠道边坡进行加固很有必要。经分析，该段采用抗滑桩进行渠坡加固。根据滑裂面处抗剪强度指标，计算滑坡推力，接着根据地形、地质情况确定抗滑桩设计位置，然后拟定抗滑桩桩长、桩径、桩间距等设计参数。该段采用抗滑桩进行深层处理后，对膨胀岩出露段表层进行换填处理，自通水以来该段边坡稳定性方面未出现影响正常通水的情况。

5 结论

膨胀土（岩）的边坡稳定分析是膨胀土（岩）边坡设计中一个重点，同时也是难点，目前对膨胀土（岩）渠段没有公认的行之有效的边坡稳定分析方法。通过对南水北调中线工程部分膨胀土（岩）渠段采用的边坡稳定分析方法进行研究，提出了膨胀土（岩）渠段不同破坏模式下相应的边坡稳定分析方法，并给出了边坡稳定分析时参数取值的经验方法。

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【责任编辑张华岩】