粘性土堤滑坡成因分析及预防

郭 辉 闫冬梅 贾 涛

一、概述

2021年7—8 月，山东省济宁市连续发生较大降雨过程11 次，一个月累计降水量达到837.8mm，最大降雨点日降量221.9mm。济宁市某渠道沿线坡堤不同程度水毁，最为严重的是粘土坡局部段滑塌，致使混凝土衬砌表层开裂错位，甚至整体衬砌位移；局部内坡受外侧农田积水的渗透影响，出逸点周边渗水严重，土层含水量极高，渗水不畅，导致出逸点以下坡脚滑塌，由青坎至渠道的河坡，呈圆弧状滑动，拉动了衬砌的破坏；沿渠跨河桥梁20 座，桥台接线处高填土与渠道深挖土的交界面，都发生不同程度的滑塌；局部段由于青坎坡脚的滑动，导致大面积截水沟倒塌水毁。

二、堤身不同滑塌情形和原因分析

（一）滑塌情形

1.复合式梯形渠道断面，堤身高且无护坡而产生滑塌。由于堤顶面▽65～35m 分节设置，每节垂直高度10m，边坡较陡，坡比1 ∶0.7，受连续暴雨影响，粘土含水量饱和（45%～55%），抗剪力降低，致使坡面发生滑塌。据现场考察，强暴雨对坡面破坏，首先形成雨淋沟，通过雨淋沟逐步扩大，淘深深度达到30cm 以上时，就易形成局部段滑塌。

2.桥头接线处易形成滑塌。由于桥头接线由▽35m 回填至▽65m，属高填土，再加之断面较窄，施工时不易碾压到位，接线两侧无工程性保护，边坡较陡，坡比为1 ∶1，造成境内20 座桥头接线处均发生滑塌。

3.局部段受外侧地表水影响造成河床的失稳。青坎▽35m 以下，局部段发生圆弧滑动，形成整体70m 位移。经现场考察，河床采用混凝土衬砌，未设置冒水孔，且垫层采用二布一膜，当遇到连绵暴雨，外侧无排水出路，地表形成径流汇集，不断升高，造成局部外侧水位达到▽38m 时，渗压力增高，形成了坡体整体位移。

4.经查阅土质报告，局部段在▽40m 左右，有一层2m 厚膨胀土，80%左右的滑塌发生在▽40m位置的膨胀土回填段。膨胀土被雨水连续浸泡，土的性质发生变化，导致土坡滑塌。

（二）原因分析

1.粘性土特性诱发的滑塌

（1）粘土的一般特性为含水量高，孔隙比大。一般含水量在45%以上，高的可达90%左右，孔隙比e>1.0，抗剪强度低。软土快剪凝聚力c<20kPa，若经长期雨水渗透与浸泡会迅速降低，如济宁供水渠道周边凝聚力经检测多在10kPa 左右，土内摩擦角φ 原为8°～10°，浸泡后小于5°。随着含水量加大，再在外力作用下，如渗压力的作用和增高，土由可塑性状态转为流态状态，此时液性指数IL ≤1.0，易形成水土流失，导致堤坡滑塌。

（2）渗透性小。软土渗透系数一般在i×10-7cm/s以下，渗水性极差，灵敏度高，含水饱溶度大，不易逸出。一旦土质物理与力学性能降低，当渗透压力大于土粒重力时易形成渗流破坏。

2.外力作用下产生的破坏

该土质层面经不住扰动，当堤身内含水量过大，外侧水压力增高，其外侧力大于土粒重力，一旦超过极限值后，侧向扰动也随之增强，会使土粒形成扰动，导致土粒液化，使其层面抗剪强度显著降低。此状况下，极有可能出现垂直变形和水平位移，并会产生大面积滑动。

3.施工质量引发的工程失稳

（1）堤坝填筑土料要注重级配的选择。在施工过程中如忽视对土粒的改良，施工时碾压效果不佳，在雨水浸泡下容易出现滑塌。（2）设计时未考虑到特殊水情与工情变化，一旦堤身粘土孔隙水应力升高，因气候变化产生干裂、冻融，粘土夹层杂土尤其高岭土（膨胀土）因浸泡而软化（液化），而使土质物理性能发生变化，导致渠坡发生位移。（3）无排水降压设置。粘性土填筑的渠坡在渗透压力条件下，无降压出路，无冒水孔，在连绵暴雨中，导致局部段产生整体滑动。现场发现渠道形成圆弧滑动，对此每隔20m 打降水井，抽降地下水，使承压水高度降低，渗透压力得到了一定释放，保证了整个渠道断面的安全。

4.渠道断面设计问题诱发的堤身失稳

对堤坝工程进行稳定分析时，通常假想原地基与填筑交界面为滑动面，以上土体看作刚体，并以其为脱离体，分析在极限平衡条件下各种作用力影响，并以整个滑动面上的平均抗剪强度与平均剪应力之比来定义安全系数。

依据正常稳定计算安全系数控制在1.2 较为合适，大于1.2 土体处于稳定状态；小于1.2，土体处于滑动状态或有滑动趋势；等于1.2，土体处于临界状态。设计时，往往将坝身安全系数控制在1.0 以上，就认为是安全的；但受外界时空影响，土质原有物理与力学性能发生变化，造成安全系数降低。这种情况下原有渠道断面显然不能抗御异常天气，从而造成局部段水毁的发生。

5.变异性地质条件诱发的堤身失稳

本次滑塌地段的高填土与深挖土中，都掺合夹带着高岭土（膨胀土），一旦遇水浸泡或干旱脱水，都会形成土体内部性质的改变。回填土与深挖段河床中，都有裸露断面的呈现，受暴雨袭击，就暴露了浸泡造成的影响。因此施工筑堤时，要重视土料的选配，避免高岭土在正常水位以下，或进行衬砌保护，尽量减少裸露。

6.水土流失作用

长时间降雨对土堤表层土粒形成了不断挠动，表层在雨水中形成土粒悬浮、液化，悬浮液化量增大成为泥浆，其抗剪力趋向于零，从而顺着雨水一起下滑，造成局部段堤坡的滑塌。

7.外侧力作用

临近农田积水抬高，无排水设置，且混凝土衬砌垫层采用二布一膜隔水式设计不合理，诱发水毁问题。在单体面上，当渗压大于土料重力时，就形成了整体破坏。

三、粘土渠堤坡滑塌预防措施

（一）优化渠道断面的设计

设计时要充分考虑到异常天气及环境带来的安全隐患。坡面不宜过陡，此次滑塌的供水渠道局部断面的坡比为1 ∶0.7，实践证明是不安全的，应该按照《规范》要求：粘土呈硬塑状态，坡高在5m 以内，坡比1 ∶1.25，大于5m 的，坡比应不小于1 ∶1.5。在青坎坡脚处，以及渠道河底角线以上1m 内，设置必要的冒水孔，帮助渗透压力的释放；若渠道坡面较陡，也可布设一定数量的降水井帮助降压；混凝土衬砌与截水沟等护砌垫层不主张采用带膜的土工布，不得将渗流出逸处堵死，要贯彻有利于上堵下排的设计理念；渠坡高度超过5m 以上，尤其桥头接线处应设置工程性质衬砌。

（二）完善施工措施

若工程地处膨胀土区段，应有足够的安全防范意识，在土料级配时，尽可能避免膨胀土掺入，若避免不了，应掺入适量石灰层，对土料进行改良处理；遇到较厚土层基础，通常采用打桩法，解决土层基础层面的安全；注重施工工艺和流程，确保碾压效果，满足设计压实度要求；注重高填土与高挖土之间交界面的套压，确保不留死角。

（三）加强运行管理，发现问题及时处理

工程管理单位应加强异常天气下的检查工作，现场一旦发现局部段形成坡面初期雨淋沟，应立即采用人工疏理，排除表面积洼水，避免雨淋沟扩大，有条件的也可用彩条布覆盖，尤其是无护砌纯土堤面，且坡高超过5m 以上，要作为防范重点进行覆盖；管理单位正常巡查时，要根据沉降测点的数据对堤身安全性进行分析，一旦出现异常数据，应分析其原因，找出问题所在，及时处理不留后患。

四、结论

渠道滑塌水毁有多种形式，通过本次现场检查，发现圆弧形滑动对安全性影响最大，这也是粘土渠道应防范的重点。目前稳定分析通常采用瑞典条分法进行。由于滑动圆心是任意假定的，因此所选滑弧不一定是最危险滑弧，一般通过试算，取得较小k 值所对应的滑弧就认为是最危险的滑弧。但通过实例观测，发生在现场的几条圆弧滑动片，长度与宽度都与理论值存在差距，需进一步研究完善理论数据，尤其是在异常气候条件下，更要综合考虑天气、环境、工程地质等因素，对相关参数进行调整，从而取得可靠的稳定分析结果，为预防和处理渠道滑塌提供科学依据■