引江济淮工程菜巢线分水岭段弱膨胀土边坡柔性综合防护方案

宁昕扬 曾俊 吕国梁

摘要：膨胀土边坡稳定问题是工程领域建设中常见的技术难题，若处理不当，可能会引起牵引式、渐进式的滑坡，严重威胁工程安全。针对引江济淮工程菜巢线分水岭段的地质条件、设计方案以及使用需求，提出了一种适用于弱膨胀土深挖方边坡的综合柔性防护方案。结果表明：该方案在充分发挥柔性防护措施优点的同时，有效地保证了边坡的安全稳定。研究成果可为边坡治理提供参考。

关键词：边坡治理; 膨胀土; 柔性综合防护; 引江济淮工程

中圖分类号：TU443文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.012

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0067 - 06

0 引 言

膨胀土由多种亲水性矿物组成，其主要成分为蒙脱石、伊利石和高岭石，是一种灾害性很强的特殊土，在中国乃至世界上均分布广泛。膨胀土的湿胀干缩特性会引起地基或边坡的不均匀沉降、开裂以及反复破坏，造成建筑物、水利工程及公路工程的经济损失，是工程建设中不可忽视的一类地质问题[1]。在南水北调中线工程建设过程中，深挖方明渠开挖及其沿线复杂的地质条件给膨胀土边坡治理带来了更多的技术难点[2]。因此，紧密结合工程实际、探索适宜膨胀土边坡的综合治理方案对工程建设有重大意义。

在边坡防护方面，国内外工程技术人员基于工程实际提出了一系列行之有效的边坡支护方案，主要可概括为三大类：刚性支护、柔性支护和综合支护措施[3]。其中，刚性支护以圬工结构（重力式挡墙、抗滑桩和片石护面墙等）为主，是目前边坡治理最常用的处理方法，其基本原理是利用刚性支护体的锚固作用以及被动抗力来平衡滑坡力[4];柔性支护技术主要包括生物防护、土工织物加筋、土工三维植被网、柔性防护网等措施[5]。各类防护措施的主要优缺点及适用范围详见表1[3，6]。在工程设计中，应综合考虑工程的建设需求、投资、安全、环境等因素，选取适宜的边坡支护措施。

工程技术人员针对膨胀土处理、排水结构设计、膨胀土边坡坡比等支护配套措施也提出了诸多可行的设计技术方案。王欢等[7]以南水北调中线工程河南新乡潞王坟段的膨胀土为研究对象，利用该地区广泛分布的粉砂土作为改良介质，提出了一种新的膨胀土物理改良方法。陈尚法等[8]基于南水北调中线一期工程南阳膨胀土现场试验研究成果，系统地提出了采用水泥改性的膨胀土处理方案与处理厚度等技术参数，为过水河渠的膨胀土改良方案提供了实施经验与良好借鉴。董宏源等[9]系统研究了坡度对膨胀土边坡渗流特性的影响，得出了膨胀土边坡坡度的推荐取值范围。王启龙等[10]分析了南水北调中线工程南阳段深挖方渠道渠坡变形破坏的原因，结合有关监测数据证明了膨胀土渠坡排水系统的健全有利于膨胀土渠坡的稳定。林书伟[11]基于海南西线高速公路膨胀土区的边坡实例，分别研究了边坡防护和排水设计的基本原则。

安徽省膨胀土分布范围广泛，省内多个灌区、调水工程在运行期内均出现过多次膨胀土渠坡滑坡问题，严重影响工程的正常运行与使用，如淠史杭灌区[12]。随着引江济淮工程的建设施工，工程沿线大范围、大挖深、地质条件复杂的膨胀土边坡综合治理成为工程建设的核心技术问题之一。本文在南水北调中线等工程膨胀土边坡治理经验的基础之上，针对引江济淮工程菜巢线分水岭段的弱膨胀土分布区，提出了一种综合性的弱膨胀土边坡柔性防护方案，实现了在有效保证边坡稳定的同时，节省工程投资，发挥了良好的生态效益。该方案设计思路与具体措施可供类似工程参考。

1 主要地质问题及方案设计思路

1.1 工程概况

引江济淮工程由长江下游上段引水，向淮河中游地区补水，是一项以城乡供水、发展江淮航运为主，结合农业灌溉补水，兼顾改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程。该工程在安徽省引江济巢段采用双线输水，主要包括西兆河引江线路与菜子湖输水线路。其中菜子湖输水线路总长113.18 km，输水设计流量150 m3/s;而菜巢线分水岭段（桩号72+240～75+240）为菜子湖线合肥市段（桩号54+000～109+621）中的一段新开输水河道，长3 km，地面高程24～36 m，开挖深度大于30 m的河道长度约2 km，新开河道位于合肥市庐江县城西南约6 km处。

1.2 膨胀土工程地质问题

菜巢线分水岭段新开河道范围内膨胀土地层岩性主要为⑤层重粉质壤土、粉质黏土（[Qal3]）：含铁锰质结核，棕黄及棕黄夹灰色，呈一般硬可塑状，下部硬塑状，属中等偏低压缩性土;主要化学成分以SiO2， Al2O3和Fe2O3为主，三者合计含量89.3%;其中SiO2含量最高，占71.7%。为了准确把握切岭段河渠膨胀土分布情况，于工程现场共选取104组样本开展菜巢线分水岭段土体膨胀等级的综合评价，具体成果详见表2。

由表2可知：菜巢线分水岭段新开渠道中，弱膨胀土分布渠段长1.00 km，中膨胀土渠段长2.00 km，分别占该段线路总长度的33.3%和66.7%;同时，河渠开挖后工程区膨胀土边坡为典型的上部膨胀土、下部基岩的岩土混合边坡，具有边坡高、切深大等不利特点，存在潜在的施工期及工程运行期边坡稳定问题，因此需要对工程区内膨胀土边坡的加固措施进行详细设计，以保证渠坡的安全稳定。

1.3 防护方案设计思路

菜巢线分水岭段河渠边坡均为岩土混合边坡，工程建设过程中所涉及的主要边坡类型有三类：岩质边坡、弱膨胀土边坡、中膨胀土边坡。由于各边坡岩土体的物理力学性质差异较大，且承载情况、使用状态也不尽相同，因此，边坡治理的设计应根据每一级边坡的实际地质揭露情况及时调整。

考虑到工程通航、过水等需求，对区域内裂隙岩质边坡采用锚杆、排水孔以及混凝土面板等措施进行防护;基于南水北调工程膨胀土治理的成功经验，对于工程区域内胀缩性较强的中膨胀土，应采用抗滑桩等刚性防护措施，以提升边坡的整体稳定性;对于区域内的弱膨胀土边坡，柔性综合防护措施是一种高效且经济的防护方案。

由于柔性防护措施的相关研究起步较晚，尚未形成完整的理论、实施体系，在工程建设中需要特别关注;同时，考虑到工程区膨胀土边坡地质条件的复杂性，为保证防护效果，各工程均应针对柔性综合防护方案进行专门设计。由于边坡排水、坡面防护、膨胀土治理是影响膨胀土边坡稳定的三大主要因素，故基于此设计思路，提出了一种适用于引江济淮工程弱膨胀土边坡的柔性综合防护方案。

2 弱膨胀土分布渠段边坡治理方案

2.1 河道断面型式设计

菜巢线分水岭段河渠弱膨胀土分布区的典型断面如图1所示。渠坡每高差6 m设一级马道，并于二级马道设8 m宽的平台用以布置后期运行维护道路，其余马道宽3 m，渠顶设置管护道路。二级马道以下边坡为岩质边坡，以上为膨胀土边坡，其中一级马道以下边坡坡比为1∶1.5，而二级马道至一级马道边坡坡比为1∶2.5;二级以上马道边坡坡比均为1∶3.0。

2.2边坡综合防护方案

根据1.3节中所确定的设计理念，详细制定了本段工程弱膨胀土分布区深挖方边坡的综合防护方案。方案中主要几类防护措施的详细介绍如下。

2.2.1 坡面及坡内排水设计

为保障排水效率、增强边坡的稳定性，边坡内外设计多种不同的排水设施，如排水盲沟、截水沟、排水沟等。这些排水设施作为边坡柔性支护的重要部分，发挥了不可替代的作用，其中：坡面排水能够显著缩短降雨等坡面来水在边坡表面的滞留时间，减少边坡表面的积水量;而坡内排水则能够加速地下水渗出坡面后的排出，避免出渗后的地下水排泄不畅而导致坡内积水。

河渠坡面布置有纵、横向排水沟（图2），其中纵向（沿平行河道中心线方向）排水沟布置在各级马道内侧，而横向排水沟沿河道中心线方向每25 m设置一道，排水沟断面内尺寸均为40 cm×40 cm。纵、横向的排水沟形成了一张巨大的排水网络，能够将边坡表面上的积水迅速排至河渠内。

膨胀土边坡内则设置了排水盲沟，用于排出膨胀土边坡内地下水积水（图3）。从横剖面上看，排水盲沟位于水泥改性土的换填底面以下，平行整个膨胀土开挖坡面布置;从平面上看，排水盲沟干沟为沿河道中心线方向每15 m设置一道，支沟与干沟呈45°角相交，在坡面上形成了“Y”型的排水盲沟网络。膨胀土坡面积水进支沟后再汇入干沟，经由坡面排水沟或边坡排至河渠。

2.2.2 坡面防护

该段渠道中，二级马道及以下主要边坡以片麻岩和石英正长岩为主，为满足工程的通航以及过水要求、保证岩质边坡的稳定，采用C25现浇钢筋混凝土进行坡面支护，并钻设排水花管，做好坡面的排水。同时，在一级马道下边坡布置梅花型C25 mm锚杆，进一步加固边坡。

二级至三级马道边坡多为岩土分界线于边坡出露的位置，是潜在的膨胀土滑坡水平滑动面。因此，考虑到坡面防护的经济性、有效性并兼顾工程的景观效益，采用12 cm厚预制C25混凝土联锁生态护坡砌块进行此处边坡的坡面防护，心形框格内种植适宜当地气候的植被，其拼接及剖面结构如图4所示。采用预制的C25混凝土联锁生态护坡砌块进行该处边坡支护的优点在于：与纯钢筋混凝土面板护坡相比，其造价相对较低，且为预制混凝土，施工较为便利，对工期有利;虽然其支护效果不如纯刚性支护，但对边坡变形的适应能力更强，能够为膨胀土边坡压重的同时，依靠各联锁块之间的咬合作用适应并抑制土体变形的持续发展。上覆植被也能够在一定程度上改善复合土体的物理力学性质，进一步加固边坡。

三级马道以上均为弱膨胀土边坡，其物理性质较为均一，无明显裂隙等结构面，且开挖深度逐渐变浅，边坡防护的标准相对较低。因此，对三级马道以上弱膨胀土边坡防护均采用同一柔性防护措施——柔性生态保护毯护坡+植草，其剖面结构如图5所示。该方法施工简便，且更为经济实惠，能夠在一定程度上改善膨胀土的胀缩性等物理力学性质，并具有一定的生态效益，适用于此类弱膨胀土边坡的表层防护。

2.2.3 膨胀土治理

除按照上述要求对区域内膨胀土边坡进行及时防护以外，还需要考虑对一定深度范围内的膨胀土进行处理，以进一步增强其自身稳定性。主要考虑尽量减少边坡内土体的干湿循环交替作用，通过物理、化学或生物添加剂改善土体膨胀性等不利的物理力学性质，进而避免开挖边坡时发生滑动破坏。引江济淮工程边坡治理方案吸取南水北调中线工程膨胀土处理的成功经验，采用水泥改性土或非膨胀土换填的方式对膨胀土边坡进行处理。

该段河渠的弱膨胀土分布区膨胀土边坡的处理方式为：弱膨胀土按河道设计断面超挖1 m，用4%水泥改性土换填，形成最终河道设计断面。水泥改性土换填层能够有效隔绝大气与地表来水，切断膨胀土与大气或地表的水汽交换通道，进而控制膨胀土干湿循环过程，达到抑制膨胀土裂隙产生的效果。工程水泥改性土的生产用土料主要来自开挖产生的弱膨胀土料，不足部分再利用临近工程段开挖的有用土料。

2.3 小 结

该工程弱膨胀土边坡治理方案中，主要包括边坡排水、膨胀土治理与坡面防护三类措施。各类治理措施的主要特点如表3所示。

3 边坡稳定分析

3.1 计算模型与边界条件

为进一步分析柔性综合防护方案的治理效果，选取2.1节中的河渠典型断面开展在正常使用工况以及降雨工况下的膨胀土边坡综合防护前后渗流及边坡稳定分析。该膨胀土边坡渗流及稳定分析的典型断面有限元分析模型如图6所示，模型网格共包含5 766个节点，5 599个单元。

考虑到岩土分界线为主要的控制性滑动面，在分析中取其为厚0.3 m的薄层土体，采用Morgenstern-Price进行边坡稳定计算。模型的渗流边界条件在左侧取为定水头23 m，右侧取为河渠的最高通航水位15.32 m（该标段最高通航水位均低于膨胀土底高程，不涉及坡外水影响膨胀土的问题），非降雨工况下坡面取为出渗边界，降雨工况时边坡及坡顶取为降雨边界，雨强为50 mm/d，其余均取为隔水边界。

3.2 计算参数取值

各主要岩土体物理力学计算参数如表4所示。为了简便，在计算过程中将表层联锁生态护坡简化为加重的水泥改性土材料，其参数取值除容重外均与水泥改性土一致;岩土分界线处的力学参数取膨胀土的残余强度;排水盲沟仅参与渗流计算，不参与边坡稳定分析。

3.3 计算结果

该典型断面的渗流场及边坡稳定分析成果如图7所示。

由图7可知，在各工况下，边坡经过治理后的安全系数均有所提高;在未经降雨时，边坡的安全系数从4.047提高至4.653;而在经历降雨时，边坡的安全系数从2.089提高至3.497。计算结果说明该研究提出的弱膨胀土边坡柔性综合防护方案治理效果良好，有效预防降雨带来的边坡失稳，进一步证明了该方案的安全性与可靠性。

4 结 语

该研究系统分析了膨胀土边坡柔性支护及有关配套措施的适用范围和主要优点;在南水北调中线工程膨胀土边坡治理成功经验的基础上，从引江济淮工程菜巢线分水岭段的地质条件、设计方案以及使用需求出发，基于该段河渠弱膨胀土分布区的边坡特点，提出了一种施工便利、高效经济、环境友好的膨胀土边坡柔性综合防护方案。经数值计算分析检验，该防护方案能够取得良好的边坡治理效果，其设计思路和具体实施方案可供类似工程参考。

参考文献：

[1] 赵文建.柔性支护技术在膨胀土边坡处治中的应用[J].工程建设与设计， 2017（21）：80-82.

[2] 钮新强， 蔡耀军， 谢向荣， 等.南水北调中线膨胀土边坡变形破坏类型及处理[J].人民长江， 2015， 46（3）：1-4，26.

[3] 倪啸.广西、北京膨胀（岩）土特性及堑坡处治技术对比分析[D].长沙：长沙理工大学，2010.

[4] 杨伟新.柔性处治新技术在膨胀土松散堆积体开挖边坡治理中的应用[J].中外公路，2010，30（5）：67-70.

[5] 袁关松.公路路基的边坡防护中采用刚性防护与柔性防护的范围及特点[C]// 第三届中国杰出管理者年会.第三届中国杰出管理者年会成果汇编.北京：中国文史出版社， 2007.

[6] 张国强，冷星火，王磊，等.膨胀土边坡新型支护结构设计[J].人民长江，2014，45（7）：36-38.

[7] 王欢，任俊玺，凡超文，等.粉砂土掺量对膨胀土膨胀与力学特性的影响[J].地下空间与工程学报，2021，17（1）：172-178.

[8] 陈尚法，温世亿，冷星火，等.南水北调中线一期工程膨胀土渠坡处理措施[J].人民长江，2010，41（16）：65-68.

[9] 董宏源，雷文凯，梅国雄，等.坡度对膨胀土边坡径渗流特性的影响规律探究[J].广西大学学报（自然科学版），2021，46（1）：1-8.

[10] 王启龙，强鲁斌，赵鑫，等.论排水系统实施对深挖方膨胀土渠坡稳定性的影响[J].工程建设与设计， 2019（17）：114-117.

[11] 林书伟.膨胀土地区边坡的排水和防护设计[J].广西交通科技，2003（5）：73-74.

[12] 胡江，张吉康，余梦雪，等.深挖方膨胀土渠道边坡变形特征分析与预测[J].水利水运工程学报， 2021（4）：1-9.

（编辑：高小雲）

Flexible comprehensive protection scheme for weak expansive soil slopes in watershed section of Caizi Lake and Chao Lake of water transfer project from Yangtze River to Huaihe River

NING Xinyang， ZENG Jun， LYU Guoliang

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research Co. Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract： The stability of expansive soil slope is a common technical problem in engineering construction. If it is not handled properly， it may lead to traction and gradual landslides， which seriously threatens the safety of the project. Focused on the actual geological conditions， design schemes and application requirements of the watershed section of Caizi lake and Chao lake of the water transfer project from Yangtze River to Huaihe River， a flexible protection scheme suitable for deep excavated slopes with weak expansive soil was proposed. The results showed that this scheme could take full advantages of flexible support structure and effectively guarantee the stability and safety of the slope. The research results could be a reference for slope treatment.

Key words： slope treatment; expansive soil; flexible comprehensive protection; water transfer project from Yangtze River to Huaihe River

收稿日期：2021-10-29

基金項目：国家重点研发计划项目（2017YFC1501204）

作者简介：宁昕扬，男，工程师，硕士，主要从事水工结构方面研究工作。E-mail：ningxinyang@cjwsjy.com.cn