输水工程膨胀土渠坡稳定性及力学参数研究

第２０卷第４期　２００６年８月　资源环境与工程　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖ０１．２０　Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．６ｌ　文章编号：１６７１—１２１１（２００６）０４—０３７３—０４　输水工程膨胀土渠坡稳定性及力学参数研究　蔡耀军，赵　雯，阳云华　（长江勘测规划设计研究院，湖北武汉４３００１０）　摘要：膨胀土作为一种特殊的粘性土引发了许多地基与边坡方面的问题。通过野外勘探及地下长期观测，揭　示了膨胀土的结构分带性和力学强度的时效性，提出了膨胀土边坡设计中分带取值和试验方法。在进行渠坡表　面置换措施后，土体浅层失稳主要受控于开挖过程中坡面胀缩影响带的强度。　关键词：膨胀土；渠坡；稳定性；力学参数　中图分类号：ＴＵ４４３　文献标识码：Ａ　专家点评本文立于实证，揭示了膨胀土边坡的结构分带性和力学强度的时效性，提出了防治膨胀土边坡变形失　稳的关键在于防止近地表胀缩裂隙带的形成，在南水北调工程实践中，通过换土、改性等方法，已有效地控制了胀　缩裂隙带的形成，即达到了控制膨胀土强度的时效性及边坡的稳定性。文章在膨胀土的渠坡特殊环境研究方面　有创新意义，通过交流和探讨，必将使膨胀土与工程的理论、实践得到新的发展。　陈国金　０　引言　膨胀土因其具有遇水膨胀、失水收缩而成为工程　渠在施工过程中便发生了１４起该类滑动破坏。但这　种破坏形式主要分布在山前、丘陵斜坡地带的土体中，　在南水北调中线工程沿线分布较为局限。浅表变形与　建设中的一个难题。在中国大部分地区，侏罗系“红　层”、第三系粘土岩及泥灰岩、第四系冲洪积及湖积物　普遍具有一定的膨胀性。南水北调中线工程涉及的膨　胀土（岩）主要分布在河南南阳盆地、太行山东麓的鲁　山坡、潞王坟以及河北的邯郸附近、邢台，中强膨胀土　的粘土矿物以蒙脱石为主。　膨胀土之所以特殊，其内在实质在于粘土矿物能　边坡蠕动问题涉及的面广，是渠道工程勘察研究的重　点，由于土体强度具有时效性，在不采取保护措施的情　况下，边坡表部渐进式变形破坏，将使坡形逐渐变缓，　边坡变形边界也随时间向内部推进。　粘性土体中一般都存在一定量的节理裂隙，它们可　能形成于固结过程或后期的构造作用，在膨胀土中沿这　些裂隙常常有蒙脱石矿物富集现象（见照片１）。然而，　由于这些裂隙规模有限，倾角一般较大，多数情况下对　轻易吸收和失去大量的分子水，使土体的体积发生膨　胀和收缩；其外在表现在于土体在反复胀缩过程中，土　体结构发生渐进式破坏，力学强度大幅度丧失，从而导　致基础及衬砌破坏，边坡变形失稳　。因而，膨胀土特　性的表现离不开水的参与，除“三性”以外，膨胀土力　学强度的时效性对工程影响更为重要。　膨胀土渠坡的稳定性体现在两个层面上，一是受　深部软弱带控制的滑动稳定问题；二是受大气影响带　控制的浅表变形与边坡蠕动问题。深部软弱带主要为　受古地貌控制的沉积界面，当渠道开挖揭露这类倾向　渠道或近水平的沉积界面时，极易产生滑动，陶岔引水　收稿日期：２００６—０３—２２；改回日期：２００６—０４—２８　照片１膨胀土中的裂隙及蒙脱石矿物富集现象　Ｐｈｏｔｏ．１　Ｆｉｓｓｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｏｉｔｔｍｏｒｉｌｌｏｉｔｉｔｅｓ　ｉＩｔ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　作者简介：蔡耀军（１９６３一），男，教授级高级工程师，博士，从事水利水电工程地质勘察研究工作，中国地质学会会员。Ｅ—ｍａｉｌ：ｃａｉｙａｏ—　ｊｕｉｔ８８＠１６３．ｃｏｒｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

３７４　资源环境与工程　２００６．年　渠坡稳定不具有控制作用。但在膨胀土近地表一定范围　内，尚存在大量的短小无规律的收缩裂隙，这些裂隙成为　地表水人渗的重要通道（见照片２），也是近地表膨胀土体　发育带深度一般为３　ｍ～５　ｍ，深度与膨胀性及地下径　流强度有关。胀缩裂隙分布深度一般不超过５　ｍ～　７　ｍ左右，该深度代表了大气降水能渗入的深度，也是　土体含水量周期性发生变化的深度，在该深度以下，土　体处于超固结的非饱和状态。相应地，从水文地质角　度也可以划分三个带：近地表的干湿交替带、含上层滞　结构破坏的具体表现，是膨胀土由超固结状态变为松散状　态的一个重要过程，是土体强度衰减的本质所在。　水带和非饱和带。干湿交替带土体处于饱和与非饱和　交替状态；上层滞水带的裂隙中分布有一定的重力水，　常成为民井的地下水源，其下限深度与胀缩裂隙分布　深度一致。浅层滑坡的底界面常常沿上层滞水的水位　面而形成。这一结构特性对边坡稳定分析时地下水模　型的构设、土体力学参数选用十分重要。　同样，对于边坡也可进行类似的分带（见图２），但　照片２膨胀土地表密集的裂隙及土体疏松现象　Ｐｈｏｔｏ．２　Ｄｅｎｓｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｆｉｓｓｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｌｏｏｓｅ　ｓｏｉｌ　ｂｏｄｉｅｓ　ｆｏｒ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　由于地下水循环深度加大，胀缩裂隙带最大可达８　ｍ～　１０　ｍ。从工程应用角度，可分别对膨胀土裸露边坡和人　在土体深处，裂隙一般都处于闭合状态，而且由于　膨胀土的超固结特性，土体的渗透性多＜１０～ｃｍ／ｓ，　属于工程意义上的不透水体（或隔水层）。从水文地　质角度，土体深处处于恒久性的非饱和状态，其含水量　基本上不随外界环境而变化。因而深处土体不仅不会　表现出膨胀性，而且还属于具有较高承载力和抗剪强　工开挖保护边坡土体进行结构和力学性质分带：对于　膨胀土裸露边坡，随着胀缩裂隙带逐步形成，表部土体　强度逐渐衰减，蠕动变形及浅层滑动将使边坡逐渐变　缓，直至形成最终的稳定坡形。据野外调查，中一强膨　胀土的自然稳定坡度约在１０。左右，中等膨胀土的稳定　坡度在１５。左右，弱膨胀土的稳定坡度在２０。左右。　度的良好地质体。从这一意义上说，膨胀土只是具有　膨胀潜势，只有近地表、受大气影响的土体才表现有膨　胀性，才具有多裂隙性，才影响工程的运行安全。　１膨胀土的空间分带　膨胀土体深处处于稳定的非饱和状态，而近地表　部位受外部大气环境影响，处于经常性的干湿交替状　态，因此多裂隙性、胀缩性、强度时效性都出现在浅表　大气影响带范围内。天然状态下的土体结构与水文地　质模型见图１所示。　图２膨胀土边坡结构与力学特性分带示意图　Ｆｉｇ．２　Ｓｌｏｐｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｅｅｈｎｉｅａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｚｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　水利工程膨胀土渠道在开挖过程中，表部土体即开　始受到不同程度的胀缩破坏，其破坏程度与开挖工期、　外部环境条件、边坡保护情况有关。刘特洪（１９９４）统计　图１膨胀土地质结构与水文地质模型　Ｆｉｇ．１　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　了国内２１个中一中偏强膨胀土渠道工程、设计坡比为　１：１．５～１：３．５的边坡破坏情况，其中约３０％的工程在施　工期就发生了变形或滑动ｏ，说明膨胀土在裸露条件下　从大量的现场观测发现，平坦地区胀缩裂隙强烈　。水利江勘测技术研究所、长江水利委员会综合勘测局，国内外水利工程膨胀土处理论文集，１９９４。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　蔡耀军等：输水工程膨胀土渠坡稳定性及力学参数研究　表１　南阳盆地膨胀土边坡力学参数　３７５　在一个不长的时间内就会发生显著的结构破坏。因　此，渠道开挖时需要尽快作封闭处理或作临时保护。　对于非均质或具有多层结构的膨胀土边坡，可对　土体作进一步的力学性质分带。　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｌｏｐｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｉｎ　Ｎａｎｙａｎｇ　ｂａｓｉｎ　２膨胀土渠坡土体力学参数　膨胀土较高的峰值强度与失稳边坡反算出的抗剪　强度之间的巨大差别时时困惑着工程地质和土力学专　家。Ｂｉｓｈｏｐ和ＢｊｅｌＴｕｍ（１９６０）于是提出了滞后破坏理　论，认为边坡开挖后稳定性和土体孔隙水压力会随时间　要困难得多，深层圆弧状滑动几乎变得不可能，这一结　变化　。朱梅生建议穿过剪切区的滑弧土体采用残余　论与野外观察结果完全吻合。第二，膨胀土边坡土体　强度，剪切区外的滑弧土体采用峰值强度。潘群牧提出　强度具有随时间逐渐衰减，边坡具有随时间逐步后退　了气候作用层分带法，他根据边坡土体风化程度分为三　个带：强风化带，采用残余强度；过渡层，采用峰值强度　与残余强度之中间值；未风化层，采用峰值强度　。　上世纪９０年代，长江水利委员会综合勘测局在研　究南水北调中线膨胀土时，提出分别采用现场剪切试　的特点，因此防治膨胀土边坡变形失稳的关键在于防　止近地表胀缩裂隙带的形成。第三，过去通常采用的　放缓边坡的设计方法仅仅是为了满足胀缩裂隙带土体　稳定的需要，当对坡表采取置换或其他防护措施后，边　坡坡比可以根据置换土（或复合土）、过渡带和非饱和　土体强度重新确定。　南非Ｚｕｋｅｒｂｏｓｃｈ渠道通过膨胀土地区，膨胀土残　验峰值和残余强度作为水位上、下膨胀土的抗剪强度。　２００５年长江勘测规划设计研究院提出由大气影响带　和地下水位控制的分；蒂取值的方法ｏ。　分带取值较过去单一参数取值前进了一大步。然　而，分带取值必须符合土体所处的水文地质状态和失　稳时的工况。根据前述土体结构和水文地质分带，膨　胀土边坡可以按三带分别取值。　余抗剪强度ｃ＝５　ｋＰａ，　：１２。，渠坡超挖后换土１．５　ｍ　（渠底换土１　ｍ），坡比１：１．２，运行正常。　河南南阳南渠北干１号跃水闸下游渠段换土厚　１　ｍ，坡比１：２．０，运行２０余年未见破坏发生。　印度Ｐｕｍａ渠设计流量５７８　ｍ　／ｓ，渠高５．２　ｍ，渠　坡为膨胀性较强的黑棉土。根据试验确定的力学参　数，只有在坡比１：５．５时渠坡才能稳定。后采用１　ｍ　厚的砾质红壤土进行置换，水下按１：２坡比、水上按１：１　坡比设计，表面以干砌石衬砌，１９８５年完工后一直运行　正常。与此相似，印度Ｐｅｕｃｈ渠坡４．７　ｍ高，按膨胀土力　学参数只有在１：５坡比下渠坡才能稳定。后采用１　ｍ　胀缩裂隙带：土体结构基本被破坏，土体反复胀缩　导致重度下降，由超固结变为疏松状态。在降水饱和　情况下，多以粘性泥石流、塑性流动（蠕变）等形式发　生失稳。因此，胀缩裂隙带的抗剪强度适宜取饱和快　剪指标，与残余强度相近。　过渡带：土体结构受到一定破坏，裂隙中分布有重力　水。土体力学参数适宜取现场大剪指标，或采用饱和固结　快剪强度打折，其中　折减１０％～２０％，ｃ值折减５０％。　超固结非饱和带：土体结构基本未受外部环境改　造，土体处于可塑一坚硬状态。力学参数适宜采用天　然含水量固结快剪指标。　砾质红壤土置换，表面以８　ｅｍ～９　ｅｍ混凝土衬砌，１９８３　年１２月完工后一直运行良好。　美国加州Ｆｒｉｎｔ—Ｋｅｒｎ渠道长２４５　ｋｍ，流量１１３　ｍ３／ｓ　～５７　ｒｎｊ／ｓ，坡高６　ｍ～６．７　ｍ。渠线１／３地段通过Ｐｅｎｅｒ－　ｖｉｌｌｅ强膨胀土，采用砼衬砌，３年后衬砌开裂弯曲破坏，上　部土坡也滑塌破坏严重。后采用１．１　ｍ厚的石灰土修复　坡面，坡比１：１．５～１：２．０，至今正常运行３Ｉ）多年。　据此，结合南阳盆地各类膨胀土的室内与现场剪切　试验，提出渠道边坡各带土体的抗剪强度指标，见表１。　３膨胀土边坡设计研究　在对膨胀土边坡土体参数进行分带取值后，边坡　设计思路也变得十分明朗。首先，由于不同分带土体　间参数的明显差异，均质土体中深部滑动比浅表失稳　广西上思那板北干渠部分膨胀土渠坡采用掺８％　石灰进行４０　ｅｍ厚的处理，表面再覆盖３　ｅｍ厚的水泥　砂浆，至今正常运行３０年。　除上述措施外，还有采用高压喷射灌注石灰浆、水　泥浆、磺化油（美国使用）进行膨胀土加固和改性处理。　ｏ长江勘测规划设计研究院，南水北调中线一期工程可行性研究报告附件二：工程地质勘察报告，２００５。　维普资讯 http://www.cqvip.com

３７６　资源环境与工程　２００６丘　在一些交通工程中，也有采用土工格栅、加筋土、　模袋（包）进行膨胀土边坡处理的例子，但其耐久性还　和。这时，最不利的潜在滑动面仍局限于置换土与过　渡层内，稳定系数１．０１，滑弧不穿越马道。　有待进一步提高。加筋土可以提高土体的整体强度，　根据上述分析计算，结合南阳盆地膨胀土各带的　但不能阻止胀缩裂隙的形成，而且膨胀土边坡浅部失　力学参数和国内外工程实例，在换土（１．５　ｍ～２　ｍ）条　稳主要以泥石流或塑性流动形式出现，其有效性还有　件下，南阳地区输水渠的单级坡坡比可以采用１：１．５　待进一步考证。　１：３．０，见表２。从边坡稳定性分析结果看，潜在滑　换土或改性处理可以起到防止浅表胀缩裂隙带的　动底界受过渡带的控制，其力学强度成为控制浅层失　～形成，减少大气与内部（过渡带）膨胀土之间水分与温　度等的交换，缓冲内部膨胀土产生的膨胀力和变形对　渠道衬砌的影响。　稳的关键，因此渠道开挖工期、开挖面的保护将成为渠　坡稳定的重要影响因素。　表２边坡表层置换或改性处理情况下膨胀土边坡坡比建议值　Ｔａｂｌｅ　２　Ｓｕｇｇｅｓｔｉｖｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｒａｔｉｏ　ｆｏｒ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｓｌｏｐｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　４结语　Ｆｉｇ．３　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｃａｎａｌ　ｓｌｏｐｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　图３渠坡稳定性计算条件　认识膨胀土边坡的结构分带性和土体的水文地质　特性，是研究膨胀土边坡失稳机理、制定边坡防治保护　考虑膨胀土开挖边坡换土方案，采用图３所示剖　面进行稳定性分析。边坡坡比１：２，马道宽４　ｍ，第一　措施的关键。膨胀土的胀缩性使土体强度具有时效性　特点，通过换土、改性等方法控制了胀缩裂隙带的形成，　也就控制了膨胀土强度的时效性，及边坡的稳定性。膨　级坡高１０　ｍ，第二级坡高６　ｍ。按强膨胀土考虑，换土　厚度２　ｍ，过渡层厚２　ｍ。渠内无水。　工况一：考虑膨胀土的不透水性和置换土的封闭　胀土力学特性的空间分带特征和深部土体的超固结特　点，决定了在进行坡面保护后可以提高边坡的坡度。　参考文献：　［１ｊ刘特洪．工程建设中的嘭胀土问题　Ｍ　．北京：中国建筑工业出Ｉ钣　社，１９９７　性，坡体内没有静水压力，膨胀土处于非饱和状态。这　时，最不利的潜在滑动面局限于置换土与过渡层内，稳　定系数１．４，滑弧限于单级坡范围。　工况二：考虑降水人渗，并在过渡带形成上层滞　水。这时，最不利的潜在滑动面仍然局限于置换土与　过渡层内，稳定系数１．２７，滑弧限于单级坡范围。　工况三：考虑降水人渗，置换土与过渡带内土体饱　２］　Ｂｉｓｈｏｐ　Ａ　Ｗ．ａｎｄ　Ｂｊｅｒｒｕｍ．Ｌ＿，Ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒｉａｘｉａｌ　ｔｅｓｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｅｎｇｔｒｈ　ｏｆ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｓｏｉｌｓ，ＡＳＣＥ，１９６０．　３］廖济川．膨＿胀土抗剪强度的研究概况［ｃ］∥全国首届膨胀土科学　研讨会文集．成都：西南交通大学出版社．１９９０．　ＳＴＵＤＹ　ｏＮ　ＴＨＥ　ＳＬｏＰＥ　ＳＴＡＢＩＬＩＴＹ　ＡＮＤ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ　ｏＦ　ＤＩＬＡＴＩＶＥ　ＳｏＩＬ　ＣＡＮＡＬ　ＦｏＲ　ＷＡＴＥＲ　ＣｏＮＶＥＹＡＮＣＥ　ＰＲｏＪＥＣＴ　ＣＡＩ　Ｙａｏ—ｊｕｎ，ＺＨＡＯ　Ｍｉｎ，ＹＡＮＧ　Ｙｕｎ—ｈｕａ　（Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ，Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００１０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ａ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｖｉｓｃｏｕｓ　ｓｏｉｌ，ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｃａｕｓｅｓ　ｍａｎｙ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｓｌｏｐｅ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｅｘｐｌｏｒａ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｎｇ—ｔｅｒｍ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｅａｌｓ　ｔｈｅ　ｚｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｉｍｉｎｇ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｆｏｒ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ，ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｖａｌｕｅｓ　ｂｙ　ｚｏｎｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ　ｓｌｏｐｅ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｎａｌ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈａｌｌｏｗ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｓｏｉｌ　ｂｏｄｙ　ｉｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｓｕｂｊｅｃｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｚｏｎｅ　ｏｆ　ｓｌｏｐｅ　ｐｌａｎｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｌａｔｉｖｅ　ｓｏｉｌ；ｃａｎａｌ　ｓｌｏｐｅ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ