南水北调中线某段渠道边坡滑坡成因分析及防治对策_申粤.pdf

地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总798期第4期2023年2月南水北调中线某段渠道边坡滑坡成因分析及防治对策申粤（中国南水北调集团中线有限公司河南分公司，河南郑州450046）摘要：【目的】渠道边坡失稳可诱发渠道边坡滑塌及其他险情，影响南水北调中线工程运行安全。【方法】以南水北调中线郑州段为例，对强降雨引起渠道边坡失稳造成渠道边坡滑坡的原因进行分析。【结果】结合国内外研究成果提出边坡防治措施，为类似水利工程边坡防治提供参考和借鉴。【结论】渠道边坡失稳由诸多因素引起，结合南水北调渠道运行过程造成边坡失稳的主要因素，提出不同的处置措施。关键词：渠道边坡；滑坡；原因分析；措施中图分类号：P642.22文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）04-0115-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.04.024Cause Analysis and Prevention of Slope Landslide in a Channel ofMiddle Route of South-to-North Water Diversion ProjectSHEN Yue（Henan Branch of China South-to-North Water Diversion Middle Route Corporation Limited，Zhengzhou450046，China）Abstract:Purposes The instability of channel slope can induce channel slope collapse and other dangerous situations,affecting the operation safety of the middle route of the South-to-North Water Diversion project.Methods Taking Zhengzhou section of the middle route of the South-to-North Water Diversion Project as an example,this paper analyzes the reasons for the slope landslide caused by the instability of the channel slope caused by heavy rainfall.Findings And puts forward the slope preventionmeasures based on the research results at home and abroad,which can provide reference for the slopeprevention of similar water conservancy projects.Conclusions The slope instability of channel iscaused by many factors.According to the main factors of slope instability during the operation of south-to-north water diversion channel,different treatment measures are put forward.Keywords:channel slope;landslide;cause analysis;measures0引言南水北调中线工程是缓解我国北方水资源严重短缺、优化配置水资源配置、改善生态与环境的重大战略性基础设施。总干渠全长1 234.5 km，分为挖方段和填方段，挖方段占总长度的 92.8%，填方段占 7.2%。渠道横断面为梯形断面，在挖方段由于不同挖深形成不同高度的渠道坡面，为了保证工程运行安全，根据地质条件、岩石类型、土壤类型等特点，渠道两侧坡面形成不同坡度的边坡，坡面采用六棱框格护坡，避免渠道坡面滑坡的发生。2021年7月，河南段沿线大部分地区遭遇入汛以来收稿日期：2022-11-24作者简介：申粤（1990），女，本科，工程师，研究方向：水利工程管理。116第4期极端强降雨，由于连续降雨，郑州段渠道边坡土壤含水率达到饱和状态，土壤中的饱和水不能及时排出，造成土壤的抗剪强度减弱，土壤自重增大，部分渠段坡面出现滑坡现象。不同降雨强度对坡面滑坡的影响不同。主要原因在于降雨初期，土壤含水率较低，雨水通过土壤中的空隙渗入土壤内部，不断入渗导致土壤含水率增加，坡面土体基质吸力减小和土壤孔隙水压力增加，降低坡面土体力学强度，进而影响渠坡稳定性1。包小华等2通过室内边坡模型试验，研究发现随着坡面土壤含水率的不断增加，监测土壤基质吸力逐渐降低为零，边坡土壤含水率由非饱和变为饱和状态后，边坡出现破坏现象。在试验中，通过监测边坡不同位置的土壤体积含水率，发现在土壤含水率达到某值情况下，坡面开始出现破坏，通过室内模型试验监测结果，可以为降雨产生渗流引发边坡失稳的预警提供参考依据。殷坤龙等3研究在持续降雨条件下坡面稳定性的变化情况，发现在降雨初期，前期土壤含水率对滑坡稳定性影响较大。在降雨过程，前期土壤含水率较高时，土壤含水率由不饱和状态转变为饱和状态时间相对较短，造成土壤空隙水压力增加，土壤抗剪强度减小，易形成坡面滑坡。孔令伟等4在降雨入渗对膨胀土边坡试验发现，土壤中水分蒸发作用使得膨胀土水分丧失，进而造成土壤表面开裂，出现裂缝，再发生降雨时，雨水通过裂缝入渗土体，导致土壤含水率迅速增加，加速边坡变形，最终形成边坡滑坡或塌落。谢妮等5通过现场降雨试验研究黄土边坡破坏规律，研究发现降雨对黄土边坡浅层土体吸力和含水量影响较大，同时在降雨过程中雨滴对土壤表面颗粒的冲击，使黄土颗粒破碎，降低雨水入渗能力，在黄土坡面形成表面径流，对黄土坡面冲刷，土壤含水率的增加及坡面冲刷作用共同影响了土体的强度，导致黄土坡面破坏。综上所述，国内外研究发现降雨是诱发边坡滑坡的主要因素之一。为了避免边坡出现滑坡或塌陷，工程上会采取相应的工程措施和非工程措施。但是，降雨、地震等自然因素仍会对坡面造成危害，对人民生活和安全造成不同的影响。为了保证工程安全，在滑坡发后需要及时采取相应措施，确保工程运行安全。因此，本研究以南水北调中线郑州段渠道边坡为研究对象，查阅相关文献，并结合现场实际情况，通过降雨对坡面滑坡因素的分析，提出渠道浅层滑坡的防治措施，为渠道边坡维修管理提供技术支持。1工程概况郑州段渠道位于郑州市西南部，以挖方为主，挖深一般917.5 m，渠道边坡为土质边坡，渠坡由黄土状轻粉质壤土、黄土状中粉质壤土，局部为砂壤土。通过对渠道边坡土体物理力学指标进行分析，在天然状态下，渠坡土体具有中等压缩性，随着土体黏性颗粒含量增加，内摩擦角降低，黏聚力增大。在降雨时，地表水沿黄土裂隙、空隙垂直下渗，导致边坡静水压力和动水压力增高，下滑力增强，土体抗摩阻力下降，抗剪强度降低，土体自重增加，诱发黄土边坡失稳。根据渠道边坡稳定性分析，渠道边坡破坏主要的存在浅层滑坡、座滑型滑坡、软黏土滑坡等破坏类型。因此，地表水入渗是渠道边坡失稳的重要诱因，渠道断面如图1所示。2滑坡原因2021年7月18日21日，郑州市出现罕见持续强降水过程，郑州市降水量超过有气象记录以来极值，2 h降雨量达201.9 mm，超过我国陆地小时降雨量极值。郑州周边地区累计降雨量在500 mm以上，部分站点在900 mm以上。持续性强降雨导致坡面雨水长时间入渗，边坡土体表层含水率逐渐增加，抗剪强度降低，发展到一定程度，坡体表面土体在自重作用下产生滑动，形成浅层缓坡。图1渠道断面图申粤.南水北调中线某段渠道边坡滑坡成因分析及防治对策原地面线防护围栏导流沟详图H1 1.52.00防护堤六边形砼框格+植草1 1.51 2.01 2.01 1.5防护林带10.665.0042.7718.3717.5018.375.0010.5155.63原地面线防护围栏详图H1 113.00防护堤六边形砼框格+植草防护林带1 1一级马道详图C详图A详图A详图B121.758设计水位119.574112.574加大水位120.258121.758渠道中心线一级马道0.1m厚C20混凝土板复合土工膜2cm厚聚苯乙烯板0.1m砂砾石垫层0.1m厚C20混凝土板复合土工膜2cm厚聚苯乙烯板0.1m砂砾石垫层0.08m厚C20混凝土板复合土工膜0.1m砂砾石垫层1 1.51 11 1第4期117南水北调中线郑州段渠道以挖方为主，渠道边坡为土质边坡，边坡土质以黄土状轻粉质壤土、黄土状中粉质壤土为主，局部为砂壤土。在经历持续强降雨过程，雨水不断入渗，边坡土体含水量由不饱和状态达到饱和状态，边坡土体孔隙水压力增高，抗摩阻力下降，抗剪强度降低，随着土体自重增加，引起黄土边坡失稳。目前，关于雨水入渗对渠坡稳定性的影响最普遍的观点可分为两点，一是降雨入渗导致渠坡土体内部含水率增加，土体自重增加，土体强度降低，抗滑稳定性减弱，导致滑动力增加，诱发了滑坡的发生；二是对于非饱和黄土滑坡而言，随着土体内部含水率的增加，导致土体基质吸力减小，这进一步导致渠坡的强度和稳定性减弱，诱发滑坡的发生。除此以外，许多学者和专家从其他理论和观点出发，比如渗流土体内部的渗流作用、雨水对坡面的冲刷作用等解释降雨诱发滑坡的机理和原因，但实际情况中，并不是单一因素造成了滑坡，而是多种因素共同作用的结果。对于不同降雨条件下对土体滑坡的稳定性研究，国内外诸多学者都进行了试验和理论研究。Lam等6较早研究了降雨入渗对土体边坡稳定性的影响，通过对不同降雨强度对土体边坡稳定性的试验。实验发现降雨强度越高，边坡土体越容易造成破坏，边坡土体抗破坏的安全系数下降越明显。通过分析试验数据，边坡土体的基质吸力是影响其稳定性的主要因素，主要由于降雨入渗增加边坡土体空隙水压力，使得边坡土体基质吸力下降，安全系数降低，引起边坡土体滑坡的发生。Ng等7以香港地区的某一斜坡为研究对象，通过分析实验数据，影响边坡的安全系数的主要因素是降雨强度、初始地下水位和渗透系数各向异性等，而且先期的降雨历时也对安全系数有一定的影响。李兆平等8在试验中以土体的体积含水率作为因变量，研究土体不同含水率对土体边坡的影响，建立了非饱和土边坡稳定性分析的方法。朱文彬等9采用有限元方法对不同降雨条件造成土体滑坡进行了数值分析，通过计算机数值模拟，发现随着降雨历时的延续，土体塑性区范围不断延伸扩展，最后在土体塑性区形成潜在滑裂面，滑裂面的形成导致边坡失稳破坏。为了验证引起边坡土体破坏时间，以实例数据进行模拟计算，估算出边坡破坏的时间。游昆骏等10应用有限差分软件对某滑坡断面进行了极限平衡理论的稳定性分析，计算结果表明，在平衡状态下，虽然土体滑坡断面整体处于稳定状态，但是在强降雨工况下，发现土体滑坡断面也会发生蠕滑-拉裂破坏。张群等11通过对四川南江红层地区的边坡滑坡使用 Geo-studio 软件进行计算分析，结果表明，降雨时，坡面雨水入渗引起土体黏聚力和摩擦角变化，随着入渗时间延续，土体黏聚力和摩擦角相应减小，造成边坡土体破坏，因此黏聚力和摩擦角是影响浅层滑坡稳定性的重要因素。许建聪等12通过强降雨对浅层滑坡稳定性影响的研究，建立了强降雨条件下滑坡稳定性系数、滑带抗剪强度和滑体保水面积三者之间的数理统计关系，在统计分析了相关试验数据的基础上，结合有限元的方法，分析强降雨对滑坡稳定性的影响。李宁等13利用非饱和土典型V-G模型和Green-Ampt降雨入渗模型对Mein-Larson降雨入渗模型进行了修正，在Mein-Larson降雨入渗模型基础上建立了假想模型，应用假象模型研究降雨对浅层滑坡的影响，对假象模型参数率定验证。计算结果表明，这种方法可以较为简单的对滑坡的稳定性系数进行计算。基于以上分析，降雨入渗是导致土体边坡滑坡的重要因素，郑州段部分渠道边坡滑塌的主要原因是渠道边坡随着雨水不断入渗，渠坡土壤含水量由不饱和状态达到饱和状态，并随着土体含水率的增加，土体强度减小，土体基质吸引力减小，导致抗滑稳定性减弱，土体自重增加，进一步导致渠坡的强度和稳定性减弱，诱发滑坡的发生。3采取措施郑州段渠道边坡开挖高度最高23 m，最低5 m，一般1019 m，均为土质边坡。由于开挖边坡较高和受坡体地层结构、抗剪强度、降雨入渗等因素的影响，存在边坡稳定问题。虽然在设计和施工阶段采取防止边坡失稳的措施，如采取多级边坡，增加坡体的稳定性；坡面、坡顶设置排水、截水和防渗等措施，防止地表水冲蚀造成渠道边坡失稳。郑州“720”特大暴雨持续强降雨造成渠道边图2坡面滑坡申粤.南水北调中线某段渠道边坡滑坡成因分析及防治对策118第4期坡遭受破坏，部分渠道坡面出现滑坡和滑塌现象。为了保证工程运行安全，避免渠道边坡再次出现滑坡，根据现场实际情况，采取相应工程措施和非工程措施，对于边坡滑坡后滑动带内的土体已被剪切破坏，其抗剪强度指标降低，透水性增大，极易引发更大范围的滑坡，必须采取有效措施进行除险加固，并根据渠道边坡破坏位置、类型等采取相应的处理方法。3.1渠道坡脚处理方法对于渠道坡脚破坏部位，为了提高渠道坡脚土体的顶托力，彻底消除渠道边坡滑坡或滑塌的隐患。对于受破坏程度一般的渠道坡面，将渠道坡脚基坑上部软弱土层挖除，坡脚滑落的土方清除干净。应按每层回填量高度不超过30 cm，分层夯实的顺序回填滑塌面，回填使用土料宜与原筑渠道坡面的土料相同，回填土的颗粒成分、含水率等应满足相关规范、标准和规程的规定。对于遭受比较严重和不稳定的坡面，应在设计单位对坡面进行复核计算后，根据设计院的设计方案，在不稳定坡面前缘坡脚外侧设置混凝土挡土墙，采用C20混凝土现浇14，浇筑混凝土挡土墙时，如果挡土墙长度较大，应每段不超过5 m分段跳槽开挖、分段浇筑。在浇筑挡土墙时，挡土墙应设置排水孔，排水孔材料采用直径为70.0 mm的PVC管，排水坡度不小于5%，外端伸出墙面至少10 cm，内端伸至碎石反滤层段长度不小于0.1 m。设置排水孔的排距、孔距均为2.0 m，排水孔高出地面0.5 m。3.2渠道坡面填筑处理方法对于渠道坡面遭受滑坡和滑塌的部位，一般的滑坡或滑塌部位，在渠道坡面恢复之前，由上而下把渠道边坡滑落的草根茎、砖块、不稳定土体和坡面松软浮土等清除完毕，滑落渠道坡脚处的土方清除干净。在挖除滑动体时，应从破坏的坡面上边缘开始逐级开挖，每级高度不超过0.3 m，一级一级地沿滑动坡面挖成锯齿形，每一级在开挖深度上应一次挖到位，开挖宽度应向外扩展至未滑动坡面，挖至未滑动土面 0.51.0 m。回填量应按每层高度不超过30 cm，从下向上分层夯实的顺序回填滑塌面，回填使用土料宜与原筑渠道坡面的土料相同，回填土的颗粒成分、含水率等应满足相关规范、标准和规程的规定。对于滑坡或滑塌部位较大的部位，应委托设计单位现场查勘和复核计算坡面稳定性，根据设计单位的设计方案对渠道坡面进行恢复。3.3渠道坡面防护处理方法在强降雨时，为了避免修复后渠道坡面再次遭受破坏，对处理后的坡面采取护砌措施，坡面采用六棱框格铺设，并补植草皮护坡。为提高滑动面结合处土体和未挖除扰动土层的抗剪强度，回填土应满足相关规范、标准和规程填筑。对于桥梁两侧坡面，降雨强度较大时，桥面雨水从桥头连接处冲刷坡面，造成坡面浅层滑移，为了减少地面径流对坡面的冲刷破坏，在桥梁两侧设置挡水坎，避免外部雨水对渠坡的冲刷，同时在桥梁两侧渠道坡面采用素混凝土护坡处理，其他坡面采用空心六棱块铺设，并在修复的坡面补植同样的草皮，减少表面土体滑移风险。3.4渠道坡面排水处理方法斜坡失稳时间一般都发生在极端持续降雨时，要及时排出坡面雨水，减少雨水入渗和冲刷对坡面造成的破坏，提升渠道坡面的稳定性，就要在坡面设置完善的排水、截水和防渗措施。排水目的主要为了减少坡面雨水入渗和降低坡体地下水位，降低因降雨造成坡面土体含水量增加发生滑坡或滑塌的风险，减少降雨对渠道边坡的影响。在渠道坡脚外缘设置截留沟，快速地将坡面径流排出坡脚外，减少雨水下渗对渠道坡脚稳定性影响，提高坡脚的稳定性。坡面设置混凝土封顶，减小渗透压力，从而避免因坡面渗流影响坡面稳定性。同时为了减少坡面浅层滑移，在坡面铺设空心六棱框格，并种植草皮保护坡面，进一步提高坡面稳定性。4结论及建议渠道坡面发生滑动破坏后，不能盲目处理，应尽早完成现场的保护和测绘工作，并委托专业单位及专家进行现场查勘，研究处理方案。严格按照设计方案或处理方案进行除险加固处理，避免由于采取的处理措施难以达到预期效果而贻误工程安全运行。渠道坡面滑坡或滑塌的形成是多种因素共同作用的结果，研究渠道坡面失稳机制是制定滑坡或滑塌治理方案的前提。研究和分析坡面滑坡或滑塌原因时应充分考虑主要因素和相关因素，现场查清坡面滑动带范围、查明滑坡原因，并进行复核计算。查明渠道边坡滑坡原因才能制定合理的处理方案。工程实践证明，结合现场实际情况，全面细致制定处理方案才能经济而有效进行滑坡治理。申粤.南水北调中线某段渠道边坡滑坡成因分析及防治对策第4期119对于不同的滑坡类型，应采取不同的处理措施，一般的浅层和原因明确的坡面滑坡，可以根据现场实际情况简化地质勘探和设计程序，按照相应规定进行恢复。对于地质条件复杂或未进行地质勘察的深层滑坡，应进行地质勘探，并委托专业单位现场查勘，采用相关计算软件复核计算，在查清滑动带范围和分析滑动原因的基础上，制定技术可行、经济合理的治理方案。渠道坡面失稳的原因不同，需要采取不同的处置方案。对于渠道坡面或坡脚失稳造成的滑坡开裂，采取单一处理措施并不能达到预期效果，要采取多种处理措施才可以保证渠道边坡安全。如对于渠道坡脚失稳，除重点提高坡脚支撑土层的强度、置换渠道坡面扰动土层等措施外，还需要采取排水、桩基、截渗、坡面护砌等辅助措施。参考文献：1 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