王志兵，房文娟，楊振琨

(1.湖北省漳河土木工程設(shè)計(jì)院，湖北 荊門(mén) 448000；2.荊門(mén)市東寶區(qū)水務(wù)局，湖北 荊門(mén) 448000；3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

漳河灌區(qū)是一項(xiàng)跨流域引水灌溉的大型工程，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積17.368萬(wàn)hm2。灌區(qū)渠系工程包括總干、干、支干、分干、支、分、斗、農(nóng)、毛渠等9級(jí)渠道，共13990條，總長(zhǎng)7167.56km。其中三干渠自總干渠尾端取水，全長(zhǎng)75.72km，設(shè)計(jì)流量91m3/s，實(shí)際流量達(dá)到60m3/s，灌溉荊門(mén)9.01萬(wàn)hm2的農(nóng)田。渠道底寬6～14m，邊坡1∶2，進(jìn)口渠底高程108.39m，尾水閘底高程38.5m。三干渠渠道上膨脹土分布較多，膨脹土中礦物成分主要是蒙脫石，為一種高塑性粘土，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定[1]。由于膨脹土常使渠道邊坡產(chǎn)生不均勻的豎向或水平脹縮變形，造成位移、開(kāi)裂、傾斜甚至破壞，且往往成群出現(xiàn)，危害性很大[2]。三干渠7+000～7+340段左岸渠坡在2015年5月一次大暴雨后發(fā)生了滑坡，該段渠道為挖方渠道，渠底高5.4m，經(jīng)過(guò)測(cè)量與勘察，渠道橫斷面圖及滑動(dòng)面如圖1所示。

圖1 渠道橫斷面

2 膨脹土渠道滑坡體處理方案

2.1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

在滑坡現(xiàn)場(chǎng)取原狀土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，三干渠7+000～7+340左岸渠坡的自由膨脹率為65%，具有中等膨脹性，其超固結(jié)比(先期固結(jié)壓力與現(xiàn)存上覆壓力之比)大于1，具有超固結(jié)性。天然含水量26.89%，濕密度1.94g/cm3，干密度1.54g/cm3，孔隙比0.810，凝聚力(快)5.3kPa，摩擦角(快)10.0°，壓縮系數(shù)0.15MPa-1，壓縮模量12.0MPa。計(jì)算時(shí)，不計(jì)凝聚力。

2.2 土工格柵主要指標(biāo)性能

選用TGDG8160型土工格柵，為HDPE材質(zhì)[3]。土工柵格與土體拉拔摩擦系數(shù)由于沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)GBT50600-2010、SL18-2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》取0.8tanφ，綜合強(qiáng)度折減系數(shù)采用3.5。TGDG8160型土工格柵的主要指標(biāo)見(jiàn)表1。

與土工織物相比，土工格柵的拉伸強(qiáng)度及與土體的抗拔摩擦系數(shù)均較大，對(duì)土體的加筋效果更好[4]。

2.3 滑坡體加筋設(shè)計(jì)

采用土工格柵加筋回填土邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將原滑坡體挖除后，邊回填原土，邊鋪設(shè)土工格柵，土工格柵長(zhǎng)6～8m，垂直間距0.5m。上下層土工格柵搭接長(zhǎng)度0.8m，從坡底到坡頂依次鋪設(shè)，同層土工格柵間采用細(xì)鉛絲拴接，每層土工格柵均為滿鋪[5]。鋪好土工格柵，回填土碾壓密實(shí)后，在邊坡上采用10cm厚C15砼護(hù)坡，設(shè)10cm厚砂石墊層，并做好碎石導(dǎo)滲溝與排水管[6]。

表1 TGDG8160型土工格柵主要指標(biāo)

3 加筋邊坡穩(wěn)定計(jì)算

3.1 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

三干渠7+000～7+340段渠堤為3級(jí)建筑物，該處渠堤雨后發(fā)生滑坡，為非常運(yùn)用工況。根據(jù)GBT50600-2010、SL18-2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》要求，允許值Fsr=1.1。按瑞典條分法核算其安全系數(shù)，即:

(1)

式中，Wi—第i土條重量；θi—第i土條底弧的仰角；Δli—第i土條底弧長(zhǎng)；R—滑動(dòng)圓弧半徑；yi—第i層加筋材料至滑弧圓心的距離；φ、c—邊坡填土的內(nèi)摩擦角和凝聚力；Tai—第i層筋材的允許抗拉強(qiáng)度，取土工格柵5%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉伸強(qiáng)度90(kN/m)/3.5=25.71(kN/m)；n、m—土條數(shù)和加筋層數(shù)。

計(jì)算時(shí)選取最危險(xiǎn)滑動(dòng)面為滑坡滑弧，分項(xiàng)計(jì)算成果，如圖2所示，見(jiàn)表2、3。

對(duì)三干渠7+000～7+340段渠道膨脹土滑坡體加筋后，其穩(wěn)定安全系數(shù)Fs=(681.62+1974.86)/816=3.26>1.1，滿足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)筋材層數(shù)與層間距的布置合理，安全穩(wěn)定性高。

圖2 加筋邊坡穩(wěn)定性核算

表2 土條滑動(dòng)力矩與阻滑力矩計(jì)算成果

表3 筋材拉力矩計(jì)算成果

3.2 內(nèi)部穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.2.1 筋材強(qiáng)度驗(yàn)算

每層筋材均進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，第i層單位墻長(zhǎng)筋材承受的水平拉力Ti驗(yàn)算，即[7]：

Ti=[(σvi+∑Δσvi)Ki+Δσhi]Svi/Ar

(2)

式中，σvi—驗(yàn)算層筋材所受土的垂直自重壓力，kPa；∑Δσvi—驗(yàn)算層筋材所受土的垂直自重壓力，KPa；Δσhi—驗(yàn)算層筋材所受土的垂直自重壓力，kPa；Ar—筋材面積覆蓋率；Svi—筋材垂直間距，m；Ki—土壓力系數(shù)。

表4 每層筋材強(qiáng)度驗(yàn)算

通過(guò)計(jì)算，每層筋材的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 筋材抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算

第i層筋材抗拔力Tpi應(yīng)根據(jù)填土破裂面以外筋材的有效長(zhǎng)度Lei與周?chē)馏w產(chǎn)生的摩擦力計(jì)算，即：

Tpi=2σviBLeif

(3)

式中，f—筋材與土的摩擦系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取0.8tanφ=0.14；Lei—筋材有效長(zhǎng)度，即破裂面以外筋材長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度最小不得小于1m；B—筋材寬度，m，筋材滿堂鋪時(shí)，B=1。

筋材抗拔穩(wěn)定性的安全系數(shù)，按規(guī)范規(guī)定Fs不應(yīng)小于1.5，取Fs=2，每層筋材有效長(zhǎng)度，計(jì)算成果見(jiàn)表5。

表5 每層筋材有效長(zhǎng)度計(jì)算成果

從表5計(jì)算成果，設(shè)計(jì)筋材有效長(zhǎng)度按不小于3m計(jì)算，則三干渠7+000～7+340段滑坡處理的具體設(shè)計(jì)橫斷面，如圖3所示。

圖3 三干渠7+000～7+340段左岸滑坡處理設(shè)計(jì)橫斷面

4 方案對(duì)比

為驗(yàn)證土工格柵加筋回填土邊坡處理可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，采用仰斜式擋土墻支護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比分析。仰斜式擋土墻墻高3.8m，頂寬1.0m，迎水面邊坡系數(shù)1∶2.5，背水面邊坡系數(shù)1∶2，墻趾寬1.0m，基礎(chǔ)埋深1.5m，擋土墻采用M7.5漿砌石砌筑，每12m分縫，縫中填充聚乙烯閉孔泡沫板，距渠底以上0.5m設(shè)φ80PVC排水管，排水孔縱向間距3m。

7+000～7+340左岸加筋土坡方案的主要工程量為：土方開(kāi)挖151.79m3，土方填筑148.74m3，土工格柵15766m2，C20砼護(hù)坡327.42m3，C20砼腳槽38.52m3，C20砼壓頂16.05m3，總造價(jià)為64.85萬(wàn)元。

仰斜式擋土墻的主要工程量為：土方開(kāi)挖4327m3，M7.5漿砌石5203.41m3，聚乙烯閉孔泡沫板421.46m3，φ80PVC排水管738.3m，總造價(jià)為199.2萬(wàn)元，約是土工格柵方案造價(jià)的3倍。

已建總干渠渠首段滑坡全部采用加筋土坡處理，且邊坡已運(yùn)行12a，現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定，運(yùn)行良好。而其他渠段的仰斜式擋土墻，均發(fā)現(xiàn)有不同程度裂縫，排水管堵塞，甚至局部垮塌。探勘分析結(jié)果表明膨脹土濕脹作用的發(fā)展比原滑坡治理時(shí)更加顯著，仰斜式擋土墻已不能滿足穩(wěn)定要求。

另外，加筋土坡可采用原膨脹土進(jìn)行回填，而擋土墻墻背必須換填非膨脹土，但三干渠沿線膨脹土分布廣泛，非膨脹土料場(chǎng)非常少。采用加筋土坡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，回填土料非常豐富且經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)論

采用擋土墻處理膨脹土地區(qū)渠道滑坡，往往不能滿足邊坡長(zhǎng)期穩(wěn)定要求，而土工格柵對(duì)邊坡的加筋效果十分明顯，在膨脹土地區(qū)應(yīng)用具有明顯的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。漳河灌區(qū)三干渠7+000～7+340段渠道采用土工格柵處理滑坡后，于2016年初完工通水，并經(jīng)受了2016年湖北省“7·19”特大暴雨的考驗(yàn)。目前，該段渠道運(yùn)行良好，岸坡穩(wěn)定。