南水北调中线膨胀土开挖边坡破坏特点与机制

南水北调中线膨胀土开挖边坡破坏特点与机制

王 小 波1，蔡 耀 军1，2，李 亮1，白 咸 勇3，来 光4

【摘 要】摘要：南水北调中线工程沿线分布有近387 km长的膨胀土(岩)，渠道边坡开挖施工期内共出现百余处大小不一的滑坡。针对施工期膨胀土开挖边坡稳定性差异，从时空分布、气候环境、地质条件、岩土结构以及膨胀性等级多个方面，分析总结了渠道边坡的破坏特点和形成机制。研究表明，渠道开挖过程中滑坡发生频度主要受控于岩性、膨胀性、结构面、岩土体结构及气候环境等因素，且土体结构和气候环境是造成施工期边坡稳定性差异的主要因素，而长大结构面的发育程度则直接影响和控制着滑坡形成的规模及数量。 【期刊名称】人民长江 【年(卷),期】2015(000)001 【总页数】4

【关键词】关 键 词：膨胀土； 渠道边坡； 破坏特点； 形成机制； 南水北调中线工程

南水北调中线工程长达386.8 km的膨胀土(岩)段主要分布在河南陶岔-北汝河、辉县-新乡、河北邯郸-邢台。其中陶岔-沙河南分布160.7 km(强、中、弱膨胀岩土长度分别为4.5，46.1，110.1 km)，沙河-黄河南分布67.9 km(强、中、弱膨胀岩土分别为1.2，17.8，48.9 km)，黄河北-漳河南分布83.8 km(强、中、弱膨胀岩土分别为0.53，3.04，80.3 km)，河北境内分布74.6 km(强、中、弱膨胀岩土分别为4.5，30.2，39.9 km)[1-3]。自工程开工建设以来，沿线开挖的膨胀岩土边坡不同程度地发生了一些变形滑动现象，但各地滑坡的频度、规模、形式及机制等存在明显差异，其中南阳境内滑坡数量最多，达到100个

左右；沙河～黄河南段滑坡较少，且基本集中在禹长段；黄河北～漳河南段膨胀岩土滑坡较少，只有新乡潞王坟段出现几处浅表型膨胀岩变形破坏，安阳段发生多起换填层滑坡；河北境内膨胀岩土滑坡集中在磁县段，总数在10个左右。弄清沿线不同地段滑坡发育特征呈现的巨大差别及发生机理(见表1)，对于评估膨胀岩土处理措施的针对性、有效性十分重要。

1 不同地段膨胀土滑坡发育特点

1.1 陶岔-沙河南段

陶岔-沙河南段是全线滑坡发育密度最大的地段，其中又以淅川2标、3标，南阳2标、3标最为集中。该段滑坡有如下几个显著特点。

(1) 滑坡全部位于第四系膨胀土中，新近系膨胀岩没有滑坡出现。

(2) 超过90%的滑坡属于结构面控制型滑坡，不到10%的滑坡属于浅表型胀缩变形滑坡。

该类滑坡底滑面多受长大裂隙控制，滑面近水平状(见图1)，前缘局部甚至反倾坡内[3]，一般滑坡规模较大，单个体积可达上万立方米。

(3) 约一半左右的滑坡底界面迁就于岩土体中已有的岩性界面，包括弱膨胀土/中膨胀土界面、弱膨胀土/强膨胀土界面、中膨胀土/强膨胀岩界面。该渠段土体膨胀性总体上呈现随深度增加而增强的趋势，在垂直方向上随机分布有中、强膨胀土夹层，夹层厚1～2 m，产状近于水平，且在渠道开挖后常发展成为滑坡底滑面。这类滑坡规模相对较大，单个体积超过1万m3的滑坡均属于这类。

(4) 另有一半左右的滑坡底界面迁就土体中的裂隙，单条裂隙长度一般一两米至十余米，滑面通常由多条裂隙贯通而成，因此底滑面往往有一定起伏。这类滑

坡受制于裂隙发育密度，一般局限在中膨胀土或中偏强膨胀土中。在陶岔-沙河南段，土体裂隙发育密度总体上与土体膨胀性呈正相关，但同一时代、相同膨胀潜势的土体裂隙发育密度也存在一定差异。一是伴随钙质结核数量的增加，特别是结核数量超过20%(体积)或超过15个/m2时，长大裂隙明显减少；二是微地貌对裂隙密度和产状也有一定影响。

(5) 新近系黏土岩中裂隙发育，大部分为中、陡倾角，缓倾角裂隙发育较少，层面型软弱夹层不发育。施工期内没有出现典型的滑坡，中、强膨胀岩段多以块体性失稳或局部因浸水而产生的坍塌型破坏为主。

(6) 为研究力学强度对渠坡滑坡的影响，对沿线不同膨胀土(岩)的强度进行了综合统计分析，见表2。

现场快剪表明，膨胀土体裂隙面结构强度一般为10 kPa左右，φ值在5°～10°，裂隙强度与土体残余强度相当，其发育程度及连通率直接影响渠坡稳定性。 1.2 沙河-黄河南段

该段岩性以黏土岩为主，少量泥灰岩。除了地表局部分布残坡积膨胀土外，没有连续稳定的膨胀土[6]。黏土岩膨胀性总体较强，多为中强膨胀岩，由于软弱结构面的发育，开挖后不久左岸即出现多处浅层滑坡，如图2所示，该类滑坡总体规模较小，主要受结构面和地下水影响，其发育特征如下。

(1) 滑坡集中分布在禹长段中-强膨胀岩地段，表明膨胀性为基本控制因素。 (2) 滑坡仅发生在具有中-强膨胀性，且有缓倾角结构面分布的地段，缓倾角结构面对滑坡的控制作用明显。

(3) 滑坡受缓倾角裂隙或层面控制特征明显，剖面形态具有折线特点，与南阳盆地常见的膨胀土滑坡形态相似，后缘拉裂面倾角70°～90°，底滑面0°～10°。