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高等土力学
研究生结课论文
姓名
性质国家统招（√）单考（）
工程硕士（）同等学力（）
科目高等土力学
成绩
1灌溉渠道边坡滑动分析及加固治理措施研究
1.1问题的提出
渠道是灌区水利工程的重要组成部分，渠道边坡滑动是渠道工程危害大也是最常见的水毁形式，直接影响到渠道的正常输水和灌溉效益的充分发挥。
目前,边坡稳定性研究主要集中在高土石坝、交通道路高边坡、水电站边坡等。
本文根据石山口灌区的地质情况，结合历年来渠道滑坡治理工程的实施情况，对石山口灌区渠道边坡滑动的典型渠段进行分析，并提出相应的加固治理措施。
1.2石山口灌区渠道边坡地貌特征及滑坡类型
石山口灌区渠道地貌上属起伏不平的丘岗、岗间冲沟以及平原阶地，出露于地表的第四系松散沉积物，丘岗上均为第四系上更新统（Q3）粉质粘土、粘土，密硬；冲沟带及平原阶地则为第四系全新统（Q4）粉质粘土。
大部分渠道为顺岗边半挖半填，但有些地带则采用高填土或深开挖切岗通过。
灌区渠道边坡滑动多发生在顺岗边坡、深切岗段渠道内坡以及高填方渠道外坡，经地质勘察，根据滑动土体的厚度可分为浅层滑坡（滑动面埋藏深度5m以内）、中层滑坡（滑动面埋藏深度5m至20m）；根据力学性质可分为推动式滑坡（由上至下，上部土体失稳，推动下部土体滑动）、牵引式滑坡（由下至上，下部土体失稳，带动动上部土体滑动）。
1.3渠道边坡滑动分析及加固治理措施
石山口灌区渠道顺岗边坡、深切岗段渠道边坡滑动较为普遍，由于中层滑坡危害较大，具有代表性，因此本次选取南干渠清水塘（18+735～18+905）滑坡段进行分析。
1.3.1滑坡段工程概况
南干渠清水塘（18+735～18+905）右岸滑坡段位于石山口灌区南干渠清水塘电灌站（位于渠道左岸）附近的深开挖切岗段上，滑坡段长170m，曾采取过多种治理方法，诸如挡土墙、抗滑桩等。
目前渠道右岸挡土墙损毁严重，其中：
桩号18+739～18+767之间挡土墙已垮塌；桩号18+795～18+850之间采用挡土墙与抗滑桩防护，桩径为0.7m，桩与桩之间距1.5～2.0m，原为直立，现状抗滑桩出现不同程度的倾斜，倾角15°～35°，现场观察，抗滑桩绝大部分已断裂破坏；桩号18+875～18+902之间挡土墙裂隙较大，部分砌石脱落，随时都有垮塌的可能。
勘察情况表明：
清水塘滑坡体积大，滑动面埋藏深度最大达6m（详见清水塘滑坡图5-2～5-4），为中层滑坡，右岸从一级平台渠顶到路边及岗丘上，均有顺渠延伸的长达百米的裂缝，裂缝宽度最大时达200mm以上，为防止雨水渗入，管理单位多次进行了临时处理，封闭裂缝；渠道左岸边坡因修建电灌站卸坡，边坡稳定性较好。
清水塘滑坡段范围较大，虽曾采取了多种处理方法，但效果不佳，严重影响其向下游四、五、六、七等四条支渠的正常输水。
此外，电灌站位于渠道右岸的出水池受边坡滑动的影响，现已垮塌，输水管断裂，不能向右岸供水；位于渠道左岸的出水池和输水管在供水期间漏水严重，水流顺坡而下，影响边坡稳定。
表1-1南干渠清水塘（18+735~18+905）水力要素表
Table1-1SouthMainCanalqingshuitang（18+735~18+905）Hydraulicelementstable
桩号
长度（m）
纵比
设计
流量
（m3/s）
设计底宽
（m）
设计水深（m）
边坡
系数
堤宽（m）
左
右
18+735～18+905
170
1/10000
15.0
7.0
2.32
1.5
4.0
3.0
1.3.2工程地质及滑坡成因分析
一、工程地质
南干渠清水塘滑坡段为深开挖切岗段，工程位置见图1-1，坡顶与渠底高差在10～20m之间，坡度陡，左边坡度为23～25度之间，右边坡度为27～30度之间。
地层岩性较单一，主要为第四系上更新统（Q3）低液限粘土，黄色～棕色，但在一级平台与渠底间存在膨胀土层，取原状土样分析，自由膨胀率达51%，详见土工试验表。
二、滑坡成因分析
1、由于该渠段原为岗地，开挖渠道后破坏了岸坡地层的自然平衡，高差较大，且开挖边坡陡，存在膨胀土层。
2、坡顶未设排水设施（如排水沟、坡水入渠等），雨水大量渗入，导致土层软化，土体含水饱和，降低土体的抗剪强度和粘聚力。
3、原有挡土墙高度较低，渠底以上高度在1.5～1.8m之间，虽然桩号18+795～18+850之间采用抗滑桩进行加强防护，但是暴雨及灌溉期间，渠道中的水将墙体淹没，加之膨胀土层的影响，导致挡土墙抗滑、抗倾能力不足，现状渠道右岸挡土墙受损，断裂、前移，抗滑桩倾斜、断裂，已不能起到应有的挡土作用。
图1-1Fig1-1
图1-2Fig1-2
图1-3Fig1-3
图1-4Fig1-4
表1-2土工试验成果表
Table1-2Soiltestresults
土号
含水量
密
度
干
密
度
比
重
孔隙比
饱和度
液
限
塑
限
塑性指数
液性指数
压
缩
系
数
压
缩
模
量
直剪（快剪）
土粒组成
岩土名称
粘聚力
内摩擦角
＞0.05mm﹪
0.05～0.005mm﹪
0.005～0.002mm﹪
＜0.002mm﹪
ω
ρ
ρd
Gs
e
Sr
ωL
ωP
IP
IL
α1-2
Es1-2
c
φ
%
g/cm3
g/cm3
—
—
%
%
%
—
—
Mpa-1
Mpa
Kpa
°
黄
23.7
2.02
1.63
2.75
0.684
95.3
38.2
23.1
15.1
0.04
0.071
23.81
50
22.5
3.4
57.4
39.1
30.6
粘土
棕
21.3
2.02
1.67
2.74
0.645
90.5
31.5
19.8
11.7
0.13
0.047
33.90
27
23.3
6.1
58.6
35.3
25.0
粘土
表1-3膨胀土
Table1-3Expansivesoil
自由膨胀率
无载荷膨胀量
有载荷膨胀量
膨胀力
线缩率（竖向）
线缩率（横向）
缩线
收缩指数
膨胀性指标
活动性指标
压实指标
吸水指标
Fs％
VH％
VHP％
PρMPa
esc
esc
Ws％
Is
Ke
KA
Kd
Kl
黄
51
0.35
-1.7
0.15
2.6
3.7
19.0
19.2
0.23
0.49
0.96
0.55
棕
24
0.13
-1.4
0.07
1.5
2.6
15.9
15.6
0.14
0.47
0.76
0.45
1.3.4工程加固治理措施分析
根据现场察看及地质勘探情况，现有渠道右岸挡土墙及抗滑桩存在明显的变形和破坏，右岸从一级平台渠顶到路边及岗丘上，均有顺渠延伸的长达百米的裂缝，边坡不稳定，随时存在整体滑动的危险，必须尽快对其实施工程加固治理措施。
渠道滑坡的处理，常用的方法有排水导渗、削坡减载、支挡、暗涵（或埋管）、渡槽等。
1）排水导渗
排去地表水，疏干地下水是整治滑坡的首要措施，应根据不同情况采用不同的排水方法。
①地表排水：
对滑坡体以外的地表水应以拦截旁引为主，要注意截水沟的深度和质量，力求做到滑坡体外的水不再渗入滑坡体内。
对滑坡范围以内的地表水，应以防止下渗和引出为准。
首先要把滑坡体内的多种裂缝回填夯实，防止地表水继续下渗，然后利用滑坡范围内的自然排水沟或新建的排水沟，把地表水迅速汇集排出滑坡体外。
②地下导渗：
为了防止滑坡范围以外的地下水渗入滑坡体内，常用设置截水盲沟，将地下水导出滑坡体外。
对滑坡外的排水，可以在坡面砌筑多种形式的导渗沟，或采用干砌石护坡，水泥砂浆勾缝，底层设导滤层或排水管。
2）削坡减载
减小引起滑坡的滑动力，是最基本的也是最有效的办法。
一般采用削缓边坡，当渠道外滑坡时，还可将上部削下土体反压在坡脚，从而达到稳定的滑坡的目的。
当削坡减压后仍不能达到稳定滑坡的同时，常采用减压与支挡相结合的处理措施。
3）支挡
在渠道已经塌方或将要塌方的地段，如受地形限制，单纯采用削坡方量很大的，则可根据具体条件，因地制宜采用多种支挡护坡措施，如加固坡脚砌挡土墙、抗滑桩、锚固、干砌护坡等。
对渠道上侧滑坡可采用削坡减载加重力式挡墙支挡的办法处理。
另外当渠床为基岩时，可采用拱式或连拱式挡墙处理滑坡。
4）暗涵（或埋管）
当地质条件差，山坡又陡峻，或渠段穿过覆盖很厚土质层，岸坡难于稳定而出现严重滑坡时，可考虑将原有明渠段改为暗涵或埋管形式较为安全可靠，同时可减少工程量。
5）渡槽
山区渠道常在陡峻的山坡上开渠，往往容易产生山岩崩塌。
因限于地形条件，要维护渠道稳定十分困难，有时采取改建渡槽输水。
鉴于渡槽在地形上不适用于清水塘滑坡段，因此不采用。
针对清水塘滑坡段现状以及地形地貌，在本次设计时拟定两种方案进行比较。
A方案：
考虑到原有工程处理措施较单一，为挡土墙加固坡脚，局部设抗滑桩，并不能解决边坡滑动的问题，反而挡土墙和抗滑桩出现了变形和破坏。
如单独采用排水导渗、削坡减载或者支挡，仍然不能解决边坡滑动的问题，因此综合采用排水导渗、削坡减载及支挡相结合的方式。
B方案：
采用暗涵（或埋管），由于该段渠道流量较大（15m3/s），采用埋管不合适，当地预制圆管直径最大为2m，过流能力有限；如现场制作，成本过高，施工工期长，工艺要求较复杂，因此选用封闭拱涵。
方案比较如下:
A方案：
综合采用排水导渗、削坡减载及挡土墙固脚
适用于深层滑坡处理，需要将滑动面以上的土体卸载，工程开挖回填量大，挖压占地较多；但是工程投资低，结构简单，施工方便，并且可以利用现有挡土墙（未垮塌的），对电灌站没有影响。
方案设计如下：
1）削坡减载设计
对渠道右岸已滑动的土体进行开挖，考虑到一级平台与渠底间存在膨胀土层，开挖深度要求达到滑动面0.5m以下；由于原有坡度陡，本次设计按1：
2.5的坡度整修边坡，回填土不能采用开挖的膨胀土层，回填土应分层夯实，要求设计压实度达到0.92以上。
设计断面形式为：
渠道底宽7.0m，重建挡土墙高度为2.8m，从挡土墙顶部开始设平台，平台之间高差为4.0m；渠道右岸挡土墙顶部平台宽6.0m，其余平台宽4.0m，平台以上边坡1:
2.5；挡土墙以上边坡采用草皮护坡。
2）排水导渗设计
沿渠道右岸设横向排水沟3处，采用矩形断面，沟深0.3m，底宽0.3m，桩号分别为18+735、18+820、18+905，沿平台与边坡的交界处设纵向排水沟3处，每处长300m，与坡水入渠相连接；坡水入渠设在两侧，采用矩形断面，槽深0.3m，底宽0.4m，桩号分别为18+735、18+905。
3）挡土墙护坡固脚设计
考虑到原有挡土墙高度不足，挡土墙和抗滑桩出现了变形和破坏，对渠道右岸挡土墙及抗滑桩进行拆除，重建挡土墙高度为2.8m，渠底以上高度为2.6m。
挡土墙护坡固脚形式为：
墙高（底板以上高度）2.8m，顶宽0.6m，墙面垂直，墙背坡度为1:
0.6，趾深0.8m；沿渠道方向每15m设一道变形沉降缝，用二毡三油嵌填；距渠底0.5m起设二排φ75UPVC排水孔，交错分布，水平孔距为2.0m，垂直孔距为1.0m，排水孔进口周围设反滤；挡土墙顶部平台宽6.0m，平台以上形式见削坡减载设计。
图5-5挡土墙设计图
Fig5-5Retainingwalldesign
B方案：
封闭拱涵
常用于解决两岸边坡较高的深层滑坡，工程开挖量小，拱顶以上的填土可以形成耕地；但是工程回填量大，现有挡土墙需拆除，需重建电灌站取水口，与A方案比较，投资大，结构复杂，施工技术要求较高。
方案设计如下：
图5-6拱涵设计图
Fig5-6Archculvertdesign
拱涵采用单孔，净跨6.0m，洞身坡降为1/5000；拱顶采用C30砼预制拱，矢高1.75m，厚度为400mm；拱底为C20砼反拱底板，矢高0.75m，厚500mm；进出口采用8m长的扭曲面段及5m长的挡土墙段，扭曲面段接挡土墙段，挡土墙段接洞身，洞身两侧M7.5浆砌石边墩及进出口挡土墙均设排水孔，距渠底0.5m起设二排φ75UPVC排水孔，交错分布，水平孔距为2.0m，垂直孔距为1.0m；洞身分段设沉陷缝，间距为10m，缝间设二毡三油，拱顶以上回填土厚3.0m。
表5-4滑坡处理方案比较
Table5-4Landslidetreatmentschemecomparison
方案编号
处理措施
优点
缺点
A方案
采用排水导渗、削坡减载及挡土墙固脚
工程投资低，结构简单，施工方便，工期短，且因地制宜不影响渠道水流形态。
工程开挖回填量大，挖压占地较多。
B方案
封闭拱涵
工程开挖量小，处理滑坡效果较好，拱顶以上的填土可以形成耕地。
工程回填量大，现有两岸挡土墙需拆除，需重建电灌站取水口，投资大，结构复杂，施工工艺要求较高，工期长。
表5-5滑坡处理方案工程量及投资比较
Table5-5Landslidetreatmentschemeofengineeringquantityandinvestmentcomparison
方案编号
主要工程量
（m3）
主要工程
投资估算
（万元）
土方
开挖
土方
回填
M7.5
浆砌石
C30砼预制拱圈
C30砼拱座
C20砼拱底
砌体
拆除
A方案
38457
23746
1003.5
289.58
103.07
B方案
17845
19894
1302.3
560.58
165.69
722.5
895.45
175.68
通过比较可知，A方案在方案上可行，经济上合理，施工便利，工期短，且因地制宜，不影响渠道水流形态，虽然挖压占地较多，但是坡顶为岗地，不属于基本农田，管理单位已解决用地问题；B方案在方案上可行，经济上不合理，需重建电灌站取水口，施工复杂，工艺要求较高，工期长，影响渠道水流形态。
综上所述，选定采用A方案（综合采用排水导渗、削坡减载及挡土墙固脚）进行滑坡处理。
1.3.5工程治理后稳定性评价
清水塘滑坡段治理工程已列入《河南省石山口灌区续建配套与节水改造2007年度工程实施方案》进行实施，2008年竣工以来，已正常运行四年。
由于综合采用排水导渗、削坡减载及挡土墙固脚的治理方案，将坡顶的地表水通过排水沟及坡水入渠引入渠道，减小了地表水对土体的渗入，削坡减载的同时对膨胀土层进行了清理，减少边坡土对挡土墙的压力，运行期间通过了灌溉放水和大雨的考验。
目前边坡及挡土墙均稳定，未再发生滑坡现象，实践证明采取的治理措施是有效的。
现对治理后的挡土墙及边坡进行稳定性评价，取桩号18+825处渠道右岸边坡为计算断面，见下图。
图1-7Fig1-7
1.3.5.1挡土墙稳定性评价
一、计算方法与参数选取
根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288—99），清水塘滑坡段工程级别为4级，根据《水工挡土墙设计规范》（SL379－2007）[39]，土基上挡土墙抗滑稳定安全系数应不小于1.2，抗倾覆安全系数不应小于1.4。
计算公式如下：
1）土质地基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数
（1-1）
式中Kc──挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；
f──挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数；
ΣG──作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载（kN）；
ΣH──作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载（kN）。
2）挡土墙的抗倾覆稳定安全系数
（1-2）
式中K0──挡土墙抗倾覆稳定安全系数；
ΣMV──对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩（KN·m）；
ΣMH──对挡土墙基底前趾的倾覆力矩（KN·m）。
设计参数：
填土容重γ=18KN/m3，填土浮容重γ=10KN/m3，内摩擦角φ=22°，粘聚力с=27kPa，摩擦系数f=0.35。
二、计算工况及结果
计算工况：
完建无水和设计水位2种工况。
荷载组合原则：
按不同情况，将同时作用的各种荷载进行组合。
1）完建无水情况的荷载只有自重和土压力。
2）设计水位情况的荷载组合：
自重、水重、静水压力、扬压力、土压力，不考虑浪压力、泥砂压力和风压力。
计算结果如下：
表1-6完建无水情况计算成果表
Table1-6Anhydrousconditionsthecalculationresultstableisbuilt
编号
荷载名称
作用力（KN）
力臂
力矩（KN·m）
水平
垂直
抗倾覆
倾覆
+
-
+
-
+
-
1
墙后土压力
42.06
1.200
50.47
2
墙前土压力
3.25
0.333
1.08
3
土重1
16.92
2.040
34.52
4
2
28.57
2.020
57.70
5
3
20.70
2.730
56.51
6
自重1
40.32
0.800
32.26
7
2
38.09
1.560
59.42
8
3
54.29
1.490
80.89
合计
42.06
3.25
198.88
322.38
50.47
根据上表中数据求得
根据计算可知，该挡土墙抗滑及抗倾覆稳定安全系数在该工况下均满足《水工挡土墙设计规范》（SL379－2007）设计要求。
表1-7设计水位情况计算成果表
Table1-7Designwaterlevelcalculationresulttable
编号
荷载名称
作用力（KN）
力臂
力矩（KN·m）
水平
垂直
抗倾覆
倾覆
+
-
+
-
+
-
1
墙后水上土压力
0.25
0.093
0.02
2
墙后水下土压力
29.12
1.193
34.73
3
墙后水压力
55.11
1.107
60.99
4
墙前水下土压力
2.03
0.333
0.68
5
墙前水压力
55.11
1.107
60.99
6
水重
14.00
0.250
3.50
7
土重1
17.75
2.040
36.20
8
2
31.74
2.020
64.11
9
3
23.00
2.730
62.79
10
自重1
40.32
0.800
32.26
11
2
38.09
1.560
59.42
12
3
54.29
1.490
80.89
13
扬压力
98.94
1.490
147.41
合计
84.49
57.14
205.18
98.94
400.84
243.16
根据上表中数据求得
根据计算可知，该挡土墙抗滑及抗倾覆稳定安全系数在该工况下均满足《水工挡土墙设计规范》（SL379－2007）设计要求。
1.3.5.2边坡稳定性评价
根据《堤防工程设计规范》（GB50286—98）[40]，土质边坡采用圆弧滑动法计算，土堤的抗滑安全系数正常运用条件下应不小于1.15，非常运用条件下应不小于1.05。
土堤边坡稳定计算方法由于对土体抗剪强度计算方法的不同，分为总应力法和有效应力法。
一、总应力法
1）施工期（完建期）抗滑稳定安全系数可按下式计算
（1-3）
2）水位降落期抗滑稳定安全系数可按下式计算
（1-4）
（1-5）
二、有效应力法
抗滑稳定安全系数可按下式计算
（1-6）
式中b──条块宽度（m）；
W──条块重力（kN）；
W1──在堤坡外水位以上的条块重力（kN）；
W2──在堤坡外水位以下的条块重力（kN）；
Z──堤坡外水位高出条块底面中点的距离（m）；
u──稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力（kPa）；
ui──水位降落前堤身的孔隙压力（kPa）；
β──条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角（度）；
──水的容重（kN/m3）；
、
、
、
、
、
──土的抗剪强度指标粘聚力及内摩擦角（kN/m3，度）。
计算成果如下：
表1-8边坡稳定计算成果表
Table1-8Slopestabilitycalculationresulttable
运用条件
土体抗剪强度计算方法
土类
安全系数
数值比较
容许安全系数
完建期
总应力法
粘性土
1.68
大于
1.15
有效应力法
粘性土
1.96
大于
1.15
稳定渗流期
有效应力法
粘性土
1.31
大于
1.15
设计水位非常
降落期
总应力法
粘性土
1.38
大于
1.05
根据计算可知，治理后边坡抗滑稳定安全系数满足《堤防工程设计规范》（GB50286—98）设计要求。
在实际运用期间，该段渠道边坡及挡土墙均稳定，未再发生滑坡现象，说明治理措施是有效的。
1.4设计体会
渠道边坡由于是人工开挖或回填形成的边坡，并且在实际运行环境中一直存在水的作用，由此引起渠道边坡的失稳有其自身的特征。
结合石山口南干渠清水塘渠右岸边坡滑动治理工程，得出以下几点体会:
1）渠道滑坡是具有滑动条件的斜坡在多种因素综合作用下的结果，对石山口一特定滑坡总有一或两个因素对滑坡的发生起控制作用，称之为主控因子，在滑坡防治中应着力找出主控因子及其作用的机制和变化幅度，并采取主要工程措施消除或控制其作用以稳定滑坡，对其他因素则采取一般性措施达到综合性治理的目的。
在进行渠道边坡稳定性分析及加固治理措施研究之前，弄清滑坡区域的地质条件和滑坡的失稳机理是十分有必要的。
2）水是影响渠道边坡稳定性重要的因素，含水量增加时，土体抗剪强度降低，这是因为水分在较大土粒表面形成润滑剂，使摩擦阻力降低。
对细小的粘土粒，含水量增加时，结合水膜变厚，甚至增加自由水，则土粒之间的电分子力减弱，使
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