北部引嫩红旗干渠滑坡处理分析

刘瑛文

(黑龙江省水利工程建设质量与安全监督技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 工程概况

1.1 工程状况

红旗干渠为东城水库和红旗泡水库的引水干渠，自北引总干渠末端乌南段桩号113+472处起，到红旗水库进水闸止，全长39.43 km。现状渠底宽约12 m，水深1.90～2.40 m，纵向比降1/2500～1/10 000，现状过流能力为19 m3/s。由于比降较大，冲刷严重，渠道地处闭流洼地区，地势平坦，运行20多年来，为控制干渠两岸的冲刷，虽采取了跌水工程、加高堤体、弯道护坡等措施，但红旗干渠运行状况仍不理想，多处渠段出现塌坡和弯道冲刷。

1.2 地勘情况

红旗水库引水干渠现状堤体较密实，厚度0.30～2.80 m，岩性为高、低液限黏土。桩号0+000～24+000段渠道边坡及渠底岩性为低液限黏土，局部有小规模塌陷或崩塌；渠系建筑物附近均有长度不等的混凝土板或碎石护坡；桩号24+000～39+428段渠道边坡岩性为低液限黏土、粉土质细砂层，经常性水面线以上形成高约0.5 m的近于直立的陡坡，自然状态下边坡比较稳定，渠道岸坡过水部分在水流冲刷作用下局部有小规模的塌陷或崩塌；此段渠道转弯处在凹岸岸坡或渠系建筑物附近均有长度不等的混凝土板或碎石护坡[1]。

渠道位于松嫩平原低平原区，地势东高西低。渠道沿线地层主要为第四系全新统沼泽堆积层(fQ4)、第四系上更新统冲积层(alQ3)。主要岩性为高、低液限黏土，粉土质细砂。

地下水类型为第四系松散层微孔隙潜水或孔隙承压水。微孔隙潜水含水层岩性为高、低液限黏土，地下水化学类型主要为HCO3·SO4-Na、HCO3-Mg·Na、HCO3·Cl-Na·Mg。孔隙承压水含水层岩性为粉土质细砂，地下水化学类型以HCO3-Na、HCO3-Na·Mg为主。以大气降水、地表水入渗补给，蒸发排泄为主。

渠道开挖部位边坡岩性为高、低液限黏土，开挖边坡比建议值为高、低液限黏土1∶2，粉土质细砂1∶3。

渠道沿线有粉土质细砂、粉土质细砂分布，在动水压力作用下，有产生渗透变形的可能。建议允许水力比降J允≤0.25。

渠道91.1%的渠底土岩性为低液限黏土，渗透系数为9.1×10-7cm/s，属微透水层，渠道渗漏甚微，可忽略不计。位于渠道下游的8.9%渠底岩性为粉土质细砂，渠道易产生渗漏，渗漏量为Q=1296 m3/d。

区内有季节性冻土，最大冻结深度2.00 m。最大冻结深度内渠道土岩性为低液限黏土、粉土质细砂。部分地段的低液限黏土具有弱冻胀性或冻胀性，粉土质细砂具有冻胀性或强冻胀性，施工时应采取防护措施。

渠系建筑物沿线分布，并以上游偏多，均位于松嫩低平原区，地势平坦。钻探揭露地层为第四系上更新统冲积层(alQ3)，岩性主要为高、低液限黏土，粉土质细砂。

地下水类型为第四系松散层微孔隙潜水或孔隙承压水，地下水化学类型主要为HCO3·SO4-Na、HCO3-Na、HCO3-Ca·Mg。部分地段地下水对混凝土有结晶类硫酸盐型弱腐蚀。各建筑物区环境水对钢筋混凝土结构中钢筋无腐蚀、对钢结构有弱腐蚀性。

2 红旗干渠滑坡防护型式及坍塌原因分析

2.1 初步设计的防护型式

为提高渠道输水能力，保证工程安全，促进水资源的合理利用，对输水渠道进行护砌是必要的。渠道护砌遵循因地制宜、综合治理的原则，考虑弯道冲刷、渗漏段、分散土的保护和水库蓄水后回水影响等因素对渠道进行防护设计。

红旗干渠弯道共8处，总长度2.50 km，弯道处由于横向环流作用，断面过水部分在多年的水流冲刷作用下，造成渠道凹岸冲刷严重、凸岸淤积，堤坡局部有小规模的塌陷、崩塌及马道坍没，因此需对弯道进行护砌。

渠道桩号24+000～25+000、29+170～30+470、33+600～34+850段总长度3.55 km，渠底岩性为粉土质细砂，其渗透系数为1.0 m/d，属中等透水层，易产生渗漏，需对渗漏段进行防护。

干渠分散土主要分布在桩号0+500～1+500、2+340～4+918、5+668～7+260、8+300～10+565、17+786.5～18+800、19+850～23+000、30+686～34+800、35+853～38+910段，总长度18.77 km，占渠道总长的48%，需对分散土堤段进行保护。

东城水库、红旗水库蓄水后，红旗水库回水至桩号32+060(东城水库进水闸枢纽)处，东城水库回水至桩号9+900跌水处，渠道不具备退水条件，停止供水后，无法放空渠道，由于渠内常年有水，不具备检修时间，为防止风浪掏刷渠坡，保证工程安全，需对回水影响渠道进行防护。

根据红旗干渠渠道断面设计，结合对渠道弯道段、渗漏段、分散土段以及东城水库和红旗水库回水段的分析及处理，考虑上述四种因素条件影响，需护砌范围基本涵盖渠道全程，因此，红旗干渠采用全程全断面护砌。设计比较了混凝土板和干砌石两种护砌型式，经比较推荐混凝土板护砌型式。护砌高度为设计水位加0.5 m，护砌以上至渠顶设置草皮护坡；渠堤背水坡采用草皮护坡。设计渠底及非分散土段渠坡护砌下铺设无纺布，分散土段的渠坡最底层铺设复合土工膜。护砌采用预制混凝土板，规格为75 cm×50 cm×10 cm、混凝土强度等级为C20，抗冻等级为F200，抗渗等级为W6；下设5 cm砂砾石垫层及无纺布或复合土工膜一层。复合土工膜选用两布一膜，膜厚0.3 mm，无纺布规格采用400 g/m2。固脚采用素混凝土矩形结构，尺寸为0.4 m×0.6 m(宽×高)，混凝土采用C20F200；护坡上加矩形混凝土封顶，尺寸为30 cm×10 cm，混凝土采用C20F200。

2.2 施工图阶段的护砌结构型式

在施工阶段，红旗干渠护砌结构型式变更为桩号0+000～39+430格宾石笼固脚0.6 m×0.8 m(宽×高),固脚以上2 m护砌采用厚0.4 m格宾石笼，下设厚0.5 m砾石垫层及土工膜一层，钢筋混凝土枕梁0.3 m×0.4 m(宽×高)。渠底为厚0.12 m现浇混凝土板与厚0.17 m雷诺护垫，下设厚0.05 m砾石垫层及无纺布一层。

2.3 滑坡坍塌破坏原因分析

红旗干渠自2015年9月开始建设，根据供水需求，需要边建设、边通水、边投入使用，且只能在春秋两季施工，年内施工期较短。2015年底设计水面线以下部位护砌陆续完成，2016年4月末完成运行水位以下建设内容后通水运行。2017年底护砌工程全部完成。2016年9月发现红旗干渠渠堤内侧坡脚发生滑坡坍塌破坏，2016年9月末，停水之后，渠道内水位下降，红旗干渠局部位置出现滑坡，渠道堤坡出现整体滑动，属深层滑坡，影响渠道安全。经现场查勘发现，坍塌体发生在渠道左侧渠堤坡脚处，坍塌整体形态平面上呈“扇形”状，在堤坡处呈陡坎状出露，坍塌处呈直立状，直立高度约0.5～0.8 m，直立面基本平行于渠道轴线，坍塌体顶部渠坡常伴有不规则竖向裂隙。

2.3.1 地质条件原因

渠道位于松嫩平原低平原区，地势东高西低，地面高程149.02～160.31 m。地层主要为第四系全新统沼泽堆积层(fQ4)、第四系上更新统冲积层(alQ3)。岩性主要为低液限黏土、粉土质细砂等。地下水主要为第四系松散层微孔隙潜水及孔隙承压水两种类型。微孔隙潜水含水层岩性为低液限黏土，属微透水。勘察期间地下水埋深1.66～4.00 m，水位高程148.37～156.91 m。孔隙承压水含水层岩性为粉土质细砂，属弱透水。勘察期间地下水埋深1.73～3.45 m，水位高程147.33～148.42 m。地下水年变幅在2.00 m左右。

桩号0+500～1+500、2+340～4+918、5+668～7+260、8+300～10+565、17+786.5～18+800、19+850～23+000、30+686～34+800、35+853～38+910段堤体土具有分散性，分散土渠段长18.771 km，占渠道总长的47.6%，且断续分布。区内季节性冻土最大冻结深度2.00 m。冻结深度内低液限黏土、粉土质细砂具有冻胀性。

2.3.2 运行条件原因

分散土是指无需很大的机械外力，在低含盐量水中极易迅速分散的土壤，因此分散土具有极易被水冲蚀的特性，分散土遇到盐浓度低的水，土体表面土粒逐渐脱落，成为悬液，如遇流动的水，分散性的土粒即被带走。分散性黏土的分散是由土和水两方面的因素决定的，在盐浓度低的水中分散性黏土迅速分散，但在盐浓度高的水中可减少分散程度或不分散。由于分散土的特性决定，分散土堤坝极易造成雨水淋蚀破坏，形成孔洞、冲沟或垂直裂隙，并在上部土重和地下水的作用下使土体产生崩塌、滑动和堤坝的管涌破坏，对渠堤的安全构成严重威胁[2]。

经初步分析使该段渠体产生崩塌的水有两种，一是雨水，二是渠外水。这两种分水分别作用在不同部位，起着不同的作用，是造成渠坡坍塌的主要原因之一。

(1)雨水。大气降雨一部分形成的地表径流在自然状态下沿渠道边缘向河滩地漫散，一部分渗入地下补给地下水。根据勘察成果，渠道沿线地层为上更新统冲洪积层，属分散性黏土，因此防止表层土体裸露和地表径流的冲刷渗入是防止土体破坏的途径之一[3]。

(2)渠外水。渠道以降水入渗补给为主，受地形影响，地表径流迟缓。2013年洪水以及近两年降雨频繁，特别是2020夏季曾出现多次大的降雨，红旗干渠沿线地下水位明显升高，地表可见较大面积的积水池塘分布，经勘察发现，本地区均为低液限黏土，渗透系数均小于1×10-5cm/s，属微透水地层，在雨水和地表水作用下，土体处于饱和状态，且红旗干渠已通水运行，在超高渠外水位作用下对渠道内侧边坡形成较大的渗透压力，仅靠土体内本身的强度难以抵抗渗透压力造成的滑动力，极易产生滑动。

2.3.3 施工条件原因

2015年冬季坡面整形和渠底清淤作业后未能及时进行下一步处理，土体没有及时采取隔离保护措施，开挖后的土体长期暴露在空气中，使分散土在多次冻融循环作用下产生土体崩塌，在夏季降雨后雨水浸入，分散土体迅速分解，多方面因素导致土体抗剪强度降低，产生滑坡和坍塌，因此施工方法及方案也是造成滑坡的原因之一[4]。

3 加固处理方案分析

3.1 科研单位的加固处理方案设计比较

根据北引红旗干渠和总干渠乌南段所处的地理条件、工程地质条件，确定试验段的加固处理原则为：采用逆止式排水措施，有效地降低渠道边坡内的浸润线，降低土体含水率，削减渠坡土体冻胀量；采用散粒结构的保温措施防冻胀，减少冻深，削减渠坡土体冻胀量；采用换填措施降低边坡土体总冻胀量；采用逆止式排水措施、保温措施及换填措施相结合，有效的降低渠坡土体冻胀破坏程度。逆止式排水试验段布设排水管的钻孔实施：采用水钻进行改造，通过制做支架将其固定在坡面上形成作业面，同时根据排水管尺寸加工钻具、钻头，确定钻具尺寸为120 mm；考虑换填砂砾料的渗透性，不含砂，10 cm垫层用的砂砾料也不含砂，保温层砂砾料掺粗砂；珍珠岩按照《膨胀珍珠岩》JC/T 209—2012中规定的150#进行控制，粒径采用优等品，掺量3%(按质量百分数掺)；稻壳掺量按照3%(按质量百分数掺)；为了防止保温层填料被冲刷，在原设计方案基础上，采用保温层上覆土工布+10 cm砂砾料垫层找平。

3.1.1 处理方案一

处理方案一用于总干渠乌南段67+300,见图1。

(1)处理段长25 m，渠道边坡1∶3，渠道堤顶、渠道背水坡采用原有设计。

(2)渠坡处理部位为渠道运行水位至枕梁处的范围内进行开挖，将开挖的土体置换成40 cm厚的保温砂砾料，上覆土工布、砂砾垫层与C20混凝土预制板。

(3)保温层沿渠道走向设置为2种措施，即每12.5 m设置一种保温层材料，这2种保温层的设置分别为珍珠岩+砂砾料，稻壳+砂砾料。

(4)沿渠坡方向不同高程设置排水管，排水管的比降i=1%，仰角5°，长度3 m，排水管横向间距4 m，跳打。

(5)排水管纵向位置分别布置为距渠底1.0 m高，2.5 m高，4.0 m高，换填层内布置横向、纵向连接管，间隔8 m布置一个逆止阀，通过逆止阀将渠坡的水外排。

图1 处理方案一(单位:cm)

3.1.2 处理方案二

处理方案二用于总干渠乌南段67+300，见图2。

(1)处理段长25.0 m，渠道边坡1∶3，渠道堤顶、渠道背水坡采用原有设计。

(2)渠坡处理部位为渠道运行水位至枕梁处的范围内进行开挖，将开挖的土体置换成20 cm厚的保温层+50 cm厚的回填砂砾料，上覆土工布、砂砾石垫层及C20混凝土预制板。

(3)保温层沿渠道走向设置为2种措施，即每12.5 m设置一种保温层材料，这2种保温层的设置分别为珍珠岩+砂砾料，稻壳+砂砾料。

(4)沿渠坡方向不同高程设置排水管，排水管的比降i=1%，仰角5°，长度3.0 m，排水管横向间距4.0 m，跳打。

(5)排水管纵向位置分别布置为距渠底1.0 m高，2.5 m高，4.0 m高，换填层内布置横向、纵向连接管，间隔8.0 m布置一个逆止阀，通过逆止阀将渠坡的水外排。

3.1.3 处理方案三

处理方案三用于红旗干渠17+200，见图3。

(1)处理段长50.0 m，渠道边坡1∶3，渠道堤顶、渠道背水坡采用原有设计。

(2)渠坡处理部位为渠道运行水位至枕梁处的范围内进行开挖，将开挖的土体置换成20 cm厚的保温层+50 cm厚的回填砂砾料，上覆土工布、砂砾石垫层及C20混凝土预制板。

(3)保温层沿渠道走向设置为2种措施，即每25 m设置一种保温层材料，这2种保温层的设置分别为珍珠岩+砂砾料，稻壳+砂砾料。

3.1.4 处理方案四

处理方案四用于总干渠乌南段73+600，见图4。

(1)处理段长50.0 m，渠道边坡1∶3，渠道堤顶、渠道背水坡采用原有设计。

(2)渠坡处理部位为渠道运行水位至枕梁处的范围内进行开挖，将开挖的土体置换成40 cm厚的保温层，上覆土工布、砂砾石垫层及C20混凝土预制板。

(3)保温层沿渠道走向设置为2种措施，即每25 m设置一种保温层材料，这2种保温层的设置分别为珍珠岩+砂砾料，稻壳+砂砾料。

图2 处理方案二(单位:cm)

图3 处理方案三

图4 处理方案四

3.2 设计单位的加固处理方案设计比较

3.2.1 方案一：换填措施

对左堤滑坡破坏的土体挖除后重新按筑堤标准填筑非分散土料。换填方案即采用非分散土换填分散土，将分散土与外水隔离，使分散土含水量基本维持在自然状态下，隔断与外界环境的联系，使其产生分散性的外因减到最小，不致于对工程造成破坏，达到工程安全运行的目的，但由于红旗干渠附近地区无非分散性土料，扩大范围至北引总干渠乌南段118 km范围内也无非分散性土料，因此该方案需考虑超远距离运土，基本不可行[5]。

3.2.2 方案二：土工格栅措施

以土工合成材料做为补强材料加固地基。在将滑坡破坏的土体挖出后，对基础进行平整，在平整后的基础底面布设一层无纺布，无纺布端部铺折一段锚固，在其上铺设土工格栅(室)，回填砂砾石至基础建基面以上一定高度，平整碾压至建基面。土工格室是三维土工合成材料，能延缓或者切断地基破坏的滑动面，从而使地基承载力提高。土工格室能对处于格室内的土粒给予三维约束，使土粒与格室成为一个刚度远大于地基的整体。在加固的地基上，将挖除土体改性，然后用土工织物分层铺盖填筑碾压，并根据岩土工程性质与土工织物的物理力学参数确定土工织物的铺设长度与间距。掺入生石灰改变了土体的化学成分和结构，使其失去分散性，而加入筋材则是利用了土工布的抗拉强度，二者相结合达到工程安全运行的目的，此方案施工程序复杂，施工质量不能保证，投资较高[6]。

3.2.3 方案三：抛石加固措施

该方案与方案二都是采用加固地基，堤体采用加筋改性土的形式，与方案二不同的是该方案采用抛石挤淤的方式加固地基。由于红旗干渠通水期长，渠道无放空晾晒时间，基础和渠堤的土体含水量较大，所以要保证基础干燥施工很难，而抛石挤淤则是针对这种恶劣条件一种比较有效的方法，利用机器将块石挤压到淤泥层里，达到加固地基的目的，此方案相对方案二施工简单，投资较低。

综上分析，结合工程造价见表1，设计推荐方案三，即抛石加固措施为红旗干渠渠滑坡段处理措施[7]。

表1 处理措施方案投资比较

3.3 滑坡段处理措施

通过各种处理方案的比对分析，结合现场试验段实际效果，总结滑坡段破坏的各方面成因之后，从固基、土质及运行等方面确定对不同堤段分别采取以下处理措施。

3.3.1 基础加固措施

本次基础加固采用增强体为块石的复合基础，以提高基础稳定性。采用抛石挤淤的方法，对含水量高、孔隙比大、透水性弱、抗剪强度低的软土地基，利用振动碾压机器，加入块石，对块石进行振动碾压，淤泥质黏土由于受振动、挤压、扰动等原因，土的结构被破坏，当块石被挤入后，土粒重新调整，孔隙水通过块石排除，孔隙压力逐渐消散，使下卧层的淤泥质黏土的性质得到改善。通过块石的置换挤密作用，使块石充分挤填到软土中，形成块石地基层，以提高地基承载力，减少沉降，块石地基层的淤泥质黏土结构经重新调整，且块石本身具有良好的透水性，因此可加速地基固结，使淤泥质黏土的结构强度得到恢复及提高。

3.3.2 改性土措施

对左堤滑坡破坏的土体应挖除,改性后重新按筑堤标准填筑，改性土可考虑掺加石灰，石灰含量经试验确定一般为3%。改性方案改变了土体的化学成分和结构，使其失去分散性，达到工程安全运行的目的。

3.3.3 加筋土措施

加筋土又称柔性支护，利用柔性化学纤维织物将原地开挖出的土一层一层的包裹压实形成加筋土，使加筋土在一定范围内构成一个支撑体，由于用化学编织布包裹并分成较薄的土层，因而在加筋区内土体不会形成整体滑动的破裂面，加筋土起到两个作用，一是使土体不直接暴露在自然界中，使土体内含水量保持在比较稳定的状态下；二是加筋土体能有效阻控土体因水分变化引起分散和膨胀，从而使土体达到安全运行的目的。先挖除分散土崩塌坡体，然后用土工织物分层铺盖填筑碾压，并根据岩土工程性质与土工织物的物理力学参数，确定土工织物的铺设长度与间距，采用直线滑动楔形体破坏法计算，每层铺土厚度30 cm，平均加筋长度5 m，伸出滑动面长度1.5 m[8]。

具体型式为：由危险滑裂面宽度+1.5 m范围内采用加筋土，每层厚度为30 cm：由下而上分别为1层厚度为30 cm的砂砾石垫层、4层厚度为30 cm的加筋土、1层厚度为30 cm的砂砾石垫层、5层厚度为30 cm的加筋土。加筋土为改性黏土外包筋材土工布；砂砾石垫层外包筋材土工布，最外层采用一层无纺布包裹。渠道段采用格宾护坡，厚度为40 cm，下设厚度为5 cm的砂砾石垫层，最底层铺设一层400 g/m2的无纺布，固脚采用二层格宾固脚，单层尺寸为40 cm×80 cm×300 cm(高×宽×长)，具体型式详见图5。海漫段采用格宾护坡，厚度为50 cm，其余与渠道段相同，具体型式详见图6。

图5 红旗干渠滑坡渠道段处理标准断面(单位:cm)

图6 红旗干渠滑坡海漫段处理标准断面(单位:cm)

4 结 语

红旗干渠滑坡段的处理，渠道护砌采用抛石挤淤的方法和加筋土的方法解决了渠堤滑坡的隐患，满足渠道护砌结构稳定、运行安全的要求，保证了工程质量，为平原地区大型灌区渠道护砌工程提供了实践经验和科学依据。