傘形錨技術在鄂北工程膨脹土邊坡治理中的應用

張 楠，張 偉，萬 芊

（鄂北地區水資源配置工程建設與管理局（籌）,430071，武漢）

傘形錨技術在鄂北工程膨脹土邊坡治理中的應用

張 楠，張 偉，萬 芊

（鄂北地區水資源配置工程建設與管理局（籌）,430071，武漢）

以鄂北地區水資源配置工程中某膨脹土邊坡治理為研究對象，采用現場原位試驗、CT掃描及三軸壓縮試驗確定該邊坡的膨脹特性及數學物理參數，并利用數值模擬將膨脹土體強度和裂隙強度加入邊坡模型中進行穩定性分析，確定傘形錨排布方式及錨固深度。在采用傘形錨錨固技術對其治理后，通過對邊坡進行安全監測，驗證該技術是可行的，為后續膨脹土地段邊坡的治理提供了安全可靠、經濟合理的技術方案。

鄂北地區水資源配置工程；傘形錨；膨脹土；邊坡治理

鄂北地區水資源配置工程開工以來，先后在袁沖暗涵2標段出現了兩次滑坡。袁沖暗涵2標段1號滑坡（10+350～10+410，坡高約 25 m，坡比1∶1.5）在渠道開挖至接近渠底時，左、右岸均發生了滑坡。袁沖暗涵2標段2 號滑坡（10+620～10+680，坡高約 25 m，坡比 1∶1.5）在渠道開挖至渠底深度2天后出現滑坡失穩。

經現場勘查，該渠坡土為膨脹土?，F場地質探測發現該邊坡2級馬道以上為上更新統琚灣組黃褐色黏土，含較多褐色鐵錳氧化物及結核，1級馬道以下局部及2級馬道以下邊坡土層中含有較多灰白、灰綠色蒙脫石礦物及少量鈣質結核，呈團塊狀、網紋狀分布，其膨脹性比較強，裂隙發育，有多條順坡向較陡裂隙面。1號滑坡2級馬道以下存在兩組長大裂隙，2號滑坡一級馬道以下存在長大裂隙發育的地層，裂隙面強度低，渠坡的膨脹土特性和裂隙的存在直接導致邊坡失穩。

現將與1、2號滑坡臨近的袁沖暗涵2標10+710～10+800段作為試驗段進行穩定性分析和傘形錨加固試驗，為后續類似地質條件渠段暗涵的邊坡開挖、支護施工探索可靠方案，確保鄂北工程膨脹土高邊坡基坑土方開挖順利進行。

通過現場調研，在渠底、1級馬道、2級馬道和3級馬道分別取原狀方塊樣進行室內試驗。測試土樣的物理力學特性參數，詳見表1。其中渠底裂隙面（填充灰綠色黏土）強度采用三軸試驗獲得。

一、加固方案設計

1.穩定性分析

試驗段實施前，邊坡整體變形處于可控范圍，潛在滑面不可知。因此，本文是基于已有的1、2號滑坡的滑面條件驗證傘形錨加固后試驗段右岸邊坡的穩定性。

本文采用Geo-studio數值模擬軟件的Geo-slope模塊進行穩定性分析，圖1所示為存在1號滑坡滑面條件下試驗段邊坡的穩定性分析簡圖。由于邊坡尚未滑動，可以認為滑裂面并未貫穿，因而滑弧形態水平段取裂隙面強度，豎向段取土塊強度。

圖1 存在1號滑坡滑面條件下試驗段邊坡的穩定性分析簡圖

根據1、2號邊坡勘查資料，對原狀邊坡采用3排傘形錨錨桿加固，每延米錨固力50、60、75kN工況下進行穩定性分析。表2為存在1號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩定安全系數。由表2可知，試驗段傘形錨單錨抗拔設計極限承載力為120kN，對應安全系數為1.062，符合規范要求。根據《水利水電邊坡設計規范》（SL 386—2007） 中第 3.3節和3.4節規定，4級邊坡施工期采用極限平衡法計算的邊坡抗滑穩定最小安全系數為1.05～1.10。

圖2所示為存在2號滑坡滑面條件下試驗段邊坡的穩定性分析簡圖?；∷蕉稳×严睹鎻姸?，豎向段取土塊強度。分別對原狀邊坡、傘形錨每延米錨固力50、60、75kN工況下進行穩定性分析。表3為存在2號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩定安全系數。由表3可知，試驗段傘形錨單錨抗拔設計極限承載力為120kN，對應安全系數為1.051，符合規范要求。

圖2 存在1、2號滑坡滑面條件下試驗段邊坡的穩定性分析簡圖

由以上分析可知，在試驗段右岸邊坡存在1號和2號滑坡滑面的條件下，目前的3排傘形錨錨桿加固措施能保持邊坡的安全系數滿足規范規定的要求。

表1 袁沖暗涵段物理力學參數表

2.錨桿錨固深度

根據1、2號滑坡滑面勘察的成果，將試驗段邊坡右岸錨桿錨固深度分別設定為22 m、15 m和13 m，左岸1級馬道以下錨桿錨固深度為13 m。

3.加固設計實施方案

根據1、2號滑坡地質勘查結果和數值模擬計算結果，對傘形錨單錨抗拔承載力設計值和錨固深度進行設計，形成試驗段的加固設計實施方案如下：

針對左右岸邊坡分別布置1排和3排傘形錨，共185根。其中左岸在1級馬道以下3 m處布置1排傘形錨，右岸分別在3級邊坡、2級邊坡和1級邊坡以下3 m布置3排傘形錨，右岸3排錨桿的錨固深度分別為22 m、15 m和13 m，左岸1級馬道以下3m錨桿錨固深度為13 m，傘形錨間距均為2 m，如圖3所示。傘形錨抗拔承載力設計值取120kN，張拉鎖定荷載取80kN。同時，在渠道的左、右岸各布設了1個完整位移監測斷面，每個斷面布置3根測斜管，共布置了6根，用以分析邊坡位移變化。

二、傘形錨加固施工

1.施工內容

袁沖暗涵傘形錨加固膨脹土邊坡試驗段10+710～10+800共90 m，邊坡加固試驗段共4排傘形錨，分別位于左岸1級馬道下方3 m、右岸1級馬道下方3m、右岸1級馬道上方0.5m和右岸2級馬道上方0.5m，分別編號為 SZ1、SY1、SY2 和 SY3，對應傘形錨加固深度分別為13m、13m、15m和22m；每排傘形錨共46個，縱向間距2m。實際施工SZ1、SY1和SY3傘形錨個數均為46個，SY2傘形錨個數47個，共185個。

表2 存在1號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩定安全系數

表3 存在2號滑坡滑面條件下右岸邊坡傘形錨加固后穩定安全系數

2.施工關鍵控制要點

傘形錨施工主要包括預鉆孔、擊入錨頭、張拉鎖定及坡面封閉等工藝環節，其原理是通過將可張開的傘狀高強葉片埋入土體內部，張拉后依靠土體自身抗力為可能產生滑坡、崩岸的土堤提供所需錨固力，從而增加堤防穩定，其各個工藝環節的關鍵控制要點如下：

①預鉆孔。根據傘形錨錨桿錨固位置與方向，標記鉆孔位置，并嚴格控制鉆孔方向傾角與錨桿安設角度一致，在（40±2）°范圍內，控制孔徑 90 mm以內。

②錨頭擊入。根據傘形錨錨桿錨固位置與方向，在斜坡上架設施工專用導向支架，開啟動力裝置，通過激振器將傘形錨連接桿擊入土體內。安裝前檢查錨頭和連接桿，錨頭和連接桿采用專用工具連接，保證連接牢固。在擊入過程中，注意控制柴油機動力閥大小，應該由小到大逐漸進行，特別是剛開始帶有錨頭的錨桿應慢進入。

③傘形錨張拉及鎖定。在錨固點坡面上，開挖與錨固方向垂直的承壓坡面，開挖寬度為1 000 mm，安裝承壓板。安裝承壓板時應進行破面削整，力求錨桿張拉受力后與承壓板垂直；張拉方式采用多級循環加卸載，循環荷載按32 kN、48 kN、64 kN和80 kN進行，每級加載油壓穩定后方可卸載，直至穩定在80kN或以上時用卡瓦將連接桿鎖定，鎖定時應遵循保持各部位緊密接觸的原則；凡是張拉鎖定未達到設計要求的傘形錨，一律重新補孔張拉。

圖3 試驗段傘形錨及測斜管布置斷面圖

④加固完成后采用土工膜對坡面進行封閉，防止地表水浸入邊坡。

截至2016年9月5日，已完成袁沖暗涵傘形錨加固邊坡試驗段10+710～10+800左岸1級馬道下方3 m、右岸1級馬道下方3 m、右岸1級馬道上方0.5 m和右岸2級馬道上方0.5 m的4排共185個傘形錨加固的施工，安裝錨力計22個。

三、安全監測成果分析

1.測點布置及監測頻率

本試驗段共布置4種安全監測項目，分別是：深層水平位移監測、錨桿拉力監測、地下水水位監測和表面標水平位移。本文主要以深層水平位移監測數據為依據進行加固效果驗證。

本試驗段在2016年7月25日—10月30日加固施工期進行了邊坡安全監測，在渠道的左、右岸各布設了1個完整位移監測斷面，每個斷面布置3根測斜管，共布置了6根測斜管。監測頻率為1次/d，暗涵施工期監測頻率為1次/5d，觀測至渠道回填，如發現邊坡出現變形或破壞，則進行24小時跟蹤監測。

2.結果分析

在定期監測的基礎上，將監測數據統計匯總形成測斜曲線。對測斜曲線分析可知，左岸因僅有1排傘形錨加固，且上游邊坡高度超過25m，高于右岸邊坡高度，在上部卸載施工機械活動和連續降雨的影響下，變形明顯大于右岸變形，且在2016年10月24日產生了滑坡。右岸渠坡雖也產生滑動，但3排傘形錨對其發揮了較明顯的約束作用，及時控制了變形，且在后續施工中錨固力無繼續增大現象，因此傘形錨的加固效應得到了驗證。

四、結論與建議

①試驗結果表明，數值模擬與傘形錨結合的方法抑制膨脹土邊坡變形有一定控制作用。

②本試驗段共布置4排、185根傘形錨，傘形錨抗拔承載力設計值取120 kN，張拉鎖定荷載取80 kN。受渠底土方開挖、連續降雨等外部環境影響，左岸渠坡在后期降雨條件下產生滑移，右岸渠坡較為穩定。結果表明試驗段右岸加固方案是可行的，左岸加固措施還需要加強。

③安全監測成果表明，渠道局部邊坡產生了淺層滑動，從1級和2級馬道開始滑移，膨脹土裂隙滑移面存在于渠底下2.0 m左右位置，傘形錨錨頭必須深入此高程以下并進入一定深度，以提供足夠抗力。

[1]賈文聰.非飽和膨脹土強度與變形特性的試驗研究[D].西北農林科技大學,2014.

[2]王玉平,曾志強,潘樹林.邊坡穩定性分析方法綜述 [J].西華大學學報(自然科學版),2012（2）.

[3]湖北省水利水電規劃勘測設計院,長江水利委員會長江科學院,湖北水總水利水電建設股份有限公司.鄂北地區水資源配置工程袁沖暗涵段膨脹土高邊坡傘形錨加固應急試驗段研究成果報告[R].2016.

[4]水利水電工程邊坡設計規范[S].2007.

Adoption of umbrella-shaped anchor for reinforcement of expansive soil slope of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Provin

Zhang Nan,Zhang Wei,Wan Qian

Expansive soil slope of Water Allocation Scheme in North Hubei Province has been employed as study object for defining expansive properties and mathematical physics parameters,by means of in-situ test,CT scanning and triaxial compression test.Numerical simulation can be adopted to conduct stability analysis by means of adding expansive soil strength and fracture strength into the slope modeling.The display of umbrellashaped anchor and anchoring depth are defined.It is demonstrated that the technology is feasible after safety monitoring to the slope,which offer a safe,reliable and cost-effective option for treatment of expansive soil slope.

Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province;umbrella-shaped anchor;expansive soil;slope reinforcement

TV68+TV443.3

B

1000-1123（2017）22-0028-03

2017-10-11

張楠，工程師。

責任編輯 韋鳳年