张 楠，张 伟，万 芊

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹）,430071，武汉）

伞形锚技术在鄂北工程膨胀土边坡治理中的应用

张 楠，张 伟，万 芊

（鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹）,430071，武汉）

以鄂北地区水资源配置工程中某膨胀土边坡治理为研究对象，采用现场原位试验、CT扫描及三轴压缩试验确定该边坡的膨胀特性及数学物理参数，并利用数值模拟将膨胀土体强度和裂隙强度加入边坡模型中进行稳定性分析，确定伞形锚排布方式及锚固深度。在采用伞形锚锚固技术对其治理后，通过对边坡进行安全监测，验证该技术是可行的，为后续膨胀土地段边坡的治理提供了安全可靠、经济合理的技术方案。

鄂北地区水资源配置工程；伞形锚；膨胀土；边坡治理

鄂北地区水资源配置工程开工以来，先后在袁冲暗涵2标段出现了两次滑坡。袁冲暗涵2标段1号滑坡（10+350～10+410，坡高约 25 m，坡比1∶1.5）在渠道开挖至接近渠底时，左、右岸均发生了滑坡。袁冲暗涵2标段2 号滑坡（10+620～10+680，坡高约 25 m，坡比 1∶1.5）在渠道开挖至渠底深度2天后出现滑坡失稳。

经现场勘查，该渠坡土为膨胀土。现场地质探测发现该边坡2级马道以上为上更新统琚湾组黄褐色黏土，含较多褐色铁锰氧化物及结核，1级马道以下局部及2级马道以下边坡土层中含有较多灰白、灰绿色蒙脱石矿物及少量钙质结核，呈团块状、网纹状分布，其膨胀性比较强，裂隙发育，有多条顺坡向较陡裂隙面。1号滑坡2级马道以下存在两组长大裂隙，2号滑坡一级马道以下存在长大裂隙发育的地层，裂隙面强度低，渠坡的膨胀土特性和裂隙的存在直接导致边坡失稳。

现将与1、2号滑坡临近的袁冲暗涵2标10+710～10+800段作为试验段进行稳定性分析和伞形锚加固试验，为后续类似地质条件渠段暗涵的边坡开挖、支护施工探索可靠方案，确保鄂北工程膨胀土高边坡基坑土方开挖顺利进行。

通过现场调研，在渠底、1级马道、2级马道和3级马道分别取原状方块样进行室内试验。测试土样的物理力学特性参数，详见表1。其中渠底裂隙面（填充灰绿色黏土）强度采用三轴试验获得。

一、加固方案设计

1.稳定性分析

试验段实施前，边坡整体变形处于可控范围，潜在滑面不可知。因此，本文是基于已有的1、2号滑坡的滑面条件验证伞形锚加固后试验段右岸边坡的稳定性。

本文采用Geo-studio数值模拟软件的Geo-slope模块进行稳定性分析，图1所示为存在1号滑坡滑面条件下试验段边坡的稳定性分析简图。由于边坡尚未滑动，可以认为滑裂面并未贯穿，因而滑弧形态水平段取裂隙面强度，竖向段取土块强度。

图1 存在1号滑坡滑面条件下试验段边坡的稳定性分析简图

根据1、2号边坡勘查资料，对原状边坡采用3排伞形锚锚杆加固，每延米锚固力50、60、75kN工况下进行稳定性分析。表2为存在1号滑坡滑面条件下右岸边坡伞形锚加固后稳定安全系数。由表2可知，试验段伞形锚单锚抗拔设计极限承载力为120kN，对应安全系数为1.062，符合规范要求。根据《水利水电边坡设计规范》（SL 386—2007） 中第 3.3节和3.4节规定，4级边坡施工期采用极限平衡法计算的边坡抗滑稳定最小安全系数为1.05～1.10。

图2所示为存在2号滑坡滑面条件下试验段边坡的稳定性分析简图。滑弧水平段取裂隙面强度，竖向段取土块强度。分别对原状边坡、伞形锚每延米锚固力50、60、75kN工况下进行稳定性分析。表3为存在2号滑坡滑面条件下右岸边坡伞形锚加固后稳定安全系数。由表3可知，试验段伞形锚单锚抗拔设计极限承载力为120kN，对应安全系数为1.051，符合规范要求。

图2 存在1、2号滑坡滑面条件下试验段边坡的稳定性分析简图

由以上分析可知，在试验段右岸边坡存在1号和2号滑坡滑面的条件下，目前的3排伞形锚锚杆加固措施能保持边坡的安全系数满足规范规定的要求。

表1 袁冲暗涵段物理力学参数表

2.锚杆锚固深度

根据1、2号滑坡滑面勘察的成果，将试验段边坡右岸锚杆锚固深度分别设定为22 m、15 m和13 m，左岸1级马道以下锚杆锚固深度为13 m。

3.加固设计实施方案

根据1、2号滑坡地质勘查结果和数值模拟计算结果，对伞形锚单锚抗拔承载力设计值和锚固深度进行设计，形成试验段的加固设计实施方案如下：

针对左右岸边坡分别布置1排和3排伞形锚，共185根。其中左岸在1级马道以下3 m处布置1排伞形锚，右岸分别在3级边坡、2级边坡和1级边坡以下3 m布置3排伞形锚，右岸3排锚杆的锚固深度分别为22 m、15 m和13 m，左岸1级马道以下3m锚杆锚固深度为13 m，伞形锚间距均为2 m，如图3所示。伞形锚抗拔承载力设计值取120kN，张拉锁定荷载取80kN。同时，在渠道的左、右岸各布设了1个完整位移监测断面，每个断面布置3根测斜管，共布置了6根，用以分析边坡位移变化。

二、伞形锚加固施工

1.施工内容

袁冲暗涵伞形锚加固膨胀土边坡试验段10+710～10+800共90 m，边坡加固试验段共4排伞形锚，分别位于左岸1级马道下方3 m、右岸1级马道下方3m、右岸1级马道上方0.5m和右岸2级马道上方0.5m，分别编号为 SZ1、SY1、SY2 和 SY3，对应伞形锚加固深度分别为13m、13m、15m和22m；每排伞形锚共46个，纵向间距2m。实际施工SZ1、SY1和SY3伞形锚个数均为46个，SY2伞形锚个数47个，共185个。

表2 存在1号滑坡滑面条件下右岸边坡伞形锚加固后稳定安全系数

表3 存在2号滑坡滑面条件下右岸边坡伞形锚加固后稳定安全系数

2.施工关键控制要点

伞形锚施工主要包括预钻孔、击入锚头、张拉锁定及坡面封闭等工艺环节，其原理是通过将可张开的伞状高强叶片埋入土体内部，张拉后依靠土体自身抗力为可能产生滑坡、崩岸的土堤提供所需锚固力，从而增加堤防稳定，其各个工艺环节的关键控制要点如下：

①预钻孔。根据伞形锚锚杆锚固位置与方向，标记钻孔位置，并严格控制钻孔方向倾角与锚杆安设角度一致，在（40±2）°范围内，控制孔径 90 mm以内。

②锚头击入。根据伞形锚锚杆锚固位置与方向，在斜坡上架设施工专用导向支架，开启动力装置，通过激振器将伞形锚连接杆击入土体内。安装前检查锚头和连接杆，锚头和连接杆采用专用工具连接，保证连接牢固。在击入过程中，注意控制柴油机动力阀大小，应该由小到大逐渐进行，特别是刚开始带有锚头的锚杆应慢进入。

③伞形锚张拉及锁定。在锚固点坡面上，开挖与锚固方向垂直的承压坡面，开挖宽度为1 000 mm，安装承压板。安装承压板时应进行破面削整，力求锚杆张拉受力后与承压板垂直；张拉方式采用多级循环加卸载，循环荷载按32 kN、48 kN、64 kN和80 kN进行，每级加载油压稳定后方可卸载，直至稳定在80kN或以上时用卡瓦将连接杆锁定，锁定时应遵循保持各部位紧密接触的原则；凡是张拉锁定未达到设计要求的伞形锚，一律重新补孔张拉。

图3 试验段伞形锚及测斜管布置断面图

④加固完成后采用土工膜对坡面进行封闭，防止地表水浸入边坡。

截至2016年9月5日，已完成袁冲暗涵伞形锚加固边坡试验段10+710～10+800左岸1级马道下方3 m、右岸1级马道下方3 m、右岸1级马道上方0.5 m和右岸2级马道上方0.5 m的4排共185个伞形锚加固的施工，安装锚力计22个。

三、安全监测成果分析

1.测点布置及监测频率

本试验段共布置4种安全监测项目，分别是：深层水平位移监测、锚杆拉力监测、地下水水位监测和表面标水平位移。本文主要以深层水平位移监测数据为依据进行加固效果验证。

本试验段在2016年7月25日—10月30日加固施工期进行了边坡安全监测，在渠道的左、右岸各布设了1个完整位移监测断面，每个断面布置3根测斜管，共布置了6根测斜管。监测频率为1次/d，暗涵施工期监测频率为1次/5d，观测至渠道回填，如发现边坡出现变形或破坏，则进行24小时跟踪监测。

2.结果分析

在定期监测的基础上，将监测数据统计汇总形成测斜曲线。对测斜曲线分析可知，左岸因仅有1排伞形锚加固，且上游边坡高度超过25m，高于右岸边坡高度，在上部卸载施工机械活动和连续降雨的影响下，变形明显大于右岸变形，且在2016年10月24日产生了滑坡。右岸渠坡虽也产生滑动，但3排伞形锚对其发挥了较明显的约束作用，及时控制了变形，且在后续施工中锚固力无继续增大现象，因此伞形锚的加固效应得到了验证。

四、结论与建议

①试验结果表明，数值模拟与伞形锚结合的方法抑制膨胀土边坡变形有一定控制作用。

②本试验段共布置4排、185根伞形锚，伞形锚抗拔承载力设计值取120 kN，张拉锁定荷载取80 kN。受渠底土方开挖、连续降雨等外部环境影响，左岸渠坡在后期降雨条件下产生滑移，右岸渠坡较为稳定。结果表明试验段右岸加固方案是可行的，左岸加固措施还需要加强。

③安全监测成果表明，渠道局部边坡产生了浅层滑动，从1级和2级马道开始滑移，膨胀土裂隙滑移面存在于渠底下2.0 m左右位置，伞形锚锚头必须深入此高程以下并进入一定深度，以提供足够抗力。

[1]贾文聪.非饱和膨胀土强度与变形特性的试验研究[D].西北农林科技大学,2014.

[2]王玉平,曾志强,潘树林.边坡稳定性分析方法综述 [J].西华大学学报(自然科学版),2012（2）.

[3]湖北省水利水电规划勘测设计院,长江水利委员会长江科学院,湖北水总水利水电建设股份有限公司.鄂北地区水资源配置工程袁冲暗涵段膨胀土高边坡伞形锚加固应急试验段研究成果报告[R].2016.

[4]水利水电工程边坡设计规范[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

张楠，工程师。

责任编辑 韦凤年