0.   引言

中国是膨胀土分布最广的国家之一，全国发现20多个省区有膨胀土。与道路工程、工业与民用建筑物相比，水利工程尤其是渠道工程中遇到的膨胀土问题更多、更难应付^[1]，膨胀土渠道运行的地质环境、土体状态及其与水相互作用的条件等，对于边坡稳定性是最为不利的^[2]。膨胀土对于渠道工程的影响主要体现在两个方面：①裂隙的存在直接影响渠坡的稳定状态；②胀缩变形对渠道边坡、衬砌结构及其他结构物的破坏。因此，对膨胀土渠坡进行加固处理至关重要。

目前，国内外对膨胀土边坡的加固措施进行了深入的研究，常用的措施有坡面改性水泥土换填、混凝土抗滑桩、土钉、混凝土挡墙、锚杆（索）等。这些加固方法各有优缺点，如混凝土抗滑桩加固存在造价高、施工周期长等问题，需要根据工程实际情况如边坡的破坏特征和破坏模式，选择行之有效的加固措施。本文研究了引江济淮工程渠坡的钢筋锚杆和GFRP筋锚杆技术加固措施，采用自动化监测系统对加固后的渠道边坡变形和压力等进行现场监测，验证了锚杆加固渠坡效果良好，渠坡无破坏或明显变形迹象。

1.   膨胀土渠坡失稳机理分析

1.1   典型渠坡概况

引江济淮工程区地面高程34~37 m，河道挖深20~24 m，渠坡上部为膨胀土，下部为细砂岩，江淮分水岭段最大开挖高度达到40 m。渠坡主要地层可分为3层，分别为粉质壤土、强风化岩及中风化岩组成。渠道设计一级坡处于常水位以下，二级坡处于水位变动区，土岩交界面位于一级马道处。具体设计方案：一级渠坡（过水断面）坡比为1︰2，一级马道平台宽4 m；二~四级渠坡坡比为1︰3，二级马道、三级马道平台宽分别为8，3 m。

1.2   渠坡失稳机理分析

膨胀土边坡的稳定性受裂隙影响, 干湿循环、应力释放等因素导致裂隙开展，土体抗剪强度显著降低，同时裂隙开展将导致雨水进入裂隙中形成渗流，进一步降低边坡稳定性^[3~6]。膨胀土边坡滑坡多发生在降雨之后，从坡体中下部先开始局部溜滑，导致上层土体失去支撑，继而发生多次滑动，直到最终达到新的稳定平衡状态，整个过程坡体稳定性呈由高到低而后升高的趋势。各级滑动面可能相互叠合贯通、或逐级扩展，具有明显的牵引式或渐进式发展的特点^[7-8]。

引江济淮工程各分区膨胀土渠坡在无防护条件下稳定性很差，均发生滑坡，且滑坡多为从坡脚开始的浅层局部滑坡。通过调查研究，认为膨胀土边坡土体在大气环境变化条件下的膨胀收缩是形成膨胀土滑坡的内在原因，裂隙的产生和发展是形成膨胀土边坡滑动的直接原因，开挖施工卸荷，降雨入渗等是引起膨胀土边坡滑动的诱发原因，地表水与地下水的活动会加速膨胀土边坡的滑动和滑坡的扩展。膨胀土渠道边坡工程的大量滑坡案例，甚至边坡坡比为1︰4或1︰5的膨胀土缓坡在工程建成多年之后，仍然可能发生滑动。表明膨胀土边坡的失稳机理和一般黏性土边坡有显著区别，裂隙开展是膨胀土渠坡失稳的根本原因。

为此在引江济淮工程现场典型段东西两端端头处设置了观察窗，观测窗宽约0.6 m，长约5.2 m，深约2.6 m，观测边坡土体中裂隙随降雨蒸发过程而变化的情况。裂隙观测时，主要采用钢尺测量、数码拍照等手段，测量精度为0.1 mm。裂隙观测从2016年4月初开挖完成开始，至2017年3月右岸开挖时结束，为期324 d，基本上经历了春、夏、秋、冬4个季节。图 1给出了观测得到裂隙深度及发展速率随暴露历时的发展过程曲线。从观测结果来看，开挖暴露6个月（含夏季）后，边坡土中裂隙开展深度最大约1.2 m。若开挖后2个月内完成覆盖换填，边坡中裂隙开展深度基本不超过60 cm。可见，采用厚度为50 cm的预留保护层的施工方案基本能避免施工期裂隙开展的影响。

图  1  观测窗测得裂隙深度随暴露历时发展演化过程

Figure  1.  Evolution process of fracture depth measured by observation window with exposure duration

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2.   渠坡加固方案设计

2.1   加固方案

典型段膨胀土边坡防护措施选择了“预留保护层厚度+喷射砼50 mm+锚固+现浇混凝土面板”。共涉及2个区的加固措施，分别为3区和7区。3区和7区岩层坡面（一级边坡）常水位以下均采用钢筋锚筋5 m进行加固，土层坡面（二级边坡）水位变动区分别采用10 m钢筋框架锚杆和10 mGFRP框架锚杆进行加固，水上断面（三、四级边坡）3区采用预制格式生态护坡5%水泥土1.5 m换填，7区采用预制格式生态护坡3%水泥土1.0 m进行换填。GFRP筋为玻璃纤维增强聚合物，材料本身具有耐腐蚀性，用于水下锚杆材料可以提高加固工程的耐久性。GFRP筋的极限抗拉强度可到达600 MPa，大于常规钢筋，具有发挥强度优势降低或平衡加固工程造价的潜力。

2.2   施工技术和监测系统

（1）水泥改性土换填

水泥改性土换填即利用渠道开挖的弱、中膨胀土经破碎、筛分、拌制水泥合格后，运至工程部位摊铺碾压。具体施工填筑方法如下：

a）水泥改性土宜根据土料含水率及拌合生产能力将数台碎土机配一台稳定土拌和机配套生产。

b）水泥改性土填筑宜采用凸块振动碾碾压。

c）进入填筑仓面的改性土料应满足质量要求。需及时填筑，碾压完成时间不宜超过4 h。

d）凸块振动碾最少碾压遍数不少于6遍。

e）填筑及碾压参数一旦确定不得随意更改。必要时应通过碾压试验调整铺料厚度及碾压参数。

f）对于开挖天然渠坡换填层，为提高处理层与被保护坡面结合质量，被保护边坡面需开挖成小台阶，台阶高度为每一层铺土碾压厚度。

g）为确保外边角压实度，改性土铺料需超填一定宽度。以设计外坡脚为基准，顶部超填宽度不小于30 cm。

（2）GFRP筋锚杆

针对引江济淮工程膨胀土、崩解岩体中锚杆施工存在的杆体及支架刮摩孔壁问题，开发专项工艺和新型锚杆支架。新型锚杆支架如图 2（a）所示，占位为1/3圆孔空间，支架固定在杆体上；杆体植入孔中时，支架在杆体以上，杆体和孔壁接触，支架与孔壁无接触，最大限度减小杆体植入时支架产生的阻力；杆体植入到位后，旋转杆体使支架位于杆体以下，保持杆体悬空到预定位置，如图 2（b）所示。

图  2  膨胀土、崩解岩体锚杆施工工艺

Figure  2.  Construction technology of expansive soil and disintegrated rock bolt

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2.3   监测设施布置

引江济淮长10 m锚杆抗拉设计值为120 kN。在典型断面的二级坡面处采用GFRP筋和钢筋锚杆加固，每个加筋锚杆区设置3根监测杆，预埋光纤光栅传感器、应力计及位移计等仪器设备，图 3为土层锚杆埋设位置图，应力计位于孔口以下2.0 m。

图  3  二级坡面GFRP监测锚杆位置

Figure  3.  GFRP monitoring anchor rod position on secondary slope

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3.   锚杆加固膨胀土渠坡效果分析

渠坡水平位移采用测斜仪进行监测，试验段现场监测了3区钢筋锚杆和7区GFRP筋加固软黏土的深层水平位移，并埋设监测设施进行现场观测，监测时间为2016年6月—2016年12月。钢筋锚杆加固软黏土的3区和GFRP筋加固的7区深层位移曲线如图 4所示。钢筋锚杆加固监测的渠坡水平位移最大值为12.07 mm，GFRP筋加固的水平位移只有4.64 mm，表明GFRP筋加固渠坡的效果比钢筋好，这主要是因为GFRP锚杆加固软黏土渠坡时，安装角对锚杆抗力的影响较小，另外，GFRP锚杆与钢筋锚杆加固渠坡的作用机制不同造成的；两者位移发展都处于较低水平，深层岩土体位移发展都很小，并无明显滑动面。

图  4  渠坡加固试验段3区与7区水平位移曲线

Figure  4.  Curves of horizontal displacement of Zone 3 and 7 in reinforcement test section of channel slope

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通过相应监测仪器设备，采集部分锚杆的相应数据，绘制出加固区单点位移、加筋应力及水位时程线，如图 5，6所示。从图 5，6中可以看出，观测期间，钢筋锚杆加固边坡位移最大为1.03 mm，GFRP锚杆位移为1.96 mm，两者位移发展都处于较低水平。两种加筋锚杆在注水早期，位移都出现明显增长；在水位下降期，位移也都出现下降。锚杆应力方面，在注水期和水位稳定期，钢筋应力与GFRP应力明显增长。区别降水期，GFRP应力期间保持锚固力，而钢筋的锚固力先增加后衰减。坡体出现以上变化现象的原因在于：一次水位升降试验下，坡体位移发展有限，都处于稳定状态。而膨胀黏土边坡具有吸水膨胀，失水收缩的特性。两次抽水试验时天气都较为炎热，高温带来土体水分蒸发，进行抽水试验水位下降时，膨胀黏土边坡土体收缩，带来坡体位移收缩。而10 m钢筋的锚杆应力计在水位下降早期，应力出现增长，是因为锚杆应力计埋设在坡体中部，早期水位下降时期水位并未到达实验锚杆以下。后期水位下降，锚杆周边土体收缩带动钢筋应力下降。而GFRP干湿作用下，应力反复不明显。

图  5  10 m钢筋加固区单点位移、钢筋应力与水位时程线

Figure  5.  Time histories of single-point displacement, steel stress and water level in reinforcement area of 10 m

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图  6  10 mGFRP筋加固区单点位移、GFRP筋应力与水位时程线

Figure  6.  Time histories of single-point displacement, GFRP- reinforceed stress and water level in GFRP-reinforced area of 10 m

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锚杆用于渠道边坡工程加固时，其作用机理考虑了渠道边坡岩土体结构本身的形态特征和破坏规律。利用锚杆对岩土体的锚固效应，约束渠坡的变形，提高其抗剪强度；限制因渠道水位升降等引起的衬砌面板循环升降变形，控制面板与坡体的整体性，保证衬砌混凝土面板的长期稳定性；限制水下渠坡崩解性软岩崩解过程的发展空间，增大接触面压力，削弱崩解发展，以此增强渠坡崩解性软岩的安定性；限制膨胀土边坡的干湿循环变形，控制坡体内部裂缝的开展，保证膨胀土边坡长期稳定性。

4.   结论

（1）GFRP筋材料具有相对于钢筋更轻的自重。有利于锚杆植入后杆体居中的要求，同时降低杆体植入时的阻力和减小对孔壁岩土的扰动。GFRP筋锚杆具有较小的自重（为钢筋的1/4~1/3），在一定程度上缓解锚杆体植入时刮擦孔。

（2）锚杆应力方面，在注水期和水位稳定期，钢筋应力与GFRP应力明显增长。区别降水期，GFRP应力期间保持锚固力，而钢筋经历了锚杆力发展后减小。

（3）钢筋锚杆加固边坡水平位移最大值达到12.07 mm，GFRP锚杆的最大水平位移为4.64 mm。两种加筋锚杆在注水早期，位移都出现明显增长；在水位下降期，位移也都出现下降。说明锚杆加固可以有效阻止渠坡大变形的发生，加固效果良好。