南水北調(diào)中線工程膨脹土渠段邊坡變形研究

張文峰

（河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，河南鄭州450016）

南水北調(diào)中線干線工程是緩解我國黃淮海平原水資源嚴(yán)重短缺，優(yōu)化配置水資源的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，先期實(shí)施的中線一期工程多年平均年調(diào)水量95億m3，輸水干線全長1 432 km，其中涉及膨脹土（巖）的渠段累計(jì)長約370 km，約占明渠段的1/3，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。膨脹土（巖）是具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性的巖土，工程性質(zhì)非常特殊。膨脹土（巖）對(duì)水分狀態(tài)的變化十分敏感，這種敏感性會(huì)引起膨脹土（巖）體積和強(qiáng)度的變化，往往造成工程建筑物的破壞［1］，與其他工程相比，膨脹土（巖）渠道運(yùn)行的地質(zhì)環(huán)境、土體狀態(tài)及其與水相互作用的條件等，使渠道工程中遇到的膨脹土（巖）問題更多、更難應(yīng)付。膨脹土渠道工程最重要的問題是邊坡穩(wěn)定，如果發(fā)生邊坡失穩(wěn)影響到南水北調(diào)中線工程正常通水運(yùn)行，則社會(huì)影響巨大。而邊坡的失穩(wěn)破壞是邊坡變形發(fā)展到一定程度的結(jié)果，變形與破壞之間是一個(gè)發(fā)展過程，其間存在著量、質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)系。因此，滑坡在形成以前都具有一定的前兆，為了避免膨脹土渠段滑坡對(duì)南水北調(diào)中線工程通水造成影響，特開展膨脹土邊坡變形控制研究。這里邊坡的變形是指邊坡未發(fā)生整體失穩(wěn)前的變形或位移，如馬道上的局部沉陷、裂縫，邊坡上小范圍的坍塌、隆起等，此時(shí)邊坡未整體滑動(dòng)。在邊坡整體失穩(wěn)前，定性和定量分析邊坡的變形及穩(wěn)定性并進(jìn)行預(yù)測，可采取合理措施進(jìn)行治理，處理代價(jià)和難度均較低，因此開展膨脹土邊坡變形控制研究意義重大。

1 一般邊坡工程的變形控制要求及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

邊坡的位移與坡高、水文地質(zhì)條件、邊坡支護(hù)類型、坡頂荷重等多種因素有關(guān)，變形計(jì)算復(fù)雜且不成熟，目前關(guān)于邊坡位移的計(jì)算還未形成完整的計(jì)算理論。 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）［2］及《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330—2013）［3］等相關(guān)規(guī)范根據(jù)邊坡的位移、沉降觀測值、支護(hù)結(jié)構(gòu)情況以及坡體周邊環(huán)境來預(yù)判邊坡的穩(wěn)定情況。邊坡工程施工過程中及監(jiān)測期間遇到下列情況時(shí)應(yīng)及時(shí)報(bào)警，并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。

（1）有軟弱外傾結(jié)構(gòu)面的巖土邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂有水平位移跡象或支護(hù)結(jié)構(gòu)受力且結(jié)構(gòu)變形有發(fā)展；無外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂累計(jì)水平位移大于5 mm；土質(zhì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂?shù)睦塾?jì)最大水平位移已大于邊坡開挖深度的1/500或20 mm，或位移速度大于5～10 mm/d，或其水平位移速度已連續(xù)3 d大于2 mm/d。

（2）土質(zhì)邊坡坡頂鄰近構(gòu)筑物的累計(jì)沉降、不均勻沉降或整體傾斜已大于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定允許值的80%，或建筑物的整體傾斜度變化速度已連續(xù)3 d每天大于0.000 08。

（3）坡頂鄰近構(gòu)筑物出現(xiàn)新裂縫、原有裂縫有新發(fā)展。

（4）坡頂土體出現(xiàn)連續(xù)性裂縫且有發(fā)展趨勢，同時(shí)護(hù)坡結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，錯(cuò)臺(tái)跡象明顯。

（5）邊坡底部或周圍巖土體已出現(xiàn)可能導(dǎo)致邊坡剪切破壞的跡象或其他可能影響安全的征兆。

（6）根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)判斷已出現(xiàn)其他必須報(bào)警的情況。

2 南水北調(diào)中線膨脹土邊坡變形控制要求及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

對(duì)于南水北調(diào)中線工程膨脹土渠段，過水?dāng)嗝妫ㄒ患?jí)馬道以下）渠坡的高度基本為9 m左右，坡頂不存在構(gòu)筑物，對(duì)于有軟弱外傾結(jié)構(gòu)面的坡體采用抗滑樁以及坡面梁等支護(hù)結(jié)構(gòu)，坡面防護(hù)采用非膨脹性土換填、混凝土襯砌、拱形框架植草、漿砌石拱植草以及植草等單個(gè)或綜合性方案。結(jié)合一般邊坡工程變形的控制要求，以及南水北調(diào)中線工程膨脹土渠道設(shè)計(jì)特點(diǎn)和工程安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類情況，提出南水北調(diào)中線工程膨脹土邊坡變形控制要求及監(jiān)測數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)研判標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)南水北調(diào)中線工程正常通水運(yùn)行受威脅程度將南水北調(diào)中線膨脹土渠段工程安全風(fēng)險(xiǎn)分“嚴(yán)重”“較重”“一般”三個(gè)等級(jí)［4］，膨脹土渠段邊坡變形控制及監(jiān)測數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)研判標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）監(jiān)測變形或其變化速率≥警戒值時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”。當(dāng)監(jiān)測部位位于一級(jí)馬道及其以上坡體時(shí)監(jiān)測部位的累計(jì)最大水平位移已大于或等于20 mm，則風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”；當(dāng)監(jiān)測部位位于一級(jí)馬道以下坡體時(shí)監(jiān)測部位的累計(jì)最大水平位移已大于或等于邊坡開挖深度的1/500，則風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”；監(jiān)測點(diǎn)位移速度大于5 mm/d時(shí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”；監(jiān)測點(diǎn)水平位移速度已連續(xù)3 d大于2 mm/d時(shí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”。

（2）監(jiān)測變形或其變化速度均小于警戒值時(shí)，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測變形過程線進(jìn)行判斷。當(dāng)累計(jì)位移過程線無突變但持續(xù)增大、無收斂趨勢時(shí)，則風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“一般”；當(dāng)累計(jì)位移過程線有突變時(shí)，則風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“較重”。

（3）根據(jù)以上物理量或其變形速度判斷得出某測點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不同時(shí)，應(yīng)按其中最高等級(jí)確定。

3 膨脹土邊坡實(shí)測資料分析

邊坡的變形是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的過程，而這樣的變形最終由監(jiān)測點(diǎn)的位移反映，這里用累計(jì)位移、累計(jì)位移速度等絕對(duì)指標(biāo)來定量描述邊坡變形特征。鑒于監(jiān)測點(diǎn)布置的緣故，本次實(shí)測監(jiān)測資料為一級(jí)馬道以上邊坡。

（1）累計(jì)位移。累計(jì)位移指監(jiān)測點(diǎn)從某個(gè)時(shí)刻算起到當(dāng)前時(shí)刻發(fā)生的總位移，分垂直和水平方向兩種位移，也可用三維位移表示監(jiān)測點(diǎn)在三維空間內(nèi)發(fā)生的位移。累計(jì)位移是分析監(jiān)測點(diǎn)變形特征的一個(gè)基本指標(biāo)，由累計(jì)位移可以看出變形區(qū)域的位移變化。

設(shè)監(jiān)測點(diǎn)初始空間坐標(biāo)為（x，y，z），經(jīng)過時(shí)間 t后，其發(fā)生的三維累計(jì)位移為 ds＝（dx，dy，dz，t），則三維空間的累計(jì)位移為［5］

由式（1）可知，經(jīng)過t后監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)椋▁+dx，y+dy，z+dz，t），在有些情況下，可以將經(jīng)過 t后測點(diǎn)的坐標(biāo)近似為原來的坐標(biāo)（x，y，z）。

（2）累計(jì)位移速度。用位移速度表示變形區(qū)域的穩(wěn)定性，監(jiān)測點(diǎn)在經(jīng)過時(shí)間周期T發(fā)生的累計(jì)位移速度為

一般認(rèn)為邊坡的變形分為3個(gè)階段，即初始變形階段、等速變形階段和加速變形階段，這是邊坡巖土體在重力作用下變形演化所遵循的一個(gè)普遍規(guī)律。累計(jì)位移速度法根據(jù)累計(jì)位移—時(shí)間過程曲線呈現(xiàn)出的特征判斷邊坡變形的3個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 累計(jì)位移—時(shí)間過程曲線

（3）實(shí)測內(nèi)部變形觀測資料分析。南水北調(diào)中線工程某段二級(jí)馬道上設(shè)2支測斜管，樁號(hào)分別為8+834和8+839；三級(jí)邊坡上設(shè)3支測斜管，樁號(hào)分別為8+835、8+805 和 8+770。

圖2（a）為樁號(hào)8+834左岸渠坡二級(jí)馬道測斜管A向（垂直于渠道中心線方向）觀測變形過程線，截至2017年6月，累計(jì)最大位移為5.13 mm（向渠內(nèi)變形），未超過邊坡變形預(yù)警值（20 mm）。2017年11月又對(duì)該處監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，分析其經(jīng)過一個(gè)汛期的變化趨勢，見圖2（b），可見變形一直處于增長階段，最大累計(jì)位移為8.47 mm。整個(gè)過程水平位移速度均小于警戒值，判斷該監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)為“一般”。

圖3（a）為樁號(hào)8+839左岸渠坡二級(jí)馬道測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計(jì)最大位移為7 mm（向渠內(nèi)變形），未超過邊坡變形預(yù)警值，且測斜管2 m以下坡體變形收斂，測斜管2 m以上部分變形因坡體換填、大氣降雨等的影響而略大，但整體無突變。圖3（b）為樁號(hào)8+839左岸渠坡二級(jí)馬道測斜管A向2017年汛后觀測變形過程線，可以看出，變形在2017年9月發(fā)生突變，土體表層以下2 m范圍內(nèi)變形較大。整個(gè)過程水平位移速度均小于警戒值，判斷該監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)為“較重”。

圖2 樁號(hào)8+834左岸渠坡二級(jí)馬道測斜管觀測變形過程線

圖3 樁號(hào)8+839左岸渠坡二級(jí)馬道測斜管觀測變形過程線

圖4（a）為樁號(hào)8+835左岸渠坡三級(jí)邊坡測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計(jì)最大位移為8.73 mm（向渠內(nèi)變形），未超過邊坡變形預(yù)警值。但位移發(fā)生突變，過程線圖顯示三級(jí)坡（測斜管埋深6 m范圍內(nèi)）水平位移持續(xù)增大，且無收斂趨勢。圖4（b）為樁號(hào)8+835在2017年汛期后觀測得到的變形過程線。可以看出，三級(jí)坡（測斜管埋深6 m范圍內(nèi)）水平位移持續(xù)增大且最大累計(jì)位移為34.21 mm，已經(jīng)超過邊坡變形預(yù)警值，故判定該處三級(jí)邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”。

圖5（a）為樁號(hào)8+770左岸渠坡三級(jí)馬道邊坡測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計(jì)最大位移為9.38 mm（向渠內(nèi)變形），過程線顯示三級(jí)坡（測斜管埋深6 m范圍內(nèi)）水平位移持續(xù)增大且無收斂趨勢，應(yīng)對(duì)其加強(qiáng)觀測，必要時(shí)采取措施防止發(fā)生深層滑坡。

2017年11月又對(duì)該處監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，由于其他原因，采用距該點(diǎn)最近的樁號(hào)8+760左岸三級(jí)馬道的測斜管數(shù)據(jù)線進(jìn)行對(duì)比分析。樁號(hào)8+760左岸三級(jí)馬道的測斜管啟用時(shí)間為2017年7月底。圖5（b）為樁號(hào)8+760左岸渠坡三級(jí)馬道測斜管A向2017年7月至2017年11月期間的測斜管觀測變形過程線。可以看出，位移在2017年9月發(fā)生突變，以后持續(xù)增大，最大累計(jì)位移為19.24 mm，已經(jīng)接近邊坡變形預(yù)警值。因此，判定該處三級(jí)坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”，必要時(shí)應(yīng)采取措施防止深層滑坡發(fā)生。

圖6（a）為樁號(hào)8+805左岸渠坡三級(jí)馬道測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計(jì)最大位移為12.08 mm（向渠內(nèi)變形），過程線顯示三級(jí)坡（測斜管埋深6 m范圍內(nèi)）水平位移持續(xù)增大且無收斂趨勢。圖6（b）為樁號(hào)8+805左岸渠坡三級(jí)馬道測斜管A向2017年汛后的測斜管觀測變形過程線?？梢钥闯觯?jí)馬道以下坡體（測斜管埋深6 m以下部分）測斜管觀測變形呈收斂趨勢，三級(jí)坡（測斜管埋深6 m范圍內(nèi)）水平位移發(fā)生突變且持續(xù)增大，最大累計(jì)位移達(dá)到57.05 mm，已經(jīng)超過邊坡變形預(yù)警值，故判定該處三級(jí)坡數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”。

圖4 樁號(hào)8+835左岸渠坡三級(jí)馬道測斜管觀測變形過程線

圖5 樁號(hào)8+770、8+760左岸渠坡三級(jí)馬道測斜管觀測變形過程線

圖6 樁號(hào)8+805左岸渠坡三級(jí)馬道測斜管觀測變形過程線

從以上分析可知，根據(jù)觀測斜管的變形資料，樁號(hào)8+740—8+860段二級(jí)邊坡數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“較重”，三級(jí)邊坡數(shù)據(jù)異常風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”。

（4）實(shí)測外部變形觀測資料分析。樁號(hào)8+740—8+860段共設(shè)6個(gè)外部觀測點(diǎn)，其中二級(jí)馬道3個(gè)、三級(jí)馬道3個(gè)，設(shè)置樁號(hào)分別為8+810、8+830、8+850，對(duì)應(yīng)測點(diǎn)編號(hào)分別為 TP02-8810、TP02-8830、TP02-8850、TP03-8810、TP03-8830、TP03-8850。 根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別繪制坡面水平位移變化過程線以及累計(jì)位移（水平向）趨勢線。

由坡面水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，截至2017年10月30日，二級(jí)馬道上測點(diǎn) TP02-8810、TP02-8830、TP02-8850表面累計(jì)最大水平位移分別為14.73、9.77、9.57 mm，均小于20 mm預(yù)警值；三級(jí)馬道上測點(diǎn)TP03-8810、TP03-8830、TP03-8850 表面累計(jì)最大水平位移分別為67.52、59.26、32.77 mm，均大于20 mm預(yù)警值。由圖7可知，二級(jí)馬道3個(gè)測點(diǎn)位移的變化過程較為平緩，處于緩慢增長階段，無突變現(xiàn)象。三級(jí)馬道3個(gè)測點(diǎn)位移的變化過程在2017年8月以后發(fā)生突變，變形顯著增大。樁號(hào)8+810三級(jí)馬道水平累計(jì)位移由2017年8月25日的33.65 mm突變?yōu)?017年9月13日的62.22 mm，樁號(hào)8+830三級(jí)馬道水平累計(jì)位移由2017年8月25日的30.33 mm突變?yōu)?017年9月13日的51.36 mm，樁號(hào)8+850三級(jí)馬道水平累計(jì)位移由2017年8月25日的18.57 mm突變?yōu)?017年9月13日的26.96 mm。

圖7 樁號(hào)8+740—8+860坡面水平位移變化過程線

利用監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制累計(jì)位移（水平向）趨勢線，見圖8，擬合趨勢線確定系數(shù)最小為0.905 7，擬合程度較高?？梢钥闯?，三級(jí)馬道樁號(hào)8+810（測點(diǎn) TP03-8810）、8+830（測點(diǎn) TP03-8830）坡面變形已經(jīng)進(jìn)入中加速或臨滑加速階段，樁號(hào)8+850（測點(diǎn)TP03-8850）三級(jí)馬道坡面變形處于初加速階段。二級(jí)馬道樁號(hào)8+810（測點(diǎn) TP02-8810）、8+830（測點(diǎn) TP02-8830）及8+850（測點(diǎn) TP02-8850）坡面變形處于等速變形階段。

圖8 坡面累計(jì)水平位移測值及擬合趨勢線

根據(jù)以上外部變形監(jiān)測資料分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)測內(nèi)部變形觀測資料（測斜管）分析結(jié)論，判斷二級(jí)邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“較重”，應(yīng)加強(qiáng)觀測；三級(jí)邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“嚴(yán)重”，應(yīng)采取工程措施防止渠坡變形進(jìn)一步發(fā)展。工程實(shí)際中，該膨脹土渠段邊坡出現(xiàn)一級(jí)馬道以上防護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土拱圈裂縫、翹起、坡頂壓邊混凝土斷裂以及坡面縱向排水溝縮窄等現(xiàn)象，各種跡象均表示該段坡體疑似存在滑坡危險(xiǎn)，進(jìn)行應(yīng)急加固處理后邊坡總體情況朝有利方向發(fā)展。

4 結(jié) 語

南水北調(diào)中線膨脹土邊坡變形控制要求及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)基本合理；累計(jì)位移速度法能全面反映邊坡變形的整個(gè)過程，可判斷邊坡所處的變形階段，在膨脹土邊坡預(yù)警中有很強(qiáng)的實(shí)用性。

對(duì)監(jiān)測資料進(jìn)行分析可以推斷出邊坡的變形趨勢和變形規(guī)律，據(jù)之對(duì)邊坡的變形進(jìn)行預(yù)報(bào)。目前集成多傳感器的自動(dòng)化、智能化在線監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在南水北調(diào)中線總干渠工程中得以應(yīng)用，盡管該系統(tǒng)獲得了大量實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，但畢竟埋設(shè)的觀測儀器數(shù)量有限，傳統(tǒng)的單獨(dú)分析監(jiān)測點(diǎn)變形特征不能全面反映渠坡變形的時(shí)空變化規(guī)律。因此，有學(xué)者提出以三維累計(jì)位移為分析對(duì)象，構(gòu)建邊坡變形趨勢面模型分析渠坡變形時(shí)空變化規(guī)律，并開展實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化在線分析，這是將來邊坡變形研究發(fā)展的方向，將對(duì)邊坡工程的預(yù)報(bào)產(chǎn)生重大影響。