南水北調(diào)中線膨脹土（巖）渠段問題及成因分析

馬慧敏 何向東 張帥 劉吉永

摘?要：對南水北調(diào)中線工程膨脹土（巖）渠段常見實體問題及成因進行了總結(jié)與分析，指出：膨脹土（巖）渠段實體問題一般可分為過水?dāng)嗝娴脑吰隆⑻幚韺?、防護層實體問題以及非過水?dāng)嗝娴脑吰?、處理層、防護層實體問題。總干渠過水?dāng)嗝娴脑吰禄蛘咛幚韺悠茐臅绊懬勒＿\行，后果嚴重，應(yīng)避免非自然原因引起的此類破壞。非過水?dāng)嗝娴脑吰禄蛘咛幚韺悠茐囊话悴粫绊懬勒＿\行，但應(yīng)排除影響到過水?dāng)嗝娴纳顚舆吰禄瑒右约按蠓搅炕缕茐挠绊懙角勒＿\行。對于防護層出現(xiàn)損壞的應(yīng)綜合分析是否與邊坡深層破壞有關(guān)，并根據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)的研判標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：膨脹土（巖）邊坡;實體問題;南水北調(diào)中線工程

中圖分類號：TV91?文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.027

Abstract：This paper summarized and analyzed the common physical issues and causes of the drainage section of expansive soil（rock） in the middle line of South-to-North Water Diversion Project. It is pointed out that the physical issues of expanded geotechnical channel can be generally divided into the original slope， treatment layer and physical issues of protection layer of flow section and original slope， treatment layer and physical issues of protection layer of non-flow section. The destruction of the original slope or the filling layer of the main canal cross section will affect the normal operation of the channel， and the consequences are serious. Such damage caused by unnatural causes should be avoided. The failure of the original slope or filling layer of the non-flow section generally does not affect the normal operation of the channel， but it should be ruled out that the deep slope sliding that affects the flow section and the extensive landslide damage affects the normal operation of the channel. According to the relevant monitoring data， it is necessary to comprehensively analyze whether the damage to the protective layer is related to the deep slope damage， such as whether the accumulated displacement of the slope exceeds the alert value， whether the monitoring data has mutated， etc.， and according to the research results， the corresponding evaluation standards are put forward.

Key words： expansive soil slope;substantive issues; Middle Route Project of South to North Water Transfer

南水北調(diào)中線工程自2003年12月開工建設(shè)，至2014年12月正式通水，歷時11 a。工程建設(shè)期間，南水北調(diào)工程各項目法人、設(shè)計、施工、建設(shè)管理等工程參建單位，以及相關(guān)科研院所、高等院校，先后開展了包括南水北調(diào)工程“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術(shù)研究”以及“十二五”國家科技支撐計劃項目“南水北調(diào)中線工程膨脹土和高填方渠道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”等多項科技項目的研究，取得了豐碩的成果，為工程順利建設(shè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前，南水北調(diào)中線工程已全面進入運行期，日常管理維護過程中發(fā)現(xiàn)工程還存在一些諸如膨脹土（巖）渠段渠坡淺層破壞，渠道襯砌面板局部隆起、沉陷、裂縫，坡頂截流溝破壞，坡面排水溝裂縫、變形等情況。這些問題若不能及時正確處理，隨著時間的推移，一些小的缺陷可能會進一步轉(zhuǎn)化、發(fā)展，進而影響工程運行安全[1]。

1?膨脹土（巖）渠段常見實體問題分類

一般膨脹土（巖）邊坡的處理方法為在其表層換填非膨脹土以起到壓重、吸收膨脹變形和保護底部膨脹土（巖）不受大氣降雨影響的作用，當(dāng)邊坡內(nèi)地下水位較高時設(shè)置排水措施將坡體內(nèi)地下水導(dǎo)出。坡面表層防護非過水?dāng)嗝娌捎昧怏w框格+植草、混凝土（漿砌石）拱形骨架或菱形框格加植草的措施，過水?dāng)嗝娌捎没炷烈r砌或坡面梁+混凝土襯砌等措施，以減小降雨對淺層邊坡的影響。當(dāng)邊坡內(nèi)存在長大裂隙時考慮采用深層支擋措施，例如采用抗滑樁、樹根樁等進行處理[2]，因此膨脹土（巖）邊坡在垂直分帶上依次為原邊坡、處理層、防護層。對于輸水渠道，按邊坡是否過水分為過水?dāng)嗝婧头沁^水?dāng)嗝?。因此，對于膨脹土（巖）渠段實體問題一般可分為過水?dāng)嗝娴脑吰?、處理層、防護層實體問題和非過水?dāng)嗝娴脑吰?、處理層、防護層實體問題。

南水北調(diào)中線工程總干渠過水?dāng)嗝娴脑吰禄蛘邠Q填層出現(xiàn)破壞會影響渠道正常運行，后果嚴重，應(yīng)避免非自然原因引起的此類破壞。對于過水?dāng)嗝娣雷o層的破壞，如襯砌板隆起、裂縫、錯臺等問題，應(yīng)分析原因及時修復(fù)，避免造成更大的損害。

非過水?dāng)嗝娴脑吰禄蛘邠Q填層破壞一般不會影響渠道正常運行，但應(yīng)排除影響到過水?dāng)嗝娴纳顚舆吰禄瑒右约按蠓搅炕缕茐?。對于非過水?dāng)嗝娣雷o層的破壞，如截流溝、排水溝、混凝土拱圈、菱形框格破壞等問題，應(yīng)逐步分析原因，排除原邊坡或者處理層破壞引起的防護結(jié)構(gòu)破壞，并及時修復(fù)，避免造成更大的損害。

根據(jù)以上膨脹土（巖）渠段問題發(fā)生的性質(zhì)、部位、危害程度和風(fēng)險將膨脹土（巖）渠段問題情況劃分為膨脹土（巖）邊坡坡體破壞問題（即原邊坡和換填層破壞）、膨脹土（巖）邊坡坡面防護結(jié)構(gòu)破壞問題和膨脹土（巖）邊坡坡頂防護結(jié)構(gòu)破壞問題三大類。其中：膨脹土（巖）邊坡坡體破壞問題又分為邊坡整體（深層）失穩(wěn)破壞和坡面（淺層）破壞問題;膨脹土（巖）邊坡坡面防護結(jié)構(gòu)破壞問題又分為過水?dāng)嗝媲肋吰路雷o破壞問題和非過水?dāng)嗝媲肋吰路雷o破壞問題;膨脹土（巖）邊坡坡頂防護結(jié)構(gòu)破壞問題即坡頂截流溝破壞問題。

因邊坡本身的穩(wěn)定度不足，加上隨著時間的推移邊坡發(fā)生徐變而最終導(dǎo)致失穩(wěn)形成局部或整體滑坡破壞，這類邊坡破壞一般規(guī)模較大，將之定義為坡體深層破壞。邊坡本身滿足穩(wěn)定性要求，但因常年直接暴露在自然大氣環(huán)境中，經(jīng)常受到各種自然環(huán)境如降雨、風(fēng)雪、陽光等的影響，使邊坡巖土層物理化學(xué)性質(zhì)及受力狀態(tài)發(fā)生變化，進而引發(fā)各種變形破壞，其中坡面水流的沖刷破壞最為顯著，會使邊坡上表層土體強度降低顯著，由此引發(fā)的失穩(wěn)破壞一般規(guī)模較小，將之定義為坡體淺層破壞。膨脹土邊坡?lián)Q填層因坡后地下水位變化而失穩(wěn)，也定義為坡體淺層破壞。

深層破壞問題一般可以在設(shè)計時充分考慮，但是鑒于膨脹土（巖）的特殊性，即使設(shè)計穩(wěn)定的邊坡也有可能在運行過程中發(fā)生破壞。淺層破壞問題而較難預(yù)測和避免，邊坡沖刷為渠道邊坡最常見病害，多數(shù)屬于雨水引起的坡面淺層破壞問題。換填層淺層破壞一般在設(shè)計中考慮增設(shè)排水措施加以克服，但是運行過程中仍可能發(fā)生。

2?邊坡坡體實體問題及原因分析

2.1?內(nèi)坡深層實體問題

南水北調(diào)中線工程總干渠渠道邊坡的深層破壞是指渠道邊坡坍塌或者出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。目前，未出現(xiàn)影響正常通水運行的渠道內(nèi)坡深層實體問題。南水北調(diào)中線某段疑似出現(xiàn)一級馬道以上邊坡深層實體問題，特征如下：四級坡中上部混凝土拱架出現(xiàn)裂縫，二級馬道排水溝向渠內(nèi)方向傾斜（見圖1），一級坡出現(xiàn)混凝土襯砌板裂縫等。

坡面防護結(jié)構(gòu)的破壞只是一個表面現(xiàn)象，比如防護體表面出現(xiàn)裂縫、錯臺等現(xiàn)象都是坡體內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)破壞的體現(xiàn)，因此可以從坡面的破壞探究邊坡內(nèi)部的破壞。分析認為該段地質(zhì)條件復(fù)雜，有全線挖深最大的邊坡（最高達47 m），邊坡下部分布有中強膨脹土，中下部有強、中膨脹土夾層，一級馬道附近分布有弱、中膨脹土界面，具有發(fā)生較大滑坡的內(nèi)在因素。二級馬道排水溝側(cè)墻與底板未整體澆筑，導(dǎo)致坡面局部變形時排水溝也變形、脫開。一級馬道地面水進入襯砌板下方，揚壓力大于渠道內(nèi)水壓力和襯砌板自重時，襯砌板上浮力分布不均，可能使其開裂。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，鋼筋計受力一直在增大，邊坡位移呈緩慢增加趨勢，因此疑似該段一級馬道以上發(fā)生了深層滑動，需及時處理。

2.2?內(nèi)坡淺層實體問題

內(nèi)坡淺層破壞包括坡面侵蝕、剝落、蠕變、位移、滑塌等，一般對正常輸水影響較小。

地表以下膨脹土（巖）的分布具有較為明顯的分帶特征，在地層垂向上大致可分為三個帶，即大氣影響帶、過渡帶、非影響帶。研究表明，膨脹土（巖）地區(qū)的大氣影響帶深度一般為1.0～2.5 m，最深不大于3.0 m，因土性和當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件的不同而呈現(xiàn)一定的差異。大氣影響帶的土體長期經(jīng)受干濕循環(huán)，脹縮裂隙發(fā)育，整體性遭到破壞，表層土被裂隙分割成散粒狀，增大了表面蒸發(fā)面積，加速了水分流失而導(dǎo)致其松散剝落，遇降雨時吸水膨脹，形成坡面沖溝。

總干渠南陽、新鄉(xiāng)段膨脹土（巖）試驗及類似工程經(jīng)驗表明，采取改性土（或非膨脹土）表層保護與拱支撐框架相結(jié)合的工程措施防治

沖溝（雨淋溝）、減少大氣對膨脹土（巖）渠坡表層土的破壞作用、抑制膨脹土（巖）渠坡的淺層滑動、減少膨脹土（巖）膨脹變形對渠道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞作用等能起到較好的效果。目前弱膨脹土（巖）渠段一級馬道以上未進行換填處理，雖然采取了一定的表層防護措施，但在強降雨條件下，易出現(xiàn)局部沖刷、滑塌的情況。如南水北調(diào)中線某全挖方渠段邊坡坡比從下向上為1∶2.0、1∶1.5，渠底到一級馬道以上2 m范圍內(nèi)為弱膨脹性粉質(zhì)黏土，一級馬道以下弱膨脹土采用換填處理，一級馬道以上護坡形式為預(yù)制混凝土六角框格加植草防護，坡面和馬道設(shè)置排水溝，橫向排水溝間距60 m，縱向排水溝設(shè)置在各級馬道上靠近坡腳一側(cè)，與橫向排水溝貫通，雨后出現(xiàn)一級馬道以上邊坡坍塌問題。

分析認為，暴雨入滲使草皮護坡下的坡體（上層黃土狀粉質(zhì)壤土，下層弱膨脹性粉質(zhì)黏土）飽和軟化，尤其坡腳處的弱膨脹性粉質(zhì)黏土表層土體抗剪強度明顯降低，造成坡腳表層土體滑移、坍塌，一般深度不超過1 m。

3?邊坡坡面防護實體問題及原因分析

3.1?過水?dāng)嗝媲肋吰路雷o結(jié)構(gòu)實體問題

渠道混凝土襯砌可以提高渠道水流輸送的效率，增強渠道的耐久性，使渠道防滲節(jié)水，為渠道提供了一層保護屏障。南水北調(diào)中線總干渠全線渠道過水?dāng)嗝婢捎矛F(xiàn)澆混凝土襯砌，為南水北調(diào)中線渠道高效、安全運行提供了可靠保障，但現(xiàn)澆混凝土襯砌容易出現(xiàn)隆起、裂縫，若不及時處理將逐漸導(dǎo)致渠道襯砌發(fā)生破壞，特別是在膨脹土（巖）渠段可能引起深層邊坡滑塌，故對襯砌面板隆起、裂縫應(yīng)高度重視。

渠道襯砌板裂縫包括塑性收縮裂縫、沉陷裂縫、凍熱脹裂縫。混凝土在凝結(jié)前表面因失水較快而產(chǎn)生收縮裂縫，其常出現(xiàn)在混凝土表面，互不連貫，裂縫較淺，形狀規(guī)則長短不一，一般在混凝土澆筑后2～3 h出現(xiàn)，此類裂縫為施工期裂縫，與膨脹土（巖）無關(guān)。沉陷裂縫常見于渠基換填處和工程地質(zhì)不穩(wěn)定地區(qū)，呈貫穿性，往往上下或左右有一定的錯距，其產(chǎn)生的原因是混凝土襯砌板下的地基或墊層壓實不均勻，局部有松軟地基，壓實度不夠。在冬季輸水渠道上，水流溫度較高，水面附近的渠坡渠基凍脹力最大，常出現(xiàn)縱向裂縫，且渠道陰坡、陽坡因日照不同而表現(xiàn)出凍脹程度差異較大，陰坡比陽坡遭受凍脹破壞明顯。物體受熱膨脹，遇冷收縮，渠道襯砌也一樣，夏季受熱混凝土板伸長，冬季遇冷，混凝土板收縮，混凝土板收縮時斷面上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土板抗拉應(yīng)力時就出現(xiàn)開裂、斷開，此種裂縫一般沿渠道橫斷面出現(xiàn)，伸縮縫間距越大，越容易產(chǎn)生襯砌伸縮裂縫。南水北調(diào)中線工程襯砌板裂縫多為凍熱脹裂縫，以及因襯砌板下地下水位變化而使渠道產(chǎn)生內(nèi)外水位差引起的襯砌板錯位、裂縫，對于膨脹土（巖）地區(qū)則常出現(xiàn)渠基不均勻沉降引起的沉陷裂縫等。

3.2?非過水?dāng)嗝媲肋吰路雷o結(jié)構(gòu)破壞問題

坡面防護的前提條件是坡面處于穩(wěn)定狀態(tài)，其主要作用：一是減緩溫差與濕度變化的影響以延緩膨脹土（巖）表面的風(fēng)化、碎裂、剝蝕演變進程;二是隔離邊坡上土體以減少坡面水流對表面土體的直接沖刷，從而維持邊坡的淺層穩(wěn)定性，并在一定程度上兼顧美化和協(xié)調(diào)自然環(huán)境。

非過水?dāng)嗝媲肋吰路雷o結(jié)構(gòu)實體問題主要是混凝土拱架裂縫、排水溝變形等。經(jīng)分析，混凝土拱架產(chǎn)生裂縫的主要原因為：一是結(jié)構(gòu)形式造成的，其頂部固端與懸壁結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位混凝土未分縫;二是膨脹力的作用使拱架基礎(chǔ)變形。排水溝變形主要原因是暴雨集中下泄，滲入馬道坡腳下的土體，使土體飽和軟化，造成土體大范圍滑移，排水溝側(cè)墻變形。

4?坡頂防護實體問題及原因分析

由于修建總干渠后截斷了原地面坡水和大量匯水面積不大的排水河溝通道，并且在局部可能會形成積水洼地，使坡面水和積水不能排出，因此為排除總干渠外地面的坡水，疏通串流區(qū)和總干渠截斷的原有排水通道，需在渠外設(shè)置截流溝（或?qū)Я鳒希瑢⒂晁蚍e水引入附近有排水通道的河溝，截流溝（或?qū)Я鳒希┎贾迷谇婪雷o林帶外側(cè)。

為避免截流溝中的雨水滲入坡體造成膨脹土（巖）邊坡破壞，對膨脹土（巖）在坡頂出露渠段的坡頂截流溝（或?qū)Я鳒希┎扇》雷o截流措施。即采用C15現(xiàn)澆混凝土襯砌，縫內(nèi)填止水材料，部分渠段在截流溝（或?qū)Я鳒希┮r砌板下鋪設(shè)土工膜進行防滲，中、強膨脹土（巖）在地表出露的渠段采用非膨脹性土換填對坡面進行封閉，防止地表水入滲和坡面沖刷。同時為減少林帶內(nèi)降雨入滲，要求林帶區(qū)域內(nèi)地面與截流溝一側(cè)坡比不小于2%。

坡頂截流溝破壞問題主要包括截流溝淤堵、排水不暢問題，截流溝襯砌板倒塌、破損、裂縫、隆起等，以及截流溝內(nèi)水進入坡體導(dǎo)致的截流溝坡體塌陷等。

分析認為直接設(shè)置在膨脹土（巖）層中的厚僅5～8 cm的截流溝襯砌板在外側(cè)膨脹土干縮和濕脹過程中會產(chǎn)生斜向甚至碎裂性破壞;截流溝外包防滲土工膜會使截流溝在外水壓力作用下上浮，不均勻上浮時會產(chǎn)生橫向斷裂破壞。

截流溝內(nèi)水進入坡體，不僅會造成總干渠內(nèi)坡坡面破壞，而且會影響膨脹土（巖）邊坡的整體穩(wěn)定，雨水進入襯砌板背側(cè)后會造成襯砌板隆起等，危及一級馬道以下過水?dāng)嗝娴陌踩?，同時渠外水進入總干渠將影響總干渠的水質(zhì)安全。

5?實體問題研判標(biāo)準(zhǔn)

為了給實際工作中基層管理單位遇到實體問題時提供借鑒和指導(dǎo)，本文根據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)研判標(biāo)準(zhǔn)。

（1）非過水?dāng)嗝婊炷凉羌艹霈F(xiàn)連續(xù)性裂縫且坡面排水溝出現(xiàn)傾斜、縮窄現(xiàn)象，或以上兩種情況有其一發(fā)生，經(jīng)觀察均不隨時間持續(xù)發(fā)展（至少經(jīng)歷一個汛期），坡面無明顯變形，則有可能是結(jié)構(gòu)本身、外水滲入或土體本身固結(jié)引起的問題，判斷風(fēng)險等級為“一般”;非過水?dāng)嗝娉霈F(xiàn)雨淋溝、坡面侵蝕、剝落等因沖刷而引起與膨脹土（巖）相關(guān)的可能性較小的問題時，判斷風(fēng)險等級為“一般”。

（2）非過水?dāng)嗝婊炷凉羌艹霈F(xiàn)連續(xù)性裂縫且坡面排水溝出現(xiàn)傾斜、縮窄現(xiàn)象，或以上兩種情況有其一發(fā)生，經(jīng)觀察裂縫持續(xù)發(fā)展或排水溝持續(xù)縮窄或坡面局部有明顯鼓包、塌陷變形的，但一級馬道路面無裂縫、沉陷等問題，過水?dāng)嗝嬉r砌板無裂縫、隆起、錯臺等破壞現(xiàn)象發(fā)生，則可能是非過水?dāng)嗝姹韺优蛎浲粒ㄎ醋鰮Q填處理的弱膨脹土（巖）段）引起的滑坡前期征兆，由于在一級馬道以上，因此判斷風(fēng)險等級為“較重”。

（3）非過水?dāng)嗝婊炷凉羌苡羞B續(xù)性裂縫，坡面排水溝出現(xiàn)傾斜、縮窄現(xiàn)象，伴隨過水?dāng)嗝嬉r砌板裂縫、隆起、錯臺，一級馬道裂縫、沉陷或有明顯水平位移發(fā)展等現(xiàn)象，但坡面無明顯變形的應(yīng)加強觀測，觀察上述裂縫、傾斜等破壞是否隨時間持續(xù)加重，如果布置有監(jiān)測點，則應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合判斷是否存在變形異常，是否危及一級馬道及以下過水?dāng)嗝?，如果沒有監(jiān)測點則應(yīng)增設(shè)監(jiān)測點。綜合分析，若上述破壞現(xiàn)象（混凝土骨架裂縫、排水溝傾斜、縮窄、襯砌板裂縫、隆起等）無發(fā)展，則判斷風(fēng)險等級為“一般”，若持續(xù)發(fā)展，則根據(jù)監(jiān)測資料判斷坡體變形是否危及一級馬道及過水?dāng)嗝?，如果不危及一級馬道及過水?dāng)嗝鎰t判斷風(fēng)險等級為“較重”，如果危及一級馬道及過水?dāng)嗝?，則判斷風(fēng)險等級為“嚴重”。

（4）非過水?dāng)嗝娣雷o結(jié)構(gòu)無破壞現(xiàn)象，一級馬道路面裂縫、沉陷等，伴隨襯砌板裂縫、隆起、錯臺現(xiàn)象的，應(yīng)觀測破壞是否隨時間持續(xù)發(fā)展，如果不隨時間發(fā)展則分析因膨脹土（巖）基礎(chǔ)變形而引起的可能性較小，判斷風(fēng)險等級為“一般”;如果隨時間發(fā)展則可能是換填層變形或膨脹土（巖）基礎(chǔ)變形引起的，判斷風(fēng)險等級為“嚴重”。

參考文獻：

[1]?河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司.南水北調(diào)中線總干渠膨脹土（巖）渠段實體問題研判與防控措施研究報告[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，2017：2.

[2]?長江水利委員會長江科學(xué)院，長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，等.膨脹土（巖）渠坡破壞機理及分析方法研究：國家“十一五”科技支撐課題-膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術(shù)研究-專題二研究報告[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，2010：6.

【責(zé)任編輯?張華巖】