全挖方膨脹土渠段渠坡變形分析研究

蔡云波，何國(guó)偉

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130061）

1 工程概況

南水北調(diào)中線干線工程是國(guó)家南水北調(diào)工程的重要組成部分，全長(zhǎng)1 432.49 km。南水北調(diào)中線一期工程從加高擴(kuò)容后的丹江口水庫(kù)陶岔渠首閘引水，沿線開挖渠道，經(jīng)唐白河流域西部過長(zhǎng)江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿黃淮海平原西部邊緣，在鄭州以西李村附近穿過黃河，沿京廣鐵路西側(cè)北上，可基本自流到北京、天津。

南水北調(diào)中線干線工程為Ⅰ等工程，總干渠渠道按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。由于地勢(shì)高低不同，為確保水保持自流狀態(tài)，工程建設(shè)過程中必然存在低填高挖的渠段，其渠道斷面就出現(xiàn)高填方、全填方、半填半挖方、全挖方等不同形式。由于區(qū)域地質(zhì)條件的不同，在總干渠沿線分布近400.00 km的全挖方膨脹土（巖）段。膨脹土是一種對(duì)工程建設(shè)危害性大的特殊性土質(zhì)，具有吸脹干縮、強(qiáng)度衰減的工程特點(diǎn)。在全挖方膨脹土渠段典型部位布置監(jiān)測(cè)斷面，斷面布設(shè)多種監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，對(duì)渠坡表面位移變形、渠坡內(nèi)部位移變形、渠坡襯砌板基礎(chǔ)滲透壓力、襯砌板凍漲等方面進(jìn)行監(jiān)控，通過監(jiān)測(cè)成果來評(píng)價(jià)其工程效果。

下文以磁縣管理處全挖方膨脹土渠段為例，從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)效果等方面，對(duì)全挖方膨脹土渠段的工程性態(tài)進(jìn)行分析研究。

2 全挖方渠道設(shè)計(jì)

全挖方渠段一級(jí)馬道以上分級(jí)設(shè)置邊坡，每級(jí)馬道高度為6.00 m，寬度為2.00 m。地面開口線外為防洪堤，頂寬3.00 m，外側(cè)為4.00～8.00 m的防護(hù)林帶。

磁縣管理處全挖方渠段多數(shù)為膨脹土渠段，由于膨脹土的工程特點(diǎn)，在初始含水量發(fā)生變化的情況下，其物理力學(xué)指標(biāo)變化較大。由于強(qiáng)、中膨脹土的自由膨脹率、膨脹力均較大，遇水土體性質(zhì)發(fā)生變化后，會(huì)破壞渠道襯砌板，對(duì)一級(jí)馬道以上邊坡的穩(wěn)定性影響較大，需對(duì)挖深大于15.00 m的中膨脹土渠段的過水部位進(jìn)行施工換填，一級(jí)馬道以下渠坡、渠底的換填土厚度分別增加到3.50 m和2.50 m；強(qiáng)膨脹土和挖深大于15.00 m的中膨脹土渠段，渠坡、渠底混凝土襯砌板厚度增加到0.15 m。對(duì)于過水?dāng)嗝嬉陨系那?，僅對(duì)受雨水侵蝕的部位進(jìn)行了施工換填，換填土表層采用六邊混凝土框格防護(hù)。

3 監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

全挖方渠道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)有變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)及凍脹監(jiān)測(cè)等，以變形和滲流監(jiān)測(cè)為重點(diǎn)。

1）變形監(jiān)測(cè)

27+734～28+701渠段內(nèi)設(shè)有2個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面，樁號(hào)為28+280和28+568。每級(jí)馬道各設(shè)1個(gè)位移測(cè)點(diǎn)和1根測(cè)斜管，分別進(jìn)行表面位移變形監(jiān)測(cè)和渠坡內(nèi)部水平位移變形監(jiān)測(cè)，除此之外，渠段內(nèi)左右岸一級(jí)馬道共設(shè)24個(gè)沉降標(biāo)點(diǎn)，間距為78.00 m。

2）渠道滲流監(jiān)測(cè)

典型監(jiān)測(cè)斷面渠道基礎(chǔ)均布設(shè)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)渠基滲流壓力，邊坡滲流壓力及地下水位（浸潤(rùn)線）觀測(cè)采用振弦式滲壓計(jì)。

3）渠道溫度監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證保溫板在不同溫度下的保溫效果及對(duì)凍脹變形時(shí)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置溫度計(jì)進(jìn)行相應(yīng)溫度測(cè)量。

4 變形監(jiān)測(cè)成果分析

4.1 渠坡表面變形監(jiān)測(cè)

1）典型監(jiān)測(cè)斷面

監(jiān)測(cè)成果顯示：28+280斷面處，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)馬道上抬變形量分別為17.24～26.58，0.84～21.17，3.21～15.34 mm；28+568斷面處，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)馬道上抬變形量分別為15.79～18.80，9.84～12.00，2.71～5.67 mm；整體呈上抬變形趨勢(shì)。

膨脹土渠坡變形主要是開挖卸荷引起的。從監(jiān)測(cè)成果可知，渠道挖深越大，開挖面所產(chǎn)生的上抬變形就越明顯。

2）一般監(jiān)測(cè)斷面

監(jiān)測(cè)成果顯示，27+734～28+701渠段沉降變形呈整體向上抬升趨勢(shì)，見圖1，各測(cè)點(diǎn)2019年4季度開始趨于穩(wěn)定，于2020年4月又開始呈上抬變化。樁號(hào)28+202斷面左右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)上抬變形量最大，左右岸累計(jì)上抬變形量在41.31～47.11 mm，上游側(cè)28+046斷面和下游側(cè)28+514斷面的上抬變量次之，累計(jì)上抬變形量分別在16.93～34.28 mm和20.11～35.09 mm，從變形趨勢(shì)上來看，該渠段各測(cè)點(diǎn)上抬變形趨于穩(wěn)定。各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量見表1，渠段內(nèi)其他斷面各測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)沉降變形量見圖2。

圖1 27+734～28+701渠段監(jiān)測(cè)表面垂直位移沉降過程線

表1 各位移測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變形統(tǒng)計(jì)表

圖2 27+734～28+701渠段左右岸累計(jì)變形量對(duì)比示意圖

4.2 統(tǒng)計(jì)模型分析

4.2.1模型因子選擇

統(tǒng)計(jì)模型分析是建立原因量和效應(yīng)量之間關(guān)系的定量分析方法。原因量選取時(shí)效t、溫度T和水位h等3個(gè)分量。時(shí)效分量f(t)表示沉降變形隨時(shí)間推移向某一方向發(fā)展的分量，溫度分量f(T)表示位移量隨溫度變化的分量，水位分量f(h)表示位移量隨渠內(nèi)水位變化的測(cè)值分量。

（a）DQ2YBM058沉降觀測(cè)墩分析過程線

渠段內(nèi)樁號(hào)28+202斷面測(cè)點(diǎn)抬升量最大，包含兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)QD2ZBM059（左岸）和QD2YBM058（右岸），采用多元逐步回歸計(jì)算方法對(duì)各因子進(jìn)行選中或剔除。統(tǒng)計(jì)分析模型：

式中：F——變形。

將這些因子與相應(yīng)的待定系數(shù)組成統(tǒng)計(jì)模型，采用多元逐步回歸法求解獲得最終回歸方程。建模分析過程線見圖3，沉降測(cè)點(diǎn)回歸模型特征值見表2。

4.2.2統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

通過對(duì)28+202斷面內(nèi)兩個(gè)位移測(cè)點(diǎn)進(jìn)行模型分析。

1）測(cè)點(diǎn)回歸統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.994 8和0.996 8，標(biāo)準(zhǔn)差為1.973 2和1.178 5，整體回歸精度較高。

2）測(cè)點(diǎn)時(shí)效分量變幅最大，占比95.59%～100.00%；水位分量次之，占比4.41%以內(nèi)；溫度分量為0，即測(cè)點(diǎn)變形不受溫度影響。

3）位移測(cè)點(diǎn)時(shí)效分量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4）從模型分量過程線也可以看出，溫度分量變化對(duì)位移測(cè)點(diǎn)變形無影響，水位分量變化對(duì)測(cè)點(diǎn)變形影響很小，說明位移測(cè)點(diǎn)持續(xù)上抬與水位和溫度關(guān)系不明顯；時(shí)效分量變化對(duì)位移測(cè)點(diǎn)變形影響較大，且隨著時(shí)效的增加對(duì)測(cè)點(diǎn)變形影響逐漸減小，與位移測(cè)點(diǎn)變形逐漸趨于穩(wěn)定相吻合。

圖3 QD2YBM058和QD2ZBM059建模分析過程線

表2 位移測(cè)點(diǎn)回歸模型特征值統(tǒng)計(jì)表

4.3 表面水平位移監(jiān)測(cè)

水平位移監(jiān)測(cè)成果顯示，該渠段為全挖方渠段，水平向位移變形較穩(wěn)定。樁號(hào)28+202向渠內(nèi)方向水平位移收斂最大，左岸、右岸測(cè)點(diǎn)渠段水平位移收斂，累計(jì)向渠內(nèi)方向收斂15.00 mm。

4.4 渠坡內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)成果顯示，渠坡內(nèi)部水平位移變形量于2020年9月達(dá)到歷史最大值9.30 mm，在設(shè)計(jì)安全限值0.2% H（16.00 mm）范圍內(nèi)，H指測(cè)點(diǎn)距離孔底深度，此后變形趨勢(shì)穩(wěn)定。

4.5 滲流監(jiān)測(cè)

渠道充水前，典型斷面襯砌板基礎(chǔ)部位一直處于無水狀態(tài)。渠道充水后，襯砌板下方測(cè)點(diǎn)的滲壓力與渠內(nèi)水位相關(guān)性較明顯，說明渠道局部存在內(nèi)水外滲現(xiàn)象。

通水運(yùn)行期間，最大滲壓力測(cè)值約為42.0 kPa，基礎(chǔ)測(cè)點(diǎn)存在一定外水壓力，相應(yīng)的外水位在設(shè)計(jì)安全限值范圍內(nèi)，抗浮穩(wěn)定滿足要求。

4.6 溫度監(jiān)測(cè)

斷面渠坡基面溫度測(cè)值主要隨氣溫升降而呈現(xiàn)年周期性變化，測(cè)值始終在0℃以上，不會(huì)出現(xiàn)凍脹問題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，受外水壓作用及膨脹土自身特性影響，導(dǎo)致全挖方膨脹土渠段表面位移呈現(xiàn)抬升趨勢(shì)，且挖深越大，上抬變形量越大，符合膨脹土開挖變形的一般規(guī)律。膨脹土開挖卸荷變形是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過程，隨著時(shí)效增加，膨脹土變形將逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合典型監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)成果來看，全挖方渠段渠坡狀態(tài)較穩(wěn)定，滿足工程輸水安全要求。