高地下水位深挖方膨脹土渠坡運(yùn)行期變形特征及其影響因素

胡 江，楊宏偉，李 星，馬福恒

(1.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所, 江蘇 南京 210029;2.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司，北京 100038)

膨脹土渠坡滑坡具有漸進(jìn)性、季節(jié)性、滯后性和反復(fù)性等特征，我國(guó)南水北調(diào)中線、引江濟(jì)淮和北疆供水等多個(gè)調(diào)水工程都面臨膨脹土渠坡的變形破壞等問(wèn)題[1-3]。眾多學(xué)者在膨脹土渠坡的變形機(jī)理、防滲排水和抗滑措施等方面開(kāi)展了大量研究。例如：李青云等[4]開(kāi)展了挖方膨脹土渠坡變形破壞機(jī)理的現(xiàn)場(chǎng)和物理模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降雨引起的渠坡施工期淺層滑坡是膨脹性和重力作用的結(jié)果；鈕新強(qiáng)等[1]總結(jié)了南水北調(diào)中線工程膨脹土渠坡施工期滑坡案例，主要有淺表脹縮型和深層結(jié)構(gòu)面控制型兩類；陸定杰等[5]分析了南水北調(diào)中線工程南陽(yáng)段膨脹土渠坡施工期滑坡事故，發(fā)現(xiàn)滑坡多發(fā)生在第四系中更新統(tǒng)al-plQ2層，滑動(dòng)面由后緣陡傾裂隙和前緣緩傾長(zhǎng)大裂隙組成，坡面以下4～8 m深度存在一個(gè)高濕度帶；蔡耀軍[6]總結(jié)地質(zhì)勘察資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)挖深超過(guò)10 m且有長(zhǎng)大裂隙或?qū)娱g軟弱面時(shí)，膨脹土渠坡破壞機(jī)理發(fā)生根本性變化，須采取抗滑樁和坡腳支護(hù)措施。然而，施工期采取的防滲排水和加固措施并不能完全保證運(yùn)行期穩(wěn)定，如南水北調(diào)中線工程通水運(yùn)行后深挖方膨脹土渠坡受地下水影響顯著，局部變形超過(guò)參考值，成為工程安全輸水和高效運(yùn)行的潛在隱患，以防為主結(jié)合加固處理的措施對(duì)保障工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性意義重大。

表1 深挖方膨脹土渠坡變形體的基本情況

本文以一調(diào)水工程南陽(yáng)盆地中一段挖深超過(guò)15 m的高地下水位深挖方渠坡為例，依據(jù)地質(zhì)勘察、施工期和運(yùn)行期資料[7-9]，總結(jié)渠坡變形后的外觀病害特征，闡述變形體厚度和潛在剪切變形帶幾何形態(tài)，從工程與水文地質(zhì)、降雨與地下水位等內(nèi)外因素綜合分析變形機(jī)制，評(píng)判加固處置措施效果，以期為類似工程運(yùn)行管理和加固治理提供參考。

1 渠坡及變形體概況

1.1 渠坡概況

該調(diào)水工程總干渠膨脹土渠段以南陽(yáng)盆地段最集中，該段渠坡具有挖深大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，挖深超過(guò)10 m的渠段長(zhǎng)達(dá)144 km，最大坡高超過(guò)40 m，施工期發(fā)生滑坡約100處。以樁號(hào)8+000～12+000段為例開(kāi)展研究，該段渠坡挖深39～45 m。過(guò)水?dāng)嗝嫫卤?∶3，一級(jí)馬道寬5 m，一級(jí)馬道以上每隔6 m設(shè)一級(jí)馬道，除四級(jí)馬道寬50 m外其余均為2 m寬，一至四級(jí)馬道間渠坡坡比均為1∶2.5，四級(jí)馬道以上渠坡坡比為1∶3。渠道全斷面換填水泥改性土，過(guò)水?dāng)嗝妗⒁患?jí)馬道以上換填厚度分別為1.5 m和1.0 m。護(hù)坡采用混凝土拱圈和拱內(nèi)植草方式，各級(jí)馬道均設(shè)有縱向排水溝，坡面設(shè)有橫向排水溝。渠坡典型斷面見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

渠坡由第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、黏土以及鈣質(zhì)結(jié)核粉質(zhì)黏土組成。第一層為粉質(zhì)黏土，硬塑，弱偏中等膨脹，脹縮、微及小裂隙和大裂隙較發(fā)育，大及長(zhǎng)大裂隙在地下水較豐富的地帶發(fā)育，常形成裂隙密集帶；第二層為黏土，硬塑-硬可塑，中等膨脹，微及小裂隙較發(fā)育，大及長(zhǎng)大裂隙不甚發(fā)育；第三層為鈣質(zhì)結(jié)核粉質(zhì)黏土，硬塑，中等膨脹，裂隙不發(fā)育。裂隙結(jié)構(gòu)面多光滑、抗剪強(qiáng)度低是渠坡穩(wěn)定的控制性因素，也制約變形和滑坡形態(tài)與規(guī)模。裂隙面黏聚力為10 kPa，內(nèi)摩擦角為10°。渠坡開(kāi)挖范圍內(nèi)地下水主要為上層滯水，處于大氣影響帶下部，受雨水入滲補(bǔ)給，地下水位隨季節(jié)變化大。

渠坡主要工程地質(zhì)問(wèn)題有土體脹縮和滑坡失穩(wěn)，支護(hù)以提高過(guò)水?dāng)嗝娣€(wěn)定性為主。在過(guò)水?dāng)嗝嬖O(shè)間距為4.0～4.5 m的方樁和坡面梁支護(hù)體系，一級(jí)馬道以上渠坡依據(jù)開(kāi)挖揭露的裂隙情況采取局部支護(hù)措施。如左8+740～8+860一級(jí)馬道以上渠坡未設(shè)抗滑樁，右11+650～11+800三級(jí)渠坡152.5～156.7 m高程分布有裂隙密集帶，在其坡腳和坡頂附近處分別設(shè)置樁長(zhǎng)為12 m、10 m的抗滑樁，樁間距均為4 m[7-11]。

1.2 運(yùn)行期變形體情況

通水運(yùn)行后，部分渠段出現(xiàn)坡中拱圈拉裂、坡腳拱圈斷裂翹起、過(guò)水?dāng)嗝嬉r砌板開(kāi)裂隆起等剛性結(jié)構(gòu)破損現(xiàn)象。依據(jù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，2016年以來(lái)有8處渠坡變形未完全收斂(表1)，A向(朝渠道內(nèi)方向)累計(jì)位移超過(guò)了設(shè)計(jì)參考值30 mm，存在較嚴(yán)重的剪切變形。

1.3 施工期滑坡情況

該段渠道開(kāi)挖時(shí)共出現(xiàn)14處滑坡。底滑面完全或大部分追蹤到長(zhǎng)大裂隙面或平緩裂隙密集帶，裂隙連通性好，是滑動(dòng)面和剪出口的主要部位，且均位于大氣影響帶及過(guò)渡帶，上層滯水豐富。大型滑坡采取清除、換填及抗滑樁加固處理，小型滑坡采取清除及換填處理。與表1中8處變形體相關(guān)的施工期3處滑坡的示意圖見(jiàn)圖1，特征、成因及處理措施見(jiàn)表2。

表2 深挖方膨脹土渠段施工期滑坡情況

圖1 施工期渠坡滑坡示意圖

2 渠坡變形特征及內(nèi)外因素關(guān)系

2.1 渠坡變形體外觀病害特征

表1中列舉了8處變形體的外觀病害特征。以3號(hào)和8號(hào)變形體為例說(shuō)明變形體的外觀病害。3號(hào)變形體外觀病害見(jiàn)圖2，三、四級(jí)渠坡下部拱骨架裂縫連續(xù)、規(guī)律性強(qiáng)；二級(jí)馬道排水溝存在擠壓變形[2]。

圖2 3號(hào)變形體的外觀病害(單位：m)

為查明裂縫的位置和走向，在3號(hào)變形體挖了6個(gè)探坑，存在裂縫和洇濕的有5個(gè)，如圖3所示。左8+840斷面三級(jí)渠坡坡腳探坑周邊土體洇濕，坑底滲水；左8+800斷面四級(jí)渠坡坡腳探坑深入原狀土內(nèi)15～20 cm，坑底土體濕潤(rùn)，坑內(nèi)少許積水，強(qiáng)降雨階段坑內(nèi)積水水位穩(wěn)定，水深約40 cm；左8+818斷面四級(jí)馬道探坑拱圈裂縫延伸至土體，在距離坑底約10 cm處消失，探坑周邊及底部土體略微潮濕，但未見(jiàn)滲水。

8號(hào)變形體二級(jí)渠坡坡腳拱圈隆起開(kāi)裂，三、四級(jí)渠坡坡中部拱圈拉裂，四級(jí)渠坡和四級(jí)馬道大平臺(tái)排水溝有不同程度滲水，具體外觀病害分布見(jiàn)圖4。外觀和探坑揭露病害表明，拱骨架裂縫大多未延伸至土體內(nèi)，但三、四級(jí)渠坡坡腳有滲水，即大氣降水透過(guò)了改性土換填層。

圖4 8號(hào)變形體的外觀病害(單位：m)

2.2 變形體幾何形態(tài)

圖5 4號(hào)變形體測(cè)斜管和測(cè)壓管布置

通過(guò)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷變形體幾何形態(tài)，以內(nèi)部變形是否存在突變判斷潛在剪切變形帶。以4號(hào)變形體為例，測(cè)斜管和測(cè)壓管的布置見(jiàn)圖5。左9+300斷面的典型觀測(cè)日的內(nèi)部變形見(jiàn)圖6，各測(cè)斜管最大變形處測(cè)值與降水量的變化過(guò)程見(jiàn)圖7(圖中IN05表示樁號(hào)斷面上編號(hào)為05的測(cè)斜管)。選取2021年3月5日的內(nèi)部A向累計(jì)位移和2021年3月16日的表面變形，繪制左9+120、左9+300斷面的變形示意圖，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖6 左9+300斷面各測(cè)斜管A向累計(jì)位移變化

圖7 左9+300斷面各測(cè)斜管最大位移和降水量變化

圖8 左9+120和9+300斷面的變形體示意圖(單位：mm)

表3 變形體潛在剪切變形帶深度

從圖6和圖7看，變形體仍在發(fā)展，還處于蠕變階段。變形具有明顯的季節(jié)性和間歇性，雨季發(fā)展快；經(jīng)過(guò)季節(jié)性干濕循環(huán)后，來(lái)年雨季蠕變復(fù)活，又產(chǎn)生新的蠕變。結(jié)合圖2～4、圖8中的外觀變形、病害和內(nèi)部變形可知，兩個(gè)斷面變形體范圍為一至四級(jí)馬道范圍內(nèi)渠坡。由于過(guò)水?dāng)嗝婵够瑯兜淖杌饔?，變形體前緣沿二級(jí)渠坡坡腳剪出，一級(jí)馬道反翹；后緣到達(dá)四級(jí)渠坡。

同樣地分析其他變形體幾何形態(tài)，結(jié)果列于表3。變形體范圍主要在一至四級(jí)馬道范圍內(nèi)，變形垂直于水流方向指向渠道過(guò)水?dāng)嗝妫?號(hào)變形體五級(jí)渠坡也存在變形。當(dāng)設(shè)置了抗滑樁時(shí)(1號(hào)、4～8號(hào)變形體)，一、二、三級(jí)馬道以下變形深度分別為4～11 m、9～15 m、9～18 m。變形體深度基本處于渠坡抗滑樁樁底以下或接近樁底，及過(guò)水?dāng)嗝娣綐?坡面梁框架支護(hù)體系上部或頂部，出口位于一級(jí)馬道附近。變形體特征基本一致，均為底面近水平和后緣面陡傾。

已有研究表明[12]，膨脹土大氣影響帶深0～3 m，過(guò)渡帶深3～7 m。淺層滑動(dòng)主要受脹縮裂隙控制，滑體厚一般為2～6 m。由文獻(xiàn)[12]可知，南陽(yáng)地區(qū)膨脹土的大氣影響深度為5.1～5.3 m，急劇層深度為2.3～2.4 m，比一般經(jīng)驗(yàn)值偏大。由表3可知，考慮到在雨季長(zhǎng)時(shí)間降雨作用下，坡面以下7 m深度區(qū)域內(nèi)可能處于飽和狀態(tài)。深挖方渠坡的淺層變形和滑動(dòng)規(guī)模相對(duì)較大。

2.3 變形體受地下水位影響機(jī)制

為監(jiān)測(cè)渠坡?lián)Q填土隔斷大氣降水的效果，在右9+300斷面四級(jí)馬道布置了3支土壤水分傳感器(HRC上、HRC中和HRC下)，埋深分別為30 cm、60 cm和80 cm，2019年8月至2021年4月的測(cè)值過(guò)程線見(jiàn)圖9。

圖9 換填層土壤含水量與降水量過(guò)程線

由于地表徑流和水分蒸發(fā)等原因，入滲量要小于降水量。有效降水量計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[2,13]，這里有效雨量系數(shù)取0.84，前期降雨影響選取15 d。采用灰色關(guān)聯(lián)度度量降雨與換填層土體含水量的相關(guān)性，灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[14]，各層含水量與有效降水量的相關(guān)度分別為0.743、0.723和0.713，灰色關(guān)聯(lián)度都大于0.6，相關(guān)性較好?？梢?jiàn)，換填層土壤含水量與降雨關(guān)系密切。

表4 變形體斷面地下水分布及其與降水量的關(guān)系

開(kāi)挖揭示渠段普遍存在上層滯水。上層滯水位于大氣影響帶下部的粉質(zhì)黏土和黏土中裂隙密集帶中，受雨水入滲補(bǔ)給。上層滯水埋藏較淺，埋深一般為2～4 m，且隨季節(jié)變化大，在長(zhǎng)時(shí)間降雨期水位上升，略低于地表。渠道形成后，渠肩部分的地下水位會(huì)下降1～3 m，影響范圍至渠肩后10～30 m。

渠段埋設(shè)了滲壓計(jì)和測(cè)壓管監(jiān)測(cè)地下水位，監(jiān)測(cè)結(jié)果也顯示發(fā)生變形的渠段渠坡地下水位較高。部分施工期發(fā)生滑坡的渠段如1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和8號(hào)變形體在運(yùn)行過(guò)程中仍有嚴(yán)重變形現(xiàn)象。以左9+300斷面三級(jí)渠坡為例，地下水位和降水量過(guò)程線見(jiàn)圖10，渠坡地下水位較高，且與降水量存在一定的相關(guān)性，與渠道水位關(guān)系不大。有效降水量與地下水位、變形的灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.639和0.610，均大于0.6，相關(guān)性較好。

圖10 地下水位與降水量過(guò)程線

分析變形體地下水位與降水量的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表4。

膨脹土邊坡脹縮變形或破壞主要是由于土體含水量反復(fù)變化引起的。該段運(yùn)行期變形主要發(fā)生在地下水位較高的二至四級(jí)渠坡?？梢?jiàn)，坡表采用水泥改性土換填后，未完全隔絕膨脹土與大氣的水汽交換。在持續(xù)降雨期間，雨水入滲導(dǎo)致渠坡土體含水量升高；少雨季節(jié)，含水量下降。上層滯水區(qū)內(nèi)的膨脹土反復(fù)脹縮，土體中的裂隙與陡傾角長(zhǎng)大裂隙逐步貫通，抗剪強(qiáng)度降低，由此產(chǎn)生變形。變形體是原有裂隙貫通引起的沿裂隙面的側(cè)向變形形成的。

3 渠坡變形體成因及加固處置措施

3.1 變形體成因

各段深挖方膨脹土渠坡變形體成因類似，是受工程與水文地質(zhì)、環(huán)境與荷載因素共同影響的結(jié)果[12,15]。渠坡上部主要為Q2粉質(zhì)黏土，下部及渠底由Q1粉質(zhì)黏土、鈣質(zhì)結(jié)核粉質(zhì)黏土組成。Q2、Q1粉質(zhì)黏土、黏粒含量高，具中等膨脹性。變形體所在渠段渠坡地下水位較高，且與降雨情況存在一定的關(guān)聯(lián)性。

內(nèi)因方面，土體具中等膨脹性，裂隙較發(fā)育，不乏緩傾角長(zhǎng)大裂隙和裂隙密集帶。外因方面，卸荷作用使原來(lái)的裂隙貫通，重力作用使局部應(yīng)力集中，增加土體的側(cè)向變形；同時(shí)，渠坡雖采用改性土換填保護(hù)，但未能完全隔絕膨脹土與大氣的水汽交換，地下水位受降雨補(bǔ)給、埋深較淺，隨季節(jié)變化明顯；在多年往復(fù)干濕循環(huán)作用下，膨脹土反復(fù)脹縮，導(dǎo)致土體中的短小裂隙逐步貫通，裂隙逐年增多、規(guī)模逐年增大，進(jìn)一步導(dǎo)致膨脹土抗剪強(qiáng)度降低，地表水入滲，加速軟化裂隙結(jié)構(gòu)面，使力學(xué)強(qiáng)度降低，渠坡產(chǎn)生蠕動(dòng)變形。

從工程與水文地質(zhì)(土體的膨脹性、裂隙結(jié)構(gòu)面與地下水位)、降雨等因素綜合分析變形機(jī)制，結(jié)果見(jiàn)表5。

3.2 變形體加固處置措施

變形體一般采取應(yīng)急與永久加固相結(jié)合的處置措施[9,16-20]。結(jié)合渠坡變形范圍，應(yīng)急處理采用四級(jí)及部分三級(jí)渠坡自上而下刷方減載的措施，并采用復(fù)合土工膜和弱膨脹土回填處理，坡面恢復(fù)拱圈和植草防護(hù)。

永久加固處置包括防滲排水和加固措施[9,16-18]。在渠頂設(shè)防滲墻，降低渠坡地下水位，復(fù)合土工膜鋪接至防滲墻部位，形成完整封閉的防滲系統(tǒng)?？紤]地下水位埋深較淺，采用排水盲溝和排水井相結(jié)合的排水措施。在二、三級(jí)馬道及渠坡坡腳設(shè)排水盲溝，在二、三級(jí)渠坡坡頂設(shè)置排水井，分別降低坡表以下2 m和換填土與巖土層結(jié)合面內(nèi)等淺層、坡表以下5 m內(nèi)相對(duì)深層的地下水。采用微型樁、抗滑樁和傘形錨等加固支護(hù)變形渠坡。一級(jí)馬道以上的渠坡如發(fā)生變形采取微型樁、抗滑樁和傘形錨等局部支護(hù)措施。若施工期已采取了抗滑樁、微型樁等處理措施，在一級(jí)馬道靠近二級(jí)渠坡坡腳設(shè)置抗滑樁，增加渠坡的阻滑力，提高渠坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

表5 變形體變形成因

1號(hào)變形體應(yīng)急處理對(duì)四級(jí)及部分三級(jí)渠坡刷方減載；永久加固在渠頂設(shè)防滲墻，在二級(jí)馬道、三級(jí)坡腳設(shè)排水孔；刷方減載后敷設(shè)復(fù)合土工膜，二級(jí)渠坡新增兩排微型樁，實(shí)施后渠坡地下水位下降，變形趨于收斂。3號(hào)變形體應(yīng)急處理實(shí)施了傘形錨加固和集水槽排水等措施；永久加固采取二級(jí)渠坡坡腳增設(shè)排水盲溝，三級(jí)渠坡增設(shè)傘形錨支護(hù)，處置后變形速率有所減緩，但未完全收斂；此后，在三級(jí)渠坡增設(shè)6排傘形錨，變形終趨于收斂。8號(hào)變形體應(yīng)急處理對(duì)四級(jí)渠坡刷方減載；永久加固在二、三級(jí)渠坡分別設(shè)微型樁，二、三級(jí)馬道設(shè)排水盲溝，二、三級(jí)渠坡坡頂附近設(shè)排水井，實(shí)施后渠坡地下水位顯著下降，排水降壓效果較好，變形趨于收斂。4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)和7號(hào)變形體已在二、三級(jí)馬道及二級(jí)渠坡坡腳設(shè)排水盲溝，在二級(jí)、三級(jí)渠坡坡頂設(shè)排水井，采取應(yīng)急措施，降低了地下水位，變形速率有所減緩，并將進(jìn)一步永久加固。

4 結(jié) 論

a.深挖方膨脹土渠段渠坡受大氣和環(huán)境影響更顯著，運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)巡視檢查和安全監(jiān)測(cè)。

b.變形的深挖方渠段為中膨脹土，地下水為上層滯水，埋深較淺。渠坡表層雖采用改性土換填，但未能完全隔絕膨脹土與大氣的水汽交換。坡面形成后，上層滯水仍受降雨補(bǔ)給，地下水位隨季節(jié)變化，一級(jí)馬道以上渠坡在多年反復(fù)干濕循環(huán)下，短小裂隙逐步貫通，裂隙結(jié)構(gòu)面加速軟化，渠坡產(chǎn)生蠕動(dòng)變形。

c.采取排水和抗滑支護(hù)相結(jié)合的加固處置措施，可有效降低地下水位，減少干濕循環(huán)對(duì)淺層膨脹土的影響，同時(shí)提升渠坡淺層的抗滑能力，有利于阻止高地下水位深挖方膨脹土渠坡的變形。