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）對水分狀態(tài)的變化十分敏感，這種敏感性會引起膨脹土（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，此時邊坡未整體滑動。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)，變形計算復(fù)雜且不成熟，目前關(guān)于邊坡位移的計算還未形成完整的計算理論。 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(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應(yīng)及時報警，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)睦塾嬜畲笏轿灰埔汛笥谶吰麻_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，同時護(hù)坡結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，錯臺跡象明顯。

（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)驗判斷已出現(xiàn)其他必須報警的情況。

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

對于南水北調(diào)中線工程膨脹土渠段，過水?dāng)嗝妫ㄒ患夞R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)計特點和工程安全風(fēng)險等級分類情況，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)險分“嚴(yán)重”“較重”“一般”三個等級［4］，膨脹土渠段邊坡變形控制及監(jiān)測數(shù)據(jù)異常風(fēng)險研判標(biāo)準(zhǔn)如下。

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

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

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

3 膨脹土邊坡實測資料分析

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

（1）累計位移。累計位移指監(jiān)測點從某個時刻算起到當(dāng)前時刻發(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)測點在三維空間內(nèi)發(fā)生的位移。累計位移是分析監(jiān)測點變形特征的一個基本指標(biāo)，由累計位移可以看出變形區(qū)域的位移變化。

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

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

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

一般認(rèn)為邊坡的變形分為3個階段，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普遍規(guī)律。累計位移速度法根據(jù)累計位移—時間過程曲線呈現(xiàn)出的特征判斷邊坡變形的3個階段，如圖1所示。

圖1 累計位移—時間過程曲線

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

圖2（a）為樁號8+834左岸渠坡二級馬道測斜管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月又對該處監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，分析其經(jīng)過一個汛期的變化趨勢，見圖2（b），可見變形一直處于增長階段，最大累計位移為8.47 mm。整個過程水平位移速度均小于警戒值，判斷該監(jiān)測點數(shù)據(jù)異常風(fēng)險為“一般”。

圖3（a）為樁號8+839左岸渠坡二級馬道測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計最大位移為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8+839左岸渠坡二級馬道測斜管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。整個過程水平位移速度均小于警戒值，判斷該監(jiān)測點數(shù)據(jù)異常風(fēng)險為“較重”。

圖2 樁號8+834左岸渠坡二級馬道測斜管觀測變形過程線

圖3 樁號8+839左岸渠坡二級馬道測斜管觀測變形過程線

圖4（a）為樁號8+835左岸渠坡三級邊坡測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計最大位移為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8+835在2017年汛期后觀測得到的變形過程線。可以看出，三級坡（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，故判定該處三級邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)異常風(fēng)險等級為“嚴(yán)重”。

圖5（a）為樁號8+770左岸渠坡三級馬道邊坡測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計最大位移為9.38 mm（向渠內(nèi)變形），過程線顯示三級坡（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)對其加強(qiáng)觀測，必要時采取措施防止發(fā)生深層滑坡。

2017年11月又對該處監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，由于其他原因，采用距該點最近的樁號8+760左岸三級馬道的測斜管數(shù)據(jù)線進(jìn)行對比分析。樁號8+760左岸三級馬道的測斜管啟用時間為2017年7月底。圖5（b）為樁號8+760左岸渠坡三級馬道測斜管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，判定該處三級坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)異常風(fēng)險等級為“嚴(yán)重”，必要時應(yīng)采取措施防止深層滑坡發(fā)生。

圖6（a）為樁號8+805左岸渠坡三級馬道測斜管A向觀測變形過程線，截至2017年6月，累計最大位移為12.08 mm（向渠內(nèi)變形），過程線顯示三級坡（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8+805左岸渠坡三級馬道測斜管A向2017年汛后的測斜管觀測變形過程線。可以看出，二級馬道以下坡體（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，故判定該處三級坡數(shù)據(jù)異常風(fēng)險等級為“嚴(yán)重”。

圖4 樁號8+835左岸渠坡三級馬道測斜管觀測變形過程線

圖5 樁號8+770、8+760左岸渠坡三級馬道測斜管觀測變形過程線

圖6 樁號8+805左岸渠坡三級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8+740—8+860段二級邊坡數(shù)據(jù)異常風(fēng)險等級為“較重”，三級邊坡數(shù)據(jù)異常風(fēng)險等級為“嚴(yán)重”。

（4）實測外部變形觀測資料分析。樁號8+740—8+860段共設(shè)6個外部觀測點，其中二級馬道3個、三級馬道3個，設(shè)置樁號分別為8+810、8+830、8+850，對應(yīng)測點編號分別為 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，二級馬道上測點 TP02-8810、TP02-8830、TP02-8850表面累計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；三級馬道上測點TP03-8810、TP03-8830、TP03-8850 表面累計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，二級馬道3個測點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。三級馬道3個測點位移的變化過程在2017年8月以后發(fā)生突變，變形顯著增大。樁號8+810三級馬道水平累計位移由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8+830三級馬道水平累計位移由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8+850三級馬道水平累計位移由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。可以看出，三級馬道樁號8+810（測點 TP03-8810）、8+830（測點 TP03-8830）坡面變形已經(jīng)進(jìn)入中加速或臨滑加速階段，樁號8+850（測點TP03-8850）三級馬道坡面變形處于初加速階段。二級馬道樁號8+810（測點 TP02-8810）、8+830（測點 TP02-8830）及8+850（測點 TP02-8850）坡面變形處于等速變形階段。

圖8 坡面累計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)合實測內(nèi)部變形觀測資料（測斜管）分析結(jié)論，判斷二級邊坡風(fēng)險等級為“較重”，應(yīng)加強(qiáng)觀測；三級邊坡風(fēng)險等級為“嚴(yán)重”，應(yīng)采取工程措施防止渠坡變形進(jìn)一步發(fā)展。工程實際中，該膨脹土渠段邊坡出現(xiàn)一級馬道以上防護(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，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)險預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)基本合理；累計位移速度法能全面反映邊坡變形的整個過程，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)的實用性。

對監(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)之對邊坡的變形進(jìn)行預(yù)報。目前集成多傳感器的自動化、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)獲得了大量實時監(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)測點變形特征不能全面反映渠坡變形的時空變化規(guī)律。因此，有學(xué)者提出以三維累計位移為分析對象，構(gòu)建邊坡變形趨勢面模型分析渠坡變形時空變化規(guī)律，并開展實現(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，將對邊坡工程的預(yù)報產(chǎn)生重大影響。