南水北調中線工程膨脹土渠段邊坡變形研究

張文峰

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州450016）

南水北調中線干線工程是緩解我國黃淮海平原水資源嚴重短缺，優化配置水資源的重大戰略性基礎設施，先期實施的中線一期工程多年平均年調水量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，工程地質條件復雜。膨脹土（巖）是具有脹縮性、裂隙性和超固結性的巖土，工程性質非常特殊。膨脹土（巖）對水分狀態的變化十分敏感，這種敏感性會引起膨脹土（巖）體積和強度的變化，往往造成工程建筑物的破壞［1］，與其他工程相比，膨脹土（巖）渠道運行的地質環境、土體狀態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、更難應付。膨脹土渠道工程最重要的問題是邊坡穩定，如果發生邊坡失穩影響到南水北調中線工程正常通水運行，則社會影響巨大。而邊坡的失穩破壞是邊坡變形發展到一定程度的結果，變形與破壞之間是一個發展過程，其間存在著量、質轉化的關系。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生整體失穩前的變形或位移，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。在邊坡整體失穩前，定性和定量分析邊坡的變形及穩定性并進行預測，可采取合理措施進行治理，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險預警

邊坡的位移與坡高、水文地質條件、邊坡支護類型、坡頂荷重等多種因素有關，變形計算復雜且不成熟，目前關于邊坡位移的計算還未形成完整的計算理論。 《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）［2］及《建筑邊坡工程技術規范》（GB50330—2013）［3］等相關規范根據邊坡的位移、沉降觀測值、支護結構情況以及坡體周邊環境來預判邊坡的穩定情況。邊坡工程施工過程中及監測期間遇到下列情況時應及時報警，并采取相應的應急措施。

（1）有軟弱外傾結構面的巖土邊坡支護結構坡頂有水平位移跡象或支護結構受力且結構變形有發展；無外傾結構面的巖質邊坡支護結構坡頂累計水平位移大于5 mm；土質邊坡支護結構坡頂的累計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3 d大于2 mm/d。

（2）土質邊坡坡頂鄰近構筑物的累計沉降、不均勻沉降或整體傾斜已大于現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》規定允許值的80%，或建筑物的整體傾斜度變化速度已連續3 d每天大于0.000 08。

（3）坡頂鄰近構筑物出現新裂縫、原有裂縫有新發展。

（4）坡頂土體出現連續性裂縫且有發展趨勢，同時護坡結構發生斷裂，錯臺跡象明顯。

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

（6）根據當地工程經驗判斷已出現其他必須報警的情況。

2 南水北調中線膨脹土邊坡變形控制要求及風險預警

對于南水北調中線工程膨脹土渠段，過水斷面（一級馬道以下）渠坡的高度基本為9 m左右，坡頂不存在構筑物，對于有軟弱外傾結構面的坡體采用抗滑樁以及坡面梁等支護結構，坡面防護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。結合一般邊坡工程變形的控制要求，以及南水北調中線工程膨脹土渠道設計特點和工程安全風險等級分類情況，提出南水北調中線工程膨脹土邊坡變形控制要求及監測數據異常風險研判標準。

根據南水北調中線工程正常通水運行受威脅程度將南水北調中線膨脹土渠段工程安全風險分“嚴重”“較重”“一般”三個等級［4］，膨脹土渠段邊坡變形控制及監測數據異常風險研判標準如下。

（1）監測變形或其變化速率≥警戒值時，風險等級為“嚴重”。當監測部位位于一級馬道及其以上坡體時監測部位的累計最大水平位移已大于或等于20 mm，則風險等級為“嚴重”；當監測部位位于一級馬道以下坡體時監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，則風險等級為“嚴重”；監測點位移速度大于5 mm/d時風險等級為“嚴重”；監測點水平位移速度已連續3 d大于2 mm/d時風險等級為“嚴重”。

（2）監測變形或其變化速度均小于警戒值時，應根據監測變形過程線進行判斷。當累計位移過程線無突變但持續增大、無收斂趨勢時，則風險等級為“一般”；當累計位移過程線有突變時，則風險等級為“較重”。

（3）根據以上物理量或其變形速度判斷得出某測點的風險等級不同時，應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的過程，而這樣的變形最終由監測點的位移反映，這里用累計位移、累計位移速度等絕對指標來定量描述邊坡變形特征。鑒于監測點布置的緣故，本次實測監測資料為一級馬道以上邊坡。

（1）累計位移。累計位移指監測點從某個時刻算起到當前時刻發生的總位移，分垂直和水平方向兩種位移，也可用三維位移表示監測點在三維空間內發生的位移。累計位移是分析監測點變形特征的一個基本指標，由累計位移可以看出變形區域的位移變化。

設監測點初始空間坐標為（x，y，z），經過時間 t后，其發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，經過t后監測點坐標變為（x+dx，y+dy，z+dz，t），在有些情況下，可以將經過 t后測點的坐標近似為原來的坐標（x，y，z）。

（2）累計位移速度。用位移速度表示變形區域的穩定性，監測點在經過時間周期T發生的累計位移速度為

一般認為邊坡的變形分為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律。累計位移速度法根據累計位移—時間過程曲線呈現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）實測內部變形觀測資料分析。南水北調中線工程某段二級馬道上設2支測斜管，樁號分別為8+834和8+839；三級邊坡上設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（向渠內變形），未超過邊坡變形預警值（20 mm）。2017年11月又對該處監測數據進行了收集，分析其經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，判斷該監測點數據異常風險為“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（向渠內變形），未超過邊坡變形預警值，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月發生突變，土體表層以下2 m范圍內變形較大。整個過程水平位移速度均小于警戒值，判斷該監測點數據異常風險為“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（向渠內變形），未超過邊坡變形預警值。但位移發生突變，過程線圖顯示三級坡（測斜管埋深6 m范圍內）水平位移持續增大，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）水平位移持續增大且最大累計位移為34.21 mm，已經超過邊坡變形預警值，故判定該處三級邊坡變形監測數據異常風險等級為“嚴重”。

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（向渠內變形），過程線顯示三級坡（測斜管埋深6 m范圍內）水平位移持續增大且無收斂趨勢，應對其加強觀測，必要時采取措施防止發生深層滑坡。

2017年11月又對該處監測數據進行了收集，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據線進行對比分析。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月發生突變，以后持續增大，最大累計位移為19.24 mm，已經接近邊坡變形預警值。因此，判定該處三級坡變形監測數據異常風險等級為“嚴重”，必要時應采取措施防止深層滑坡發生。

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（向渠內變形），過程線顯示三級坡（測斜管埋深6 m范圍內）水平位移持續增大且無收斂趨勢。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）水平位移發生突變且持續增大，最大累計位移達到57.05 mm，已經超過邊坡變形預警值，故判定該處三級坡數據異常風險等級為“嚴重”。

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，根據觀測斜管的變形資料，樁號8+740—8+860段二級邊坡數據異常風險等級為“較重”，三級邊坡數據異常風險等級為“嚴重”。

（4）實測外部變形觀測資料分析。樁號8+740—8+860段共設6個外部觀測點，其中二級馬道3個、三級馬道3個，設置樁號分別為8+810、8+830、8+850，對應測點編號分別為 TP02-8810、TP02-8830、TP02-8850、TP03-8810、TP03-8830、TP03-8850。 根據監測數據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。

由坡面水平位移監測數據可知，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，無突變現象。三級馬道3個測點位移的變化過程在2017年8月以后發生突變，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突變為2017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突變為2017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突變為2017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

利用監測數據繪制累計位移（水平向）趨勢線，見圖8，擬合趨勢線確定系數最小為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）坡面變形已經進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

根據以上外部變形監測資料分析結果，結合實測內部變形觀測資料（測斜管）分析結論，判斷二級邊坡風險等級為“較重”，應加強觀測；三級邊坡風險等級為“嚴重”，應采取工程措施防止渠坡變形進一步發展。工程實際中，該膨脹土渠段邊坡出現一級馬道以上防護結構混凝土拱圈裂縫、翹起、坡頂壓邊混凝土斷裂以及坡面縱向排水溝縮窄等現象，各種跡象均表示該段坡體疑似存在滑坡危險，進行應急加固處理后邊坡總體情況朝有利方向發展。

4 結 語

南水北調中線膨脹土邊坡變形控制要求及風險預警標準基本合理；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，在膨脹土邊坡預警中有很強的實用性。

對監測資料進行分析可以推斷出邊坡的變形趨勢和變形規律，據之對邊坡的變形進行預報。目前集成多傳感器的自動化、智能化在線監測系統已經在南水北調中線總干渠工程中得以應用，盡管該系統獲得了大量實時監測數據，但畢竟埋設的觀測儀器數量有限，傳統的單獨分析監測點變形特征不能全面反映渠坡變形的時空變化規律。因此，有學者提出以三維累計位移為分析對象，構建邊坡變形趨勢面模型分析渠坡變形時空變化規律，并開展實現監測數據的可視化在線分析，這是將來邊坡變形研究發展的方向，將對邊坡工程的預報產生重大影響。