高地下水位深挖方膨脹土渠坡運行期變形特征及其影響因素

胡 江，楊宏偉，李 星，馬福恒

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

膨脹土渠坡滑坡具有漸進性、季節性、滯后性和反復性等特征，我國南水北調中線、引江濟淮和北疆供水等多個調水工程都面臨膨脹土渠坡的變形破壞等問題[1-3]。眾多學者在膨脹土渠坡的變形機理、防滲排水和抗滑措施等方面開展了大量研究。例如：李青云等[4]開展了挖方膨脹土渠坡變形破壞機理的現場和物理模型試驗，發現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果；鈕新強等[1]總結了南水北調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構面控制型兩類；陸定杰等[5]分析了南水北調中線工程南陽段膨脹土渠坡施工期滑坡事故，發現滑坡多發生在第四系中更新統al-plQ2層，滑動面由后緣陡傾裂隙和前緣緩傾長大裂隙組成，坡面以下4～8 m深度存在一個高濕度帶；蔡耀軍[6]總結地質勘察資料發現，當挖深超過10 m且有長大裂隙或層間軟弱面時，膨脹土渠坡破壞機理發生根本性變化，須采取抗滑樁和坡腳支護措施。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行期穩定，如南水北調中線工程通水運行后深挖方膨脹土渠坡受地下水影響顯著，局部變形超過參考值，成為工程安全輸水和高效運行的潛在隱患，以防為主結合加固處理的措施對保障工程的長期穩定性意義重大。

表1 深挖方膨脹土渠坡變形體的基本情況

本文以一調水工程南陽盆地中一段挖深超過15 m的高地下水位深挖方渠坡為例，依據地質勘察、施工期和運行期資料[7-9]，總結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，從工程與水文地質、降雨與地下水位等內外因素綜合分析變形機制，評判加固處置措施效果，以期為類似工程運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

該調水工程總干渠膨脹土渠段以南陽盆地段最集中，該段渠坡具有挖深大、地質結構復雜等特點，挖深超過10 m的渠段長達144 km，最大坡高超過40 m，施工期發生滑坡約100處。以樁號8+000～12+000段為例開展研究，該段渠坡挖深39～45 m。過水斷面坡比1∶3，一級馬道寬5 m，一級馬道以上每隔6 m設一級馬道，除四級馬道寬50 m外其余均為2 m寬，一至四級馬道間渠坡坡比均為1∶2.5，四級馬道以上渠坡坡比為1∶3。渠道全斷面換填水泥改性土，過水斷面、一級馬道以上換填厚度分別為1.5 m和1.0 m。護坡采用混凝土拱圈和拱內植草方式，各級馬道均設有縱向排水溝，坡面設有橫向排水溝。渠坡典型斷面見文獻[2]。

渠坡由第四系中更新統粉質黏土、黏土以及鈣質結核粉質黏土組成。第一層為粉質黏土，硬塑，弱偏中等膨脹，脹縮、微及小裂隙和大裂隙較發育，大及長大裂隙在地下水較豐富的地帶發育，常形成裂隙密集帶；第二層為黏土，硬塑-硬可塑，中等膨脹，微及小裂隙較發育，大及長大裂隙不甚發育；第三層為鈣質結核粉質黏土，硬塑，中等膨脹，裂隙不發育。裂隙結構面多光滑、抗剪強度低是渠坡穩定的控制性因素，也制約變形和滑坡形態與規模。裂隙面黏聚力為10 kPa，內摩擦角為10°。渠坡開挖范圍內地下水主要為上層滯水，處于大氣影響帶下部，受雨水入滲補給，地下水位隨季節變化大。

渠坡主要工程地質問題有土體脹縮和滑坡失穩，支護以提高過水斷面穩定性為主。在過水斷面設間距為4.0～4.5 m的方樁和坡面梁支護體系，一級馬道以上渠坡依據開挖揭露的裂隙情況采取局部支護措施。如左8+740～8+860一級馬道以上渠坡未設抗滑樁，右11+650～11+800三級渠坡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置樁長為12 m、10 m的抗滑樁，樁間距均為4 m[7-11]。

1.2 運行期變形體情況

通水運行后，部分渠段出現坡中拱圈拉裂、坡腳拱圈斷裂翹起、過水斷面襯砌板開裂隆起等剛性結構破損現象。依據變形監測結果，2016年以來有8處渠坡變形未完全收斂(表1)，A向(朝渠道內方向)累計位移超過了設計參考值30 mm，存在較嚴重的剪切變形。

1.3 施工期滑坡情況

該段渠道開挖時共出現14處滑坡。底滑面完全或大部分追蹤到長大裂隙面或平緩裂隙密集帶，裂隙連通性好，是滑動面和剪出口的主要部位，且均位于大氣影響帶及過渡帶，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處變形體相關的施工期3處滑坡的示意圖見圖1，特征、成因及處理措施見表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 渠坡變形特征及內外因素關系

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號和8號變形體為例說明變形體的外觀病害。3號變形體外觀病害見圖2，三、四級渠坡下部拱骨架裂縫連續、規律性強；二級馬道排水溝存在擠壓變形[2]。

圖2 3號變形體的外觀病害(單位：m)

為查明裂縫的位置和走向，在3號變形體挖了6個探坑，存在裂縫和洇濕的有5個，如圖3所示。左8+840斷面三級渠坡坡腳探坑周邊土體洇濕，坑底滲水；左8+800斷面四級渠坡坡腳探坑深入原狀土內15～20 cm，坑底土體濕潤，坑內少許積水，強降雨階段坑內積水水位穩定，水深約40 cm；左8+818斷面四級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，但未見滲水。

8號變形體二級渠坡坡腳拱圈隆起開裂，三、四級渠坡坡中部拱圈拉裂，四級渠坡和四級馬道大平臺排水溝有不同程度滲水，具體外觀病害分布見圖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，但三、四級渠坡坡腳有滲水，即大氣降水透過了改性土換填層。

圖4 8號變形體的外觀病害(單位：m)

2.2 變形體幾何形態

圖5 4號變形體測斜管和測壓管布置

通過變形監測數據判斷變形體幾何形態，以內部變形是否存在突變判斷潛在剪切變形帶。以4號變形體為例，測斜管和測壓管的布置見圖5。左9+300斷面的典型觀測日的內部變形見圖6，各測斜管最大變形處測值與降水量的變化過程見圖7(圖中IN05表示樁號斷面上編號為05的測斜管)。選取2021年3月5日的內部A向累計位移和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，結果見圖8。

圖6 左9+300斷面各測斜管A向累計位移變化

圖7 左9+300斷面各測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，變形體仍在發展，還處于蠕變階段。變形具有明顯的季節性和間歇性，雨季發展快；經過季節性干濕循環后，來年雨季蠕變復活，又產生新的蠕變。結合圖2～4、圖8中的外觀變形、病害和內部變形可知，兩個斷面變形體范圍為一至四級馬道范圍內渠坡。由于過水斷面抗滑樁的阻滑作用，變形體前緣沿二級渠坡坡腳剪出，一級馬道反翹；后緣到達四級渠坡。

同樣地分析其他變形體幾何形態，結果列于表3。變形體范圍主要在一至四級馬道范圍內，變形垂直于水流方向指向渠道過水斷面，7號變形體五級渠坡也存在變形。當設置了抗滑樁時(1號、4～8號變形體)，一、二、三級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，及過水斷面方樁+坡面梁框架支護體系上部或頂部，出口位于一級馬道附近。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，過渡帶深3～7 m。淺層滑動主要受脹縮裂隙控制，滑體厚一般為2～6 m。由文獻[12]可知，南陽地區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，比一般經驗值偏大。由表3可知，考慮到在雨季長時間降雨作用下，坡面以下7 m深度區域內可能處于飽和狀態。深挖方渠坡的淺層變形和滑動規模相對較大。

2.3 變形體受地下水位影響機制

為監測渠坡換填土隔斷大氣降水的效果，在右9+300斷面四級馬道布置了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月的測值過程線見圖9。

圖9 換填層土壤含水量與降水量過程線

由于地表徑流和水分蒸發等原因，入滲量要小于降水量。有效降水量計算方法見文獻[2,13]，這里有效雨量系數取0.84，前期降雨影響選取15 d。采用灰色關聯度度量降雨與換填層土體含水量的相關性，灰色關聯度計算方法見文獻[14]，各層含水量與有效降水量的相關度分別為0.743、0.723和0.713，灰色關聯度都大于0.6，相關性較好。可見，換填層土壤含水量與降雨關系密切。

表4 變形體斷面地下水分布及其與降水量的關系

開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黏土和黏土中裂隙密集帶中，受雨水入滲補給。上層滯水埋藏較淺，埋深一般為2～4 m，且隨季節變化大，在長時間降雨期水位上升，略低于地表。渠道形成后，渠肩部分的地下水位會下降1～3 m，影響范圍至渠肩后10～30 m。

渠段埋設了滲壓計和測壓管監測地下水位，監測結果也顯示發生變形的渠段渠坡地下水位較高。部分施工期發生滑坡的渠段如1號、4號、5號和8號變形體在運行過程中仍有嚴重變形現象。以左9+300斷面三級渠坡為例，地下水位和降水量過程線見圖10，渠坡地下水位較高，且與降水量存在一定的相關性，與渠道水位關系不大。有效降水量與地下水位、變形的灰色關聯度分別為0.639和0.610，均大于0.6，相關性較好。

圖10 地下水位與降水量過程線

分析變形體地下水位與降水量的關系，結果見表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變化引起的。該段運行期變形主要發生在地下水位較高的二至四級渠坡。可見，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。在持續降雨期間，雨水入滲導致渠坡土體含水量升高；少雨季節，含水量下降。上層滯水區內的膨脹土反復脹縮，土體中的裂隙與陡傾角長大裂隙逐步貫通，抗剪強度降低，由此產生變形。變形體是原有裂隙貫通引起的沿裂隙面的側向變形形成的。

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、環境與荷載因素共同影響的結果[12,15]。渠坡上部主要為Q2粉質黏土，下部及渠底由Q1粉質黏土、鈣質結核粉質黏土組成。Q2、Q1粉質黏土、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聯性。

內因方面，土體具中等膨脹性，裂隙較發育，不乏緩傾角長大裂隙和裂隙密集帶。外因方面，卸荷作用使原來的裂隙貫通，重力作用使局部應力集中，增加土體的側向變形；同時，渠坡雖采用改性土換填保護，但未能完全隔絕膨脹土與大氣的水汽交換，地下水位受降雨補給、埋深較淺，隨季節變化明顯；在多年往復干濕循環作用下，膨脹土反復脹縮，導致土體中的短小裂隙逐步貫通，裂隙逐年增多、規模逐年增大，進一步導致膨脹土抗剪強度降低，地表水入滲，加速軟化裂隙結構面，使力學強度降低，渠坡產生蠕動變形。

從工程與水文地質(土體的膨脹性、裂隙結構面與地下水位)、降雨等因素綜合分析變形機制，結果見表5。

3.2 變形體加固處置措施

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

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

表5 變形體變形成因

1號變形體應急處理對四級及部分三級渠坡刷方減載；永久加固在渠頂設防滲墻，在二級馬道、三級坡腳設排水孔；刷方減載后敷設復合土工膜，二級渠坡新增兩排微型樁，實施后渠坡地下水位下降，變形趨于收斂。3號變形體應急處理實施了傘形錨加固和集水槽排水等措施；永久加固采取二級渠坡坡腳增設排水盲溝，三級渠坡增設傘形錨支護，處置后變形速率有所減緩，但未完全收斂；此后，在三級渠坡增設6排傘形錨，變形終趨于收斂。8號變形體應急處理對四級渠坡刷方減載；永久加固在二、三級渠坡分別設微型樁，二、三級馬道設排水盲溝，二、三級渠坡坡頂附近設排水井，實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、5號、6號和7號變形體已在二、三級馬道及二級渠坡坡腳設排水盲溝，在二級、三級渠坡坡頂設排水井，采取應急措施，降低了地下水位，變形速率有所減緩，并將進一步永久加固。

4 結 論

a.深挖方膨脹土渠段渠坡受大氣和環境影響更顯著，運行過程中應加強巡視檢查和安全監測。

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給，地下水位隨季節變化，一級馬道以上渠坡在多年反復干濕循環下，短小裂隙逐步貫通，裂隙結構面加速軟化，渠坡產生蠕動變形。

c.采取排水和抗滑支護相結合的加固處置措施，可有效降低地下水位，減少干濕循環對淺層膨脹土的影響，同時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。