南水北调中线工程膨胀土渠段边坡变形研究

张文峰

（河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州450016）

南水北调中线干线工程是缓解我国黄淮海平原水资源严重短缺，优化配置水资源的重大战略性基础设施，先期实施的中线一期工程多年平均年调水量95亿m3，输水干线全长1 432 km，其中涉及膨胀土（岩）的渠段累计长约370 km，约占明渠段的1/3，工程地质条件复杂。膨胀土（岩）是具有胀缩性、裂隙性和超固结性的岩土，工程性质非常特殊。膨胀土（岩）对水分状态的变化十分敏感，这种敏感性会引起膨胀土（岩）体积和强度的变化，往往造成工程建筑物的破坏［1］，与其他工程相比，膨胀土（岩）渠道运行的地质环境、土体状态及其与水相互作用的条件等，使渠道工程中遇到的膨胀土（岩）问题更多、更难应付。膨胀土渠道工程最重要的问题是边坡稳定，如果发生边坡失稳影响到南水北调中线工程正常通水运行，则社会影响巨大。而边坡的失稳破坏是边坡变形发展到一定程度的结果，变形与破坏之间是一个发展过程，其间存在着量、质转化的关系。因此，滑坡在形成以前都具有一定的前兆，为了避免膨胀土渠段滑坡对南水北调中线工程通水造成影响，特开展膨胀土边坡变形控制研究。这里边坡的变形是指边坡未发生整体失稳前的变形或位移，如马道上的局部沉陷、裂缝，边坡上小范围的坍塌、隆起等，此时边坡未整体滑动。在边坡整体失稳前，定性和定量分析边坡的变形及稳定性并进行预测，可采取合理措施进行治理，处理代价和难度均较低，因此开展膨胀土边坡变形控制研究意义重大。

1 一般边坡工程的变形控制要求及风险预警

边坡的位移与坡高、水文地质条件、边坡支护类型、坡顶荷重等多种因素有关，变形计算复杂且不成熟，目前关于边坡位移的计算还未形成完整的计算理论。 《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）［2］及《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2013）［3］等相关规范根据边坡的位移、沉降观测值、支护结构情况以及坡体周边环境来预判边坡的稳定情况。边坡工程施工过程中及监测期间遇到下列情况时应及时报警，并采取相应的应急措施。

（1）有软弱外倾结构面的岩土边坡支护结构坡顶有水平位移迹象或支护结构受力且结构变形有发展；无外倾结构面的岩质边坡支护结构坡顶累计水平位移大于5 mm；土质边坡支护结构坡顶的累计最大水平位移已大于边坡开挖深度的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连续3 d大于2 mm/d。

（2）土质边坡坡顶邻近构筑物的累计沉降、不均匀沉降或整体倾斜已大于现行国家标准《建筑地基基础设计规范》规定允许值的80%，或建筑物的整体倾斜度变化速度已连续3 d每天大于0.000 08。

（3）坡顶邻近构筑物出现新裂缝、原有裂缝有新发展。

（4）坡顶土体出现连续性裂缝且有发展趋势，同时护坡结构发生断裂，错台迹象明显。

（5）边坡底部或周围岩土体已出现可能导致边坡剪切破坏的迹象或其他可能影响安全的征兆。

（6）根据当地工程经验判断已出现其他必须报警的情况。

2 南水北调中线膨胀土边坡变形控制要求及风险预警

对于南水北调中线工程膨胀土渠段，过水断面（一级马道以下）渠坡的高度基本为9 m左右，坡顶不存在构筑物，对于有软弱外倾结构面的坡体采用抗滑桩以及坡面梁等支护结构，坡面防护采用非膨胀性土换填、混凝土衬砌、拱形框架植草、浆砌石拱植草以及植草等单个或综合性方案。结合一般边坡工程变形的控制要求，以及南水北调中线工程膨胀土渠道设计特点和工程安全风险等级分类情况，提出南水北调中线工程膨胀土边坡变形控制要求及监测数据异常风险研判标准。

根据南水北调中线工程正常通水运行受威胁程度将南水北调中线膨胀土渠段工程安全风险分“严重”“较重”“一般”三个等级［4］，膨胀土渠段边坡变形控制及监测数据异常风险研判标准如下。

（1）监测变形或其变化速率≥警戒值时，风险等级为“严重”。当监测部位位于一级马道及其以上坡体时监测部位的累计最大水平位移已大于或等于20 mm，则风险等级为“严重”；当监测部位位于一级马道以下坡体时监测部位的累计最大水平位移已大于或等于边坡开挖深度的1/500，则风险等级为“严重”；监测点位移速度大于5 mm/d时风险等级为“严重”；监测点水平位移速度已连续3 d大于2 mm/d时风险等级为“严重”。

（2）监测变形或其变化速度均小于警戒值时，应根据监测变形过程线进行判断。当累计位移过程线无突变但持续增大、无收敛趋势时，则风险等级为“一般”；当累计位移过程线有突变时，则风险等级为“较重”。

（3）根据以上物理量或其变形速度判断得出某测点的风险等级不同时，应按其中最高等级确定。

3 膨胀土边坡实测资料分析

边坡的变形是一个与时间有关的过程，而这样的变形最终由监测点的位移反映，这里用累计位移、累计位移速度等绝对指标来定量描述边坡变形特征。鉴于监测点布置的缘故，本次实测监测资料为一级马道以上边坡。

（1）累计位移。累计位移指监测点从某个时刻算起到当前时刻发生的总位移，分垂直和水平方向两种位移，也可用三维位移表示监测点在三维空间内发生的位移。累计位移是分析监测点变形特征的一个基本指标，由累计位移可以看出变形区域的位移变化。

设监测点初始空间坐标为（x，y，z），经过时间 t后，其发生的三维累计位移为 ds＝（dx，dy，dz，t），则三维空间的累计位移为［5］

由式（1）可知，经过t后监测点坐标变为（x+dx，y+dy，z+dz，t），在有些情况下，可以将经过 t后测点的坐标近似为原来的坐标（x，y，z）。

（2）累计位移速度。用位移速度表示变形区域的稳定性，监测点在经过时间周期T发生的累计位移速度为

一般认为边坡的变形分为3个阶段，即初始变形阶段、等速变形阶段和加速变形阶段，这是边坡岩土体在重力作用下变形演化所遵循的一个普遍规律。累计位移速度法根据累计位移—时间过程曲线呈现出的特征判断边坡变形的3个阶段，如图1所示。

图1 累计位移—时间过程曲线

（3）实测内部变形观测资料分析。南水北调中线工程某段二级马道上设2支测斜管，桩号分别为8+834和8+839；三级边坡上设3支测斜管，桩号分别为8+835、8+805 和 8+770。

图2（a）为桩号8+834左岸渠坡二级马道测斜管A向（垂直于渠道中心线方向）观测变形过程线，截至2017年6月，累计最大位移为5.13 mm（向渠内变形），未超过边坡变形预警值（20 mm）。2017年11月又对该处监测数据进行了收集，分析其经过一个汛期的变化趋势，见图2（b），可见变形一直处于增长阶段，最大累计位移为8.47 mm。整个过程水平位移速度均小于警戒值，判断该监测点数据异常风险为“一般”。

图3（a）为桩号8+839左岸渠坡二级马道测斜管A向观测变形过程线，截至2017年6月，累计最大位移为7 mm（向渠内变形），未超过边坡变形预警值，且测斜管2 m以下坡体变形收敛，测斜管2 m以上部分变形因坡体换填、大气降雨等的影响而略大，但整体无突变。图3（b）为桩号8+839左岸渠坡二级马道测斜管A向2017年汛后观测变形过程线，可以看出，变形在2017年9月发生突变，土体表层以下2 m范围内变形较大。整个过程水平位移速度均小于警戒值，判断该监测点数据异常风险为“较重”。

图2 桩号8+834左岸渠坡二级马道测斜管观测变形过程线

图3 桩号8+839左岸渠坡二级马道测斜管观测变形过程线

图4（a）为桩号8+835左岸渠坡三级边坡测斜管A向观测变形过程线，截至2017年6月，累计最大位移为8.73 mm（向渠内变形），未超过边坡变形预警值。但位移发生突变，过程线图显示三级坡（测斜管埋深6 m范围内）水平位移持续增大，且无收敛趋势。图4（b）为桩号8+835在2017年汛期后观测得到的变形过程线。可以看出，三级坡（测斜管埋深6 m范围内）水平位移持续增大且最大累计位移为34.21 mm，已经超过边坡变形预警值，故判定该处三级边坡变形监测数据异常风险等级为“严重”。

图5（a）为桩号8+770左岸渠坡三级马道边坡测斜管A向观测变形过程线，截至2017年6月，累计最大位移为9.38 mm（向渠内变形），过程线显示三级坡（测斜管埋深6 m范围内）水平位移持续增大且无收敛趋势，应对其加强观测，必要时采取措施防止发生深层滑坡。

2017年11月又对该处监测数据进行了收集，由于其他原因，采用距该点最近的桩号8+760左岸三级马道的测斜管数据线进行对比分析。桩号8+760左岸三级马道的测斜管启用时间为2017年7月底。图5（b）为桩号8+760左岸渠坡三级马道测斜管A向2017年7月至2017年11月期间的测斜管观测变形过程线。可以看出，位移在2017年9月发生突变，以后持续增大，最大累计位移为19.24 mm，已经接近边坡变形预警值。因此，判定该处三级坡变形监测数据异常风险等级为“严重”，必要时应采取措施防止深层滑坡发生。

图6（a）为桩号8+805左岸渠坡三级马道测斜管A向观测变形过程线，截至2017年6月，累计最大位移为12.08 mm（向渠内变形），过程线显示三级坡（测斜管埋深6 m范围内）水平位移持续增大且无收敛趋势。图6（b）为桩号8+805左岸渠坡三级马道测斜管A向2017年汛后的测斜管观测变形过程线。可以看出，二级马道以下坡体（测斜管埋深6 m以下部分）测斜管观测变形呈收敛趋势，三级坡（测斜管埋深6 m范围内）水平位移发生突变且持续增大，最大累计位移达到57.05 mm，已经超过边坡变形预警值，故判定该处三级坡数据异常风险等级为“严重”。

图4 桩号8+835左岸渠坡三级马道测斜管观测变形过程线

图5 桩号8+770、8+760左岸渠坡三级马道测斜管观测变形过程线

图6 桩号8+805左岸渠坡三级马道测斜管观测变形过程线

从以上分析可知，根据观测斜管的变形资料，桩号8+740—8+860段二级边坡数据异常风险等级为“较重”，三级边坡数据异常风险等级为“严重”。

（4）实测外部变形观测资料分析。桩号8+740—8+860段共设6个外部观测点，其中二级马道3个、三级马道3个，设置桩号分别为8+810、8+830、8+850，对应测点编号分别为 TP02-8810、TP02-8830、TP02-8850、TP03-8810、TP03-8830、TP03-8850。 根据监测数据分别绘制坡面水平位移变化过程线以及累计位移（水平向）趋势线。

由坡面水平位移监测数据可知，截至2017年10月30日，二级马道上测点 TP02-8810、TP02-8830、TP02-8850表面累计最大水平位移分别为14.73、9.77、9.57 mm，均小于20 mm预警值；三级马道上测点TP03-8810、TP03-8830、TP03-8850 表面累计最大水平位移分别为67.52、59.26、32.77 mm，均大于20 mm预警值。由图7可知，二级马道3个测点位移的变化过程较为平缓，处于缓慢增长阶段，无突变现象。三级马道3个测点位移的变化过程在2017年8月以后发生突变，变形显著增大。桩号8+810三级马道水平累计位移由2017年8月25日的33.65 mm突变为2017年9月13日的62.22 mm，桩号8+830三级马道水平累计位移由2017年8月25日的30.33 mm突变为2017年9月13日的51.36 mm，桩号8+850三级马道水平累计位移由2017年8月25日的18.57 mm突变为2017年9月13日的26.96 mm。

图7 桩号8+740—8+860坡面水平位移变化过程线

利用监测数据绘制累计位移（水平向）趋势线，见图8，拟合趋势线确定系数最小为0.905 7，拟合程度较高。可以看出，三级马道桩号8+810（测点 TP03-8810）、8+830（测点 TP03-8830）坡面变形已经进入中加速或临滑加速阶段，桩号8+850（测点TP03-8850）三级马道坡面变形处于初加速阶段。二级马道桩号8+810（测点 TP02-8810）、8+830（测点 TP02-8830）及8+850（测点 TP02-8850）坡面变形处于等速变形阶段。

图8 坡面累计水平位移测值及拟合趋势线

根据以上外部变形监测资料分析结果，结合实测内部变形观测资料（测斜管）分析结论，判断二级边坡风险等级为“较重”，应加强观测；三级边坡风险等级为“严重”，应采取工程措施防止渠坡变形进一步发展。工程实际中，该膨胀土渠段边坡出现一级马道以上防护结构混凝土拱圈裂缝、翘起、坡顶压边混凝土断裂以及坡面纵向排水沟缩窄等现象，各种迹象均表示该段坡体疑似存在滑坡危险，进行应急加固处理后边坡总体情况朝有利方向发展。

4 结 语

南水北调中线膨胀土边坡变形控制要求及风险预警标准基本合理；累计位移速度法能全面反映边坡变形的整个过程，可判断边坡所处的变形阶段，在膨胀土边坡预警中有很强的实用性。

对监测资料进行分析可以推断出边坡的变形趋势和变形规律，据之对边坡的变形进行预报。目前集成多传感器的自动化、智能化在线监测系统已经在南水北调中线总干渠工程中得以应用，尽管该系统获得了大量实时监测数据，但毕竟埋设的观测仪器数量有限，传统的单独分析监测点变形特征不能全面反映渠坡变形的时空变化规律。因此，有学者提出以三维累计位移为分析对象，构建边坡变形趋势面模型分析渠坡变形时空变化规律，并开展实现监测数据的可视化在线分析，这是将来边坡变形研究发展的方向，将对边坡工程的预报产生重大影响。