南水北调中线膨胀土（岩）渠段问题及成因分析

马慧敏 何向东 张帅 刘吉永

摘 要：对南水北调中线工程膨胀土（岩）渠段常见实体问题及成因进行了总结与分析，指出：膨胀土（岩）渠段实体问题一般可分为过水断面的原边坡、处理层、防护层实体问题以及非过水断面的原边坡、处理层、防护层实体问题。总干渠过水断面的原边坡或者处理层破坏会影响渠道正常运行，后果严重，应避免非自然原因引起的此类破坏。非过水断面的原边坡或者处理层破坏一般不会影响渠道正常运行，但应排除影响到过水断面的深层边坡滑动以及大方量滑坡破坏影响到渠道正常运行。对于防护层出现损坏的应综合分析是否与边坡深层破坏有关，并根据研究结果提出相应的研判标准。

关键词：膨胀土（岩）边坡;实体问题;南水北调中线工程

中图分类号：TV91 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.027

Abstract：This paper summarized and analyzed the common physical issues and causes of the drainage section of expansive soil（rock） in the middle line of South-to-North Water Diversion Project. It is pointed out that the physical issues of expanded geotechnical channel can be generally divided into the original slope， treatment layer and physical issues of protection layer of flow section and original slope， treatment layer and physical issues of protection layer of non-flow section. The destruction of the original slope or the filling layer of the main canal cross section will affect the normal operation of the channel， and the consequences are serious. Such damage caused by unnatural causes should be avoided. The failure of the original slope or filling layer of the non-flow section generally does not affect the normal operation of the channel， but it should be ruled out that the deep slope sliding that affects the flow section and the extensive landslide damage affects the normal operation of the channel. According to the relevant monitoring data， it is necessary to comprehensively analyze whether the damage to the protective layer is related to the deep slope damage， such as whether the accumulated displacement of the slope exceeds the alert value， whether the monitoring data has mutated， etc.， and according to the research results， the corresponding evaluation standards are put forward.

Key words： expansive soil slope;substantive issues; Middle Route Project of South to North Water Transfer

南水北調中线工程自2003年12月开工建设，至2014年12月正式通水，历时11 a。工程建设期间，南水北调工程各项目法人、设计、施工、建设管理等工程参建单位，以及相关科研院所、高等院校，先后开展了包括南水北调工程“十一五”国家科技支撑计划重大项目“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”以及“十二五”国家科技支撑计划项目“南水北调中线工程膨胀土和高填方渠道建设关键技术研究与示范”等多项科技项目的研究，取得了丰硕的成果，为工程顺利建设奠定了技术基础。目前，南水北调中线工程已全面进入运行期，日常管理维护过程中发现工程还存在一些诸如膨胀土（岩）渠段渠坡浅层破坏，渠道衬砌面板局部隆起、沉陷、裂缝，坡顶截流沟破坏，坡面排水沟裂缝、变形等情况。这些问题若不能及时正确处理，随着时间的推移，一些小的缺陷可能会进一步转化、发展，进而影响工程运行安全[1]。

1 膨胀土（岩）渠段常见实体问题分类

一般膨胀土（岩）边坡的处理方法为在其表层换填非膨胀土以起到压重、吸收膨胀变形和保护底部膨胀土（岩）不受大气降雨影响的作用，当边坡内地下水位较高时设置排水措施将坡体内地下水导出。坡面表层防护非过水断面采用六棱体框格+植草、混凝土（浆砌石）拱形骨架或菱形框格加植草的措施，过水断面采用混凝土衬砌或坡面梁+混凝土衬砌等措施，以减小降雨对浅层边坡的影响。当边坡内存在长大裂隙时考虑采用深层支挡措施，例如采用抗滑桩、树根桩等进行处理[2]，因此膨胀土（岩）边坡在垂直分带上依次为原边坡、处理层、防护层。对于输水渠道，按边坡是否过水分为过水断面和非过水断面。因此，对于膨胀土（岩）渠段实体问题一般可分为过水断面的原边坡、处理层、防护层实体问题和非过水断面的原边坡、处理层、防护层实体问题。

南水北调中线工程总干渠过水断面的原边坡或者换填层出现破坏会影响渠道正常运行，后果严重，应避免非自然原因引起的此类破坏。对于过水断面防护层的破坏，如衬砌板隆起、裂缝、错台等问题，应分析原因及时修复，避免造成更大的损害。

非过水断面的原边坡或者换填层破坏一般不会影响渠道正常运行，但应排除影响到过水断面的深层边坡滑动以及大方量滑坡破坏。对于非过水断面防护层的破坏，如截流沟、排水沟、混凝土拱圈、菱形框格破坏等问题，应逐步分析原因，排除原边坡或者处理层破坏引起的防护结构破坏，并及时修复，避免造成更大的损害。

根据以上膨胀土（岩）渠段问题发生的性质、部位、危害程度和风险将膨胀土（岩）渠段问题情况划分为膨胀土（岩）边坡坡体破坏问题（即原边坡和换填层破坏）、膨胀土（岩）边坡坡面防护结构破坏问题和膨胀土（岩）边坡坡顶防护结构破坏问题三大类。其中：膨胀土（岩）边坡坡体破坏问题又分为边坡整体（深层）失稳破坏和坡面（浅层）破坏问题;膨胀土（岩）边坡坡面防护结构破坏问题又分为过水断面渠道边坡防护破坏问题和非过水断面渠道边坡防护破坏问题;膨胀土（岩）边坡坡顶防护结构破坏问题即坡顶截流沟破坏问题。

因边坡本身的稳定度不足，加上随着时间的推移边坡发生徐变而最终导致失稳形成局部或整体滑坡破坏，这类边坡破坏一般规模较大，将之定义为坡体深层破坏。边坡本身满足稳定性要求，但因常年直接暴露在自然大气环境中，经常受到各种自然环境如降雨、风雪、阳光等的影响，使边坡岩土层物理化学性质及受力状态发生变化，进而引发各种变形破坏，其中坡面水流的冲刷破坏最为显著，会使边坡上表层土体强度降低显著，由此引发的失稳破坏一般规模较小，将之定义为坡体浅层破坏。膨胀土边坡换填层因坡后地下水位变化而失稳，也定义为坡体浅层破坏。

深层破坏问题一般可以在设计时充分考虑，但是鉴于膨胀土（岩）的特殊性，即使设计稳定的边坡也有可能在运行过程中发生破坏。浅层破坏问题而较难预测和避免，边坡冲刷为渠道边坡最常见病害，多数属于雨水引起的坡面浅层破坏问题。换填层浅层破坏一般在设计中考虑增设排水措施加以克服，但是运行过程中仍可能发生。

2 边坡坡体实体问题及原因分析

2.1 内坡深层实体问题

南水北调中线工程总干渠渠道边坡的深层破坏是指渠道边坡坍塌或者出现滑坡现象。目前，未出现影响正常通水运行的渠道内坡深层实体问题。南水北调中线某段疑似出现一级马道以上边坡深层实体问题，特征如下：四級坡中上部混凝土拱架出现裂缝，二级马道排水沟向渠内方向倾斜（见图1），一级坡出现混凝土衬砌板裂缝等。

坡面防护结构的破坏只是一个表面现象，比如防护体表面出现裂缝、错台等现象都是坡体内部已经出现破坏的体现，因此可以从坡面的破坏探究边坡内部的破坏。分析认为该段地质条件复杂，有全线挖深最大的边坡（最高达47 m），边坡下部分布有中强膨胀土，中下部有强、中膨胀土夹层，一级马道附近分布有弱、中膨胀土界面，具有发生较大滑坡的内在因素。二级马道排水沟侧墙与底板未整体浇筑，导致坡面局部变形时排水沟也变形、脱开。一级马道地面水进入衬砌板下方，扬压力大于渠道内水压力和衬砌板自重时，衬砌板上浮力分布不均，可能使其开裂。从监测数据可以看出，钢筋计受力一直在增大，边坡位移呈缓慢增加趋势，因此疑似该段一级马道以上发生了深层滑动，需及时处理。

2.2 内坡浅层实体问题

内坡浅层破坏包括坡面侵蚀、剥落、蠕变、位移、滑塌等，一般对正常输水影响较小。

地表以下膨胀土（岩）的分布具有较为明显的分带特征，在地层垂向上大致可分为三个带，即大气影响带、过渡带、非影响带。研究表明，膨胀土（岩）地区的大气影响带深度一般为1.0～2.5 m，最深不大于3.0 m，因土性和当地气候环境条件的不同而呈现一定的差异。大气影响带的土体长期经受干湿循环，胀缩裂隙发育，整体性遭到破坏，表层土被裂隙分割成散粒状，增大了表面蒸发面积，加速了水分流失而导致其松散剥落，遇降雨时吸水膨胀，形成坡面冲沟。

总干渠南阳、新乡段膨胀土（岩）试验及类似工程经验表明，采取改性土（或非膨胀土）表层保护与拱支撑框架相结合的工程措施防治

冲沟（雨淋沟）、减少大气对膨胀土（岩）渠坡表层土的破坏作用、抑制膨胀土（岩）渠坡的浅层滑动、减少膨胀土（岩）膨胀变形对渠道衬砌结构的破坏作用等能起到较好的效果。目前弱膨胀土（岩）渠段一级马道以上未进行换填处理，虽然采取了一定的表层防护措施，但在强降雨条件下，易出现局部冲刷、滑塌的情况。如南水北调中线某全挖方渠段边坡坡比从下向上为1∶2.0、1∶1.5，渠底到一级马道以上2 m范围内为弱膨胀性粉质黏土，一级马道以下弱膨胀土采用换填处理，一级马道以上护坡形式为预制混凝土六角框格加植草防护，坡面和马道设置排水沟，横向排水沟间距60 m，纵向排水沟设置在各级马道上靠近坡脚一侧，与横向排水沟贯通，雨后出现一级马道以上边坡坍塌问题。

分析认为，暴雨入渗使草皮护坡下的坡体（上层黄土状粉质壤土，下层弱膨胀性粉质黏土）饱和软化，尤其坡脚处的弱膨胀性粉质黏土表层土体抗剪强度明显降低，造成坡脚表层土体滑移、坍塌，一般深度不超过1 m。

3 边坡坡面防护实体问题及原因分析

3.1 过水断面渠道边坡防护结构实体问题

渠道混凝土衬砌可以提高渠道水流输送的效率，增强渠道的耐久性，使渠道防渗节水，为渠道提供了一层保护屏障。南水北调中线总干渠全线渠道过水断面均采用现浇混凝土衬砌，为南水北调中线渠道高效、安全运行提供了可靠保障，但现浇混凝土衬砌容易出现隆起、裂缝，若不及时处理将逐渐导致渠道衬砌发生破坏，特别是在膨胀土（岩）渠段可能引起深层边坡滑塌，故对衬砌面板隆起、裂缝应高度重视。

渠道衬砌板裂缝包括塑性收缩裂缝、沉陷裂缝、冻热胀裂缝。混凝土在凝结前表面因失水较快而产生收缩裂缝，其常出现在混凝土表面，互不连贯，裂缝较浅，形状规则长短不一，一般在混凝土浇筑后2～3 h出现，此类裂缝为施工期裂缝，与膨胀土（岩）无关。沉陷裂缝常见于渠基换填处和工程地质不稳定地区，呈贯穿性，往往上下或左右有一定的错距，其产生的原因是混凝土衬砌板下的地基或垫层压实不均匀，局部有松软地基，压实度不够。在冬季输水渠道上，水流温度较高，水面附近的渠坡渠基冻胀力最大，常出现纵向裂缝，且渠道阴坡、阳坡因日照不同而表现出冻胀程度差异较大，阴坡比阳坡遭受冻胀破坏明显。物体受热膨胀，遇冷收缩，渠道衬砌也一样，夏季受热混凝土板伸长，冬季遇冷，混凝土板收缩，混凝土板收缩时断面上产生较大的拉应力，当拉应力大于混凝土板抗拉应力时就出现开裂、断开，此种裂缝一般沿渠道横断面出现，伸缩缝间距越大，越容易产生衬砌伸缩裂缝。南水北调中线工程衬砌板裂缝多为冻热胀裂缝，以及因衬砌板下地下水位变化而使渠道产生内外水位差引起的衬砌板错位、裂缝，对于膨胀土（岩）地区则常出现渠基不均匀沉降引起的沉陷裂缝等。

3.2 非过水断面渠道边坡防护结构破坏问题

坡面防护的前提条件是坡面处于稳定状态，其主要作用：一是减缓温差与湿度变化的影响以延缓膨胀土（岩）表面的风化、碎裂、剥蚀演变进程;二是隔离边坡上土体以减少坡面水流对表面土体的直接冲刷，从而维持边坡的浅层稳定性，并在一定程度上兼顾美化和协调自然环境。

非过水断面渠道边坡防护结构实体问题主要是混凝土拱架裂缝、排水沟变形等。经分析，混凝土拱架产生裂缝的主要原因为：一是结构形式造成的，其顶部固端与悬壁结构的结合部位混凝土未分缝;二是膨胀力的作用使拱架基础变形。排水沟变形主要原因是暴雨集中下泄，渗入马道坡脚下的土体，使土体饱和软化，造成土体大范围滑移，排水沟侧墙变形。

4 坡顶防护实体问题及原因分析

由于修建总干渠后截断了原地面坡水和大量汇水面积不大的排水河沟通道，并且在局部可能会形成积水洼地，使坡面水和积水不能排出，因此为排除总干渠外地面的坡水，疏通串流区和总干渠截断的原有排水通道，需在渠外设置截流沟（或导流沟），将雨水或积水引入附近有排水通道的河沟，截流沟（或导流沟）布置在渠道防护林带外侧。

为避免截流沟中的雨水渗入坡体造成膨胀土（岩）边坡破坏，对膨胀土（岩）在坡顶出露渠段的坡顶截流沟（或导流沟）采取防护截流措施。即采用C15现浇混凝土衬砌，缝内填止水材料，部分渠段在截流沟（或导流沟）衬砌板下铺设土工膜进行防渗，中、强膨胀土（岩）在地表出露的渠段采用非膨胀性土换填对坡面进行封闭，防止地表水入渗和坡面冲刷。同时为减少林带内降雨入渗，要求林帶区域内地面与截流沟一侧坡比不小于2%。

坡顶截流沟破坏问题主要包括截流沟淤堵、排水不畅问题，截流沟衬砌板倒塌、破损、裂缝、隆起等，以及截流沟内水进入坡体导致的截流沟坡体塌陷等。

分析认为直接设置在膨胀土（岩）层中的厚仅5～8 cm的截流沟衬砌板在外侧膨胀土干缩和湿胀过程中会产生斜向甚至碎裂性破坏;截流沟外包防渗土工膜会使截流沟在外水压力作用下上浮，不均匀上浮时会产生横向断裂破坏。

截流沟内水进入坡体，不仅会造成总干渠内坡坡面破坏，而且会影响膨胀土（岩）边坡的整体稳定，雨水进入衬砌板背侧后会造成衬砌板隆起等，危及一级马道以下过水断面的安全，同时渠外水进入总干渠将影响总干渠的水质安全。

5 实体问题研判标准

为了给实际工作中基层管理单位遇到实体问题时提供借鉴和指导，本文根据研究结果提出相应研判标准。

（1）非过水断面混凝土骨架出现连续性裂缝且坡面排水沟出现倾斜、缩窄现象，或以上两种情况有其一发生，经观察均不随时间持续发展（至少经历一个汛期），坡面无明显变形，则有可能是结构本身、外水渗入或土体本身固结引起的问题，判断风险等级为“一般”;非过水断面出现雨淋沟、坡面侵蚀、剥落等因冲刷而引起与膨胀土（岩）相关的可能性较小的问题时，判断风险等级为“一般”。

（2）非过水断面混凝土骨架出现连续性裂缝且坡面排水沟出现倾斜、缩窄现象，或以上两种情况有其一发生，经观察裂缝持续发展或排水沟持续缩窄或坡面局部有明显鼓包、塌陷变形的，但一级马道路面无裂缝、沉陷等问题，过水断面衬砌板无裂缝、隆起、错台等破坏现象发生，则可能是非过水断面表层膨胀土（未做换填处理的弱膨胀土（岩）段）引起的滑坡前期征兆，由于在一级马道以上，因此判断风险等级为“较重”。

（3）非过水断面混凝土骨架有连续性裂缝，坡面排水沟出现倾斜、缩窄现象，伴随过水断面衬砌板裂缝、隆起、错台，一级马道裂缝、沉陷或有明显水平位移发展等现象，但坡面无明显变形的应加强观测，观察上述裂缝、倾斜等破坏是否随时间持续加重，如果布置有监测点，则应根据监测数据综合判断是否存在变形异常，是否危及一级马道及以下过水断面，如果没有监测点则应增设监测点。综合分析，若上述破坏现象（混凝土骨架裂缝、排水沟倾斜、缩窄、衬砌板裂缝、隆起等）无发展，则判断风险等级为“一般”，若持续发展，则根据监测资料判断坡体变形是否危及一级马道及过水断面，如果不危及一级马道及过水断面则判断风险等级为“较重”，如果危及一级马道及过水断面，则判断风险等级为“严重”。

（4）非过水断面防护结构无破坏现象，一级马道路面裂缝、沉陷等，伴随衬砌板裂缝、隆起、错台现象的，应观测破坏是否随时间持续发展，如果不随时间发展则分析因膨胀土（岩）基础变形而引起的可能性较小，判断风险等级为“一般”;如果随时间发展则可能是换填层变形或膨胀土（岩）基础变形引起的，判断风险等级为“严重”。

参考文献：

[1] 河南省水利勘测设计研究有限公司.南水北调中线总干渠膨胀土（岩）渠段实体问题研判与防控措施研究报告[R].郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2017：2.

[2] 长江水利委员会长江科学院，长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，南水北调中线干线工程建设管理局，等.膨胀土（岩）渠坡破坏机理及分析方法研究：国家“十一五”科技支撑课题-膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究-专题二研究报告[R].郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2010：6.

【责任编辑 张华岩】