全挖方膨胀土渠段渠坡变形分析研究

蔡云波，何国伟

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061）

1 工程概况

南水北调中线干线工程是国家南水北调工程的重要组成部分，全长1 432.49 km。南水北调中线一期工程从加高扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿线开挖渠道，经唐白河流域西部过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘，在郑州以西李村附近穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。

南水北调中线干线工程为Ⅰ等工程，总干渠渠道按1级建筑物设计。由于地势高低不同，为确保水保持自流状态，工程建设过程中必然存在低填高挖的渠段，其渠道断面就出现高填方、全填方、半填半挖方、全挖方等不同形式。由于区域地质条件的不同，在总干渠沿线分布近400.00 km的全挖方膨胀土（岩）段。膨胀土是一种对工程建设危害性大的特殊性土质，具有吸胀干缩、强度衰减的工程特点。在全挖方膨胀土渠段典型部位布置监测断面，断面布设多种监测仪器设备，对渠坡表面位移变形、渠坡内部位移变形、渠坡衬砌板基础渗透压力、衬砌板冻涨等方面进行监控，通过监测成果来评价其工程效果。

下文以磁县管理处全挖方膨胀土渠段为例，从设计、施工、监测效果等方面，对全挖方膨胀土渠段的工程性态进行分析研究。

2 全挖方渠道设计

全挖方渠段一级马道以上分级设置边坡，每级马道高度为6.00 m，宽度为2.00 m。地面开口线外为防洪堤，顶宽3.00 m，外侧为4.00～8.00 m的防护林带。

磁县管理处全挖方渠段多数为膨胀土渠段，由于膨胀土的工程特点，在初始含水量发生变化的情况下，其物理力学指标变化较大。由于强、中膨胀土的自由膨胀率、膨胀力均较大，遇水土体性质发生变化后，会破坏渠道衬砌板，对一级马道以上边坡的稳定性影响较大，需对挖深大于15.00 m的中膨胀土渠段的过水部位进行施工换填，一级马道以下渠坡、渠底的换填土厚度分别增加到3.50 m和2.50 m；强膨胀土和挖深大于15.00 m的中膨胀土渠段，渠坡、渠底混凝土衬砌板厚度增加到0.15 m。对于过水断面以上的渠坡，仅对受雨水侵蚀的部位进行了施工换填，换填土表层采用六边混凝土框格防护。

3 监测设施布置

全挖方渠道监测项目设有变形监测、渗流监测及冻胀监测等，以变形和渗流监测为重点。

1）变形监测

27+734～28+701渠段内设有2个典型监测断面，桩号为28+280和28+568。每级马道各设1个位移测点和1根测斜管，分别进行表面位移变形监测和渠坡内部水平位移变形监测，除此之外，渠段内左右岸一级马道共设24个沉降标点，间距为78.00 m。

2）渠道渗流监测

典型监测断面渠道基础均布设渗压计监测渠基渗流压力，边坡渗流压力及地下水位（浸润线）观测采用振弦式渗压计。

3）渠道温度监测

为验证保温板在不同温度下的保温效果及对冻胀变形时的温度进行监测，设置温度计进行相应温度测量。

4 变形监测成果分析

4.1 渠坡表面变形监测

1）典型监测断面

监测成果显示：28+280断面处，一级、二级、三级马道上抬变形量分别为17.24～26.58，0.84～21.17，3.21～15.34 mm；28+568断面处，一级、二级、三级马道上抬变形量分别为15.79～18.80，9.84～12.00，2.71～5.67 mm；整体呈上抬变形趋势。

膨胀土渠坡变形主要是开挖卸荷引起的。从监测成果可知，渠道挖深越大，开挖面所产生的上抬变形就越明显。

2）一般监测断面

监测成果显示，27+734～28+701渠段沉降变形呈整体向上抬升趋势，见图1，各测点2019年4季度开始趋于稳定，于2020年4月又开始呈上抬变化。桩号28+202断面左右两侧测点上抬变形量最大，左右岸累计上抬变形量在41.31～47.11 mm，上游侧28+046断面和下游侧28+514断面的上抬变量次之，累计上抬变形量分别在16.93～34.28 mm和20.11～35.09 mm，从变形趋势上来看，该渠段各测点上抬变形趋于稳定。各测点累计沉降量见表1，渠段内其他断面各测点最大累计沉降变形量见图2。

图1 27+734～28+701渠段监测表面垂直位移沉降过程线

表1 各位移测点累计沉降变形统计表

图2 27+734～28+701渠段左右岸累计变形量对比示意图

4.2 统计模型分析

4.2.1模型因子选择

统计模型分析是建立原因量和效应量之间关系的定量分析方法。原因量选取时效t、温度T和水位h等3个分量。时效分量f(t)表示沉降变形随时间推移向某一方向发展的分量，温度分量f(T)表示位移量随温度变化的分量，水位分量f(h)表示位移量随渠内水位变化的测值分量。

（a）DQ2YBM058沉降观测墩分析过程线

渠段内桩号28+202断面测点抬升量最大，包含两个位移测点QD2ZBM059（左岸）和QD2YBM058（右岸），采用多元逐步回归计算方法对各因子进行选中或剔除。统计分析模型：

式中：F——变形。

将这些因子与相应的待定系数组成统计模型，采用多元逐步回归法求解获得最终回归方程。建模分析过程线见图3，沉降测点回归模型特征值见表2。

4.2.2统计分析结果

通过对28+202断面内两个位移测点进行模型分析。

1）测点回归统计模型的复相关系数为0.994 8和0.996 8，标准差为1.973 2和1.178 5，整体回归精度较高。

2）测点时效分量变幅最大，占比95.59%～100.00%；水位分量次之，占比4.41%以内；温度分量为0，即测点变形不受温度影响。

3）位移测点时效分量呈现增长趋势。

4）从模型分量过程线也可以看出，温度分量变化对位移测点变形无影响，水位分量变化对测点变形影响很小，说明位移测点持续上抬与水位和温度关系不明显；时效分量变化对位移测点变形影响较大，且随着时效的增加对测点变形影响逐渐减小，与位移测点变形逐渐趋于稳定相吻合。

图3 QD2YBM058和QD2ZBM059建模分析过程线

表2 位移测点回归模型特征值统计表

4.3 表面水平位移监测

水平位移监测成果显示，该渠段为全挖方渠段，水平向位移变形较稳定。桩号28+202向渠内方向水平位移收敛最大，左岸、右岸测点渠段水平位移收敛，累计向渠内方向收敛15.00 mm。

4.4 渠坡内部水平位移监测

监测成果显示，渠坡内部水平位移变形量于2020年9月达到历史最大值9.30 mm，在设计安全限值0.2% H（16.00 mm）范围内，H指测点距离孔底深度，此后变形趋势稳定。

4.5 渗流监测

渠道充水前，典型断面衬砌板基础部位一直处于无水状态。渠道充水后，衬砌板下方测点的渗压力与渠内水位相关性较明显，说明渠道局部存在内水外渗现象。

通水运行期间，最大渗压力测值约为42.0 kPa，基础测点存在一定外水压力，相应的外水位在设计安全限值范围内，抗浮稳定满足要求。

4.6 温度监测

断面渠坡基面温度测值主要随气温升降而呈现年周期性变化，测值始终在0℃以上，不会出现冻胀问题。

5 结语

综上所述，受外水压作用及膨胀土自身特性影响，导致全挖方膨胀土渠段表面位移呈现抬升趋势，且挖深越大，上抬变形量越大，符合膨胀土开挖变形的一般规律。膨胀土开挖卸荷变形是一个较为漫长的过程，随着时效增加，膨胀土变形将逐渐趋于稳定。结合典型监测断面的监测成果来看，全挖方渠段渠坡状态较稳定，满足工程输水安全要求。