全挖方膨脹土渠段渠坡變形分析研究

蔡云波，何國偉

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130061）

1 工程概況

南水北調中線干線工程是國家南水北調工程的重要組成部分，全長1 432.49 km。南水北調中線一期工程從加高擴容后的丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿線開挖渠道，經唐白河流域西部過長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿黃淮海平原西部邊緣，在鄭州以西李村附近穿過黃河，沿京廣鐵路西側北上，可基本自流到北京、天津。

南水北調中線干線工程為Ⅰ等工程，總干渠渠道按1級建筑物設計。由于地勢高低不同，為確保水保持自流狀態，工程建設過程中必然存在低填高挖的渠段，其渠道斷面就出現高填方、全填方、半填半挖方、全挖方等不同形式。由于區域地質條件的不同，在總干渠沿線分布近400.00 km的全挖方膨脹土（巖）段。膨脹土是一種對工程建設危害性大的特殊性土質，具有吸脹干縮、強度衰減的工程特點。在全挖方膨脹土渠段典型部位布置監測斷面，斷面布設多種監測儀器設備，對渠坡表面位移變形、渠坡內部位移變形、渠坡襯砌板基礎滲透壓力、襯砌板凍漲等方面進行監控，通過監測成果來評價其工程效果。

下文以磁縣管理處全挖方膨脹土渠段為例，從設計、施工、監測效果等方面，對全挖方膨脹土渠段的工程性態進行分析研究。

2 全挖方渠道設計

全挖方渠段一級馬道以上分級設置邊坡，每級馬道高度為6.00 m，寬度為2.00 m。地面開口線外為防洪堤，頂寬3.00 m，外側為4.00～8.00 m的防護林帶。

磁縣管理處全挖方渠段多數為膨脹土渠段，由于膨脹土的工程特點，在初始含水量發生變化的情況下，其物理力學指標變化較大。由于強、中膨脹土的自由膨脹率、膨脹力均較大，遇水土體性質發生變化后，會破壞渠道襯砌板，對一級馬道以上邊坡的穩定性影響較大，需對挖深大于15.00 m的中膨脹土渠段的過水部位進行施工換填，一級馬道以下渠坡、渠底的換填土厚度分別增加到3.50 m和2.50 m；強膨脹土和挖深大于15.00 m的中膨脹土渠段，渠坡、渠底混凝土襯砌板厚度增加到0.15 m。對于過水斷面以上的渠坡，僅對受雨水侵蝕的部位進行了施工換填，換填土表層采用六邊混凝土框格防護。

3 監測設施布置

全挖方渠道監測項目設有變形監測、滲流監測及凍脹監測等，以變形和滲流監測為重點。

1）變形監測

27+734～28+701渠段內設有2個典型監測斷面，樁號為28+280和28+568。每級馬道各設1個位移測點和1根測斜管，分別進行表面位移變形監測和渠坡內部水平位移變形監測，除此之外，渠段內左右岸一級馬道共設24個沉降標點，間距為78.00 m。

2）渠道滲流監測

典型監測斷面渠道基礎均布設滲壓計監測渠基滲流壓力，邊坡滲流壓力及地下水位（浸潤線）觀測采用振弦式滲壓計。

3）渠道溫度監測

為驗證保溫板在不同溫度下的保溫效果及對凍脹變形時的溫度進行監測，設置溫度計進行相應溫度測量。

4 變形監測成果分析

4.1 渠坡表面變形監測

1）典型監測斷面

監測成果顯示：28+280斷面處，一級、二級、三級馬道上抬變形量分別為17.24～26.58，0.84～21.17，3.21～15.34 mm；28+568斷面處，一級、二級、三級馬道上抬變形量分別為15.79～18.80，9.84～12.00，2.71～5.67 mm；整體呈上抬變形趨勢。

膨脹土渠坡變形主要是開挖卸荷引起的。從監測成果可知，渠道挖深越大，開挖面所產生的上抬變形就越明顯。

2）一般監測斷面

監測成果顯示，27+734～28+701渠段沉降變形呈整體向上抬升趨勢，見圖1，各測點2019年4季度開始趨于穩定，于2020年4月又開始呈上抬變化。樁號28+202斷面左右兩側測點上抬變形量最大，左右岸累計上抬變形量在41.31～47.11 mm，上游側28+046斷面和下游側28+514斷面的上抬變量次之，累計上抬變形量分別在16.93～34.28 mm和20.11～35.09 mm，從變形趨勢上來看，該渠段各測點上抬變形趨于穩定。各測點累計沉降量見表1，渠段內其他斷面各測點最大累計沉降變形量見圖2。

圖1 27+734～28+701渠段監測表面垂直位移沉降過程線

表1 各位移測點累計沉降變形統計表

圖2 27+734～28+701渠段左右岸累計變形量對比示意圖

4.2 統計模型分析

4.2.1模型因子選擇

統計模型分析是建立原因量和效應量之間關系的定量分析方法。原因量選取時效t、溫度T和水位h等3個分量。時效分量f(t)表示沉降變形隨時間推移向某一方向發展的分量，溫度分量f(T)表示位移量隨溫度變化的分量，水位分量f(h)表示位移量隨渠內水位變化的測值分量。

（a）DQ2YBM058沉降觀測墩分析過程線

渠段內樁號28+202斷面測點抬升量最大，包含兩個位移測點QD2ZBM059（左岸）和QD2YBM058（右岸），采用多元逐步回歸計算方法對各因子進行選中或剔除。統計分析模型：

式中：F——變形。

將這些因子與相應的待定系數組成統計模型，采用多元逐步回歸法求解獲得最終回歸方程。建模分析過程線見圖3，沉降測點回歸模型特征值見表2。

4.2.2統計分析結果

通過對28+202斷面內兩個位移測點進行模型分析。

1）測點回歸統計模型的復相關系數為0.994 8和0.996 8，標準差為1.973 2和1.178 5，整體回歸精度較高。

2）測點時效分量變幅最大，占比95.59%～100.00%；水位分量次之，占比4.41%以內；溫度分量為0，即測點變形不受溫度影響。

3）位移測點時效分量呈現增長趨勢。

4）從模型分量過程線也可以看出，溫度分量變化對位移測點變形無影響，水位分量變化對測點變形影響很小，說明位移測點持續上抬與水位和溫度關系不明顯；時效分量變化對位移測點變形影響較大，且隨著時效的增加對測點變形影響逐漸減小，與位移測點變形逐漸趨于穩定相吻合。

圖3 QD2YBM058和QD2ZBM059建模分析過程線

表2 位移測點回歸模型特征值統計表

4.3 表面水平位移監測

水平位移監測成果顯示，該渠段為全挖方渠段，水平向位移變形較穩定。樁號28+202向渠內方向水平位移收斂最大，左岸、右岸測點渠段水平位移收斂，累計向渠內方向收斂15.00 mm。

4.4 渠坡內部水平位移監測

監測成果顯示，渠坡內部水平位移變形量于2020年9月達到歷史最大值9.30 mm，在設計安全限值0.2% H（16.00 mm）范圍內，H指測點距離孔底深度，此后變形趨勢穩定。

4.5 滲流監測

渠道充水前，典型斷面襯砌板基礎部位一直處于無水狀態。渠道充水后，襯砌板下方測點的滲壓力與渠內水位相關性較明顯，說明渠道局部存在內水外滲現象。

通水運行期間，最大滲壓力測值約為42.0 kPa，基礎測點存在一定外水壓力，相應的外水位在設計安全限值范圍內，抗浮穩定滿足要求。

4.6 溫度監測

斷面渠坡基面溫度測值主要隨氣溫升降而呈現年周期性變化，測值始終在0℃以上，不會出現凍脹問題。

5 結語

綜上所述，受外水壓作用及膨脹土自身特性影響，導致全挖方膨脹土渠段表面位移呈現抬升趨勢，且挖深越大，上抬變形量越大，符合膨脹土開挖變形的一般規律。膨脹土開挖卸荷變形是一個較為漫長的過程，隨著時效增加，膨脹土變形將逐漸趨于穩定。結合典型監測斷面的監測成果來看，全挖方渠段渠坡狀態較穩定，滿足工程輸水安全要求。