新鄉膨脹巖試驗段渠坡處理現場監測研究

劉 鳴，劉 軍，譚峰屹，鄒榮華

(長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

1 概述

南水北調中線總干渠全長約1 432 km，涉及到膨脹土(巖)累計長度約386.8 km，其中膨脹巖渠段累計長達169.7 km。膨脹巖類屬軟巖，與膨脹土存在明顯差異，主要因為破壞形態、處理措施和地域分布不同，其引起的工程問題也是當今工程地質學和巖土工程領域中較復雜的研究課題之一。國家“十一五”科技支撐計劃項目“南水北調工程若干關鍵技術研究與應用”列入課題“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術研究”(2006BAB04A10)，開展了膨脹巖試驗段工程(潞王墳段)現場試驗研究。

試驗段位于南水北調中線工程總干渠第Ⅳ渠段，新鄉市鳳泉區潞王墳鄉。試驗段渠坡巖性多由黏土巖和泥灰巖組成，局部為砂巖或砂礫巖，巖性巖相變化較大。泥灰巖具中等透水性，弱膨脹潛勢，成巖一般較好，局部成巖較差;黏土巖成巖較差，一般具中等膨脹潛勢，局部具弱膨脹潛勢。

試驗段樁號范圍為SY0+000至SY0+448、SY0+560至SY0+680段，累計長568m，共布置8個試驗區。各區處理方案如下。

Ⅰ區:為強化破壞試驗區，重點研究膨脹巖在不處理條件下穩定狀態以及渠坡的破壞形式、破壞機理。

Ⅱ至Ⅴ區:比較中膨脹巖地段不同處理措施防護效果。分別包括土工格柵+開挖料回填、換填黏性土、復合土工膜、土工袋+開挖料4種處理措施。

Ⅵ區:為干坡試驗區，一級馬道以下不襯砌、不浸水，模擬一級馬道以上為中膨脹巖的工況。

Ⅶ，Ⅷ區:比較弱膨脹巖地段處理的方案。

試驗段一級馬道以上渠坡簡易防護方案包括:水泥砂漿噴護、砌石拱+植草、砼框格+植草等。

膨脹巖現場試驗段于2007年9月正式開工，2008年4月底完成試驗段開挖;處理層施工從2008年3月開始，襯砌完成于2008年6月中旬，至2010年10月襯砌拆除，試驗周期3年。根據現場試驗成果，本文重點以膨脹巖渠道在施工及運行期邊坡的穩定、變形、防護等方面監測成果，分析膨脹巖渠坡安全狀況、破壞模式，評價渠坡處理措施防護效果，推薦總干渠膨脹巖渠坡的處理方案，為南水北調中線工程膨脹巖渠坡處理設計和大面積施工提供指導和借鑒［1，2］。

2 膨脹巖渠坡穩定、變形監測

2.1 渠坡破壞

2.1.1 開挖期滑坡

滑坡體位于非試驗段樁號SY1+179.7至SY1+240.5渠道左側二至四級馬道的渠坡上，滑塌體長度60.8 m，滑坡方量約900 m3。滑坡開挖卸荷后，滑坡從三級馬道開始啟動，上緣出現寬0.5～0.8 m的張拉裂縫，并產生約3 m左右的跌坎，滑坡體最大厚度約1.2 m，如圖1所示。

圖1 黏土巖渠坡開挖滑坡破壞Fig.1 The landslide of marl canal slope after excavation

通過現場地質人員對滑坡體進行的坑槽勘探，發現此段黏土巖中裂隙發育，其中，走向270°～340°的裂隙共計38條，與區域斷裂構造線方向基本一致，并發現有一條連通性較好的裂隙。

2.1.2 簡易防護降雨滑坡

Ⅲ試驗區，一級馬道以上采用水泥砂漿簡易防護。經2年現場試驗運行，噴護的水泥砂漿大部分開裂、脫落，監測的含水率變化幅度較大，水泥砂漿的防護已基本失效。2010年9月試驗段地區大氣降雨頻繁，6日累積降雨量達到71.8mm/d多，7日出現一級馬道以上渠坡破壞，如圖2所示。

圖2 水泥砂漿噴護段降雨滑坡破壞Fig.2 The rainfall-induced landslide of clayrock canal slope section treated by cement mortar

2.1.3 泥灰巖、黏土巖裸坡人工降雨滑坡

Ⅰ-Ⅰ試驗區左岸泥灰巖邊坡(坡比1∶1.5)在一場人工降雨后，形成前緣寬13.2 m，后緣寬5.6 m，后緣跌坎高1.5 m，方量 106余 m3的大面積滑坡。如圖3所示。

Ⅰ-Ⅰ試驗區右岸黏土巖邊坡(坡比1∶2.5)在3場降雨后，沿渠道水流方向長約14.2 m，沿坡面方向長約3.5 m的淺層滑坡，淺層水平位移達30 cm以上，滑坡后緣距離一級馬道坡面約1.0 m，在高程100.81 m跌坎高0.69 m，滑坡前緣隆起約0.45 m，滑坡估計方量45.7 m3，如圖4所示。

2.1.4 滑坡機理分析

開挖期滑坡(如圖1)，屬裂隙強度控制下的渠坡滑動。這類破壞以沿裂隙面或結構面的滑動為主，多表現為重力式滑動。當開挖渠坡遇到適當的地層、且地層裂隙的傾向與渠道邊坡傾向一致時，由于裂隙面的強度遠低于土塊強度，一旦外部條件變化，如開挖卸荷、降雨等，在重力作用下，渠坡將沿裂隙面發生滑動破壞。

圖3 泥灰巖渠坡人工降雨滑坡破壞形態Fig.3 The failure modes of marl canal slope after artificial rainfall

圖4 黏土巖渠坡人工降雨滑坡破壞形態Fig.4 The failure modes of clay-rock canal slope after artificial rainfall

簡易防護和人工降雨滑坡(如圖2，3，4)，屬膨脹作用下的渠坡滑動。這類滑動以膨脹變形為驅動力，多表現為淺表層膨脹變形后的牽引式滑動。在降雨的作用下，渠坡表層一定范圍內的土體含水率發生變化，產生膨脹變形，而下層的土體含水率沒變化，會約束上層的膨脹變形，在兩層土體界面上將產生較大的剪應力，使局部應力達到塑性平衡狀態，土體破壞，并逐漸向周圍土體延伸，最終導致一定范圍內渠坡的失穩。

2.2 渠坡穩定性

試驗段膨脹巖渠坡水平位移在3年試驗周期內，累積最大變形量為38.5 mm，變形主要發生在開挖期階段，約占總變形量60%;渠坡各處理措施實施后，渠道運行階段水平位移已收斂，變形量不超過16 mm;渠道退水期間水平位移最大不到3 mm;最大水平位移深度發生在管口(即地表)，或地表以下2～6 m。

統計開挖期、施工期、運行期水平位移如圖5所示，開口線水平位移如圖6、圖7所示。

圖5 2試驗區左岸開口線測斜管水平位移Fig.5 The horizontal displacement of foundation line of the left bank ground in the 2nd test area

圖6 渠坡開口線各時期水平位移柱形圖Fig.6 The horizontal displacement of foundation line of the canal slope during various periods

圖7 渠坡開口線以下各時期水平位移柱形圖Fig.7 The horizontal displacement under the foundation line of the canal slope during various periods

2.3 渠坡變形

2.3.1 人工降雨試驗人工降雨試驗是模擬大氣降雨工況。表1列入裸坡、土工袋處理措施、土工格柵處理措施，在人工降雨期間渠坡表面變形量。其中裸坡表面最大膨脹量為28.7 mm，土工袋和土工格柵處理層的最大膨脹量分別為12 mm和14 mm。成果顯示，處理措施對渠坡膨脹變形具有明顯的抑制效果。

表1 人工降雨對不同處理措施隆起變形比較Table 1 The uplift displacement of canal slope treated by different measures under artificial rainfall

2.3.2 局部破壞試驗

局部破壞試驗是模擬渠坡處理層和襯砌變形、開裂，導致防滲系統損壞、失效工況，通過在處理層底部注水監測渠坡變形。如表2所示，土工袋+開挖料處理措施隆起量最大7 mm;土工格柵+開挖料處理措施試驗區隆起量其次4 mm;換填黏性土料處理措施試驗區隆起量最小2 mm;說明土工袋+開挖料處理措施效果稍差。

2.3.3 強制破壞試驗

強制破壞試驗是模擬渠道局部渠段處理措施和襯砌滑塌工況，通過人為開挖一定規模深槽，在渠道蓄水、退水條件下監測渠坡變形。

表2 不同處理措施局部滲漏渠坡變形比較Table 2 The deformation of canal slope treated by different measures under partial leakage

(1)Ⅱ至Ⅴ試驗區渠道襯砌裂縫測繪結果表明，Ⅱ試驗區(土工格柵處理措施)未產生裂縫;Ⅲ試驗區(換填黏性土處理措施)、Ⅴ試驗區(土工袋處理措施)左岸，渠坡靠近底部均產生1條裂縫，該裂縫長分別為4.0 m，2.8 m，寬度分別為2.0 mm，1.5 mm;Ⅳ試驗區(土工膜處理措施):總計產生43條裂縫，均靠近渠坡底部，累積裂縫長約114 m，最大寬度約4.0 mm。

(2)Ⅱ至Ⅴ試驗區渠道經過蓄水、浸泡、退水等循環過程，渠道襯砌隆起測繪結果如表3所示。其中，隆起量最大是Ⅳ試驗區，左岸、右岸、渠底隆起量均大于其它3個試驗區，試驗前后觀測最大隆起量分別為78.7 mm、101.7 mm。

由此說明，土工膜處理措施由于沒有上覆壓重作用，襯砌板滲漏時，極易隆起、開裂。

表3 Ⅱ至Ⅴ區蓄水浸泡前后最大隆起、沉降變形量Table 3 The maximum uplift and settlement before and after water immersion in theⅡtoⅤtest area

3 膨脹巖防護效果監測

膨脹巖試驗段渠坡處理后，通過監測土體內含水率變化幅度、變化深度，并結合大氣降雨，分析渠坡處理防護效果［3－5］。

3.1 一級馬道以上防護效果

3.1.1 處理措施防護效果

一級馬道以上處理措施有:土工格柵+植草、土工膜+水泥砂漿、土工膜+植草、土工袋+植草，如圖8至圖10所示，其防護結論如下:

(1)土工格柵+植草、土工膜+水泥砂漿、土工膜+植草、土工袋+植草各處理方案，均存在2009年度含水率變幅高于2008年度，說明植草(或水泥砂漿)防護效果，經過一段時間運行后降低。

(2)土工膜+水泥砂漿噴護、土工膜+覆蓋土植方案，土工膜+水泥砂漿噴護各埋深含水率2008年度變幅低于土工膜+覆蓋土植草方案，2009年度則相反。說明水泥砂漿噴護方案效果初期階段好于植草方案，隨時間推移植草方案優于水泥砂漿噴護方案。

(3)就2009年度上述各處理層含水率變幅看，土工袋+植草、土工膜+水泥砂漿處理效果較差，土工格柵+植草效果相對穩定。

(4)按 0.5 m，1～2 m埋深含水率變幅柱形圖，如圖11、圖12所示，一級馬道以上防護效果從好至差排序為:土工格柵+植草、土工膜+水泥砂漿、土工袋+植草、土工膜+植草。

圖8 Ⅱ區右岸土工格柵+植草含水率歷時曲線Fig.8 History curves of water content at the right bank ofⅡtest area treated by geogrid and grass planting

圖9 Ⅳ區左岸土工膜+水泥砂漿含水率歷時曲線Fig.9 History curves of water content at the left bank ofⅣtest area treated by geo-membrane and cement mortar

圖10 Ⅴ區右岸土工袋+植草含水率歷時曲線Fig.10 Curves of water content at the right bank ofⅤtest area treated by soilbag and grass planting

圖11 一級馬道以上0.5 m埋深含水率變幅柱形圖Fig.11 Changing rates of water content at 0.5 m embedment above the first berm

圖12 一級馬道以上1～1.6 m埋深含水率變幅柱形圖Fig.12 Changing rates of water content at 1 ～1.6 m embedment above the first berm

3.1.2 簡易防護效果

簡易防護主要有水泥砂漿噴護、砌石拱+植草、砼框格+植草，如圖13至圖15，其防護結論如下:

圖13 Ⅲ區左岸(水泥砂漿噴護)含水率歷時曲線Fig.13 History curves of water content at the left bank ofⅢtest area treated by cement mortar

圖14 Ⅵ區左岸(砌石拱+植草)含水率歷時曲線Fig.14 History curves of water content at the left bank ofⅥtest area treated by masonry arch and planting grass

圖15 Ⅵ區右岸(砼框格+植草)含水率歷時曲線Fig.15 History curves of water content at the right bank ofⅥtest area treated by concrete frame and planting grass

(1)水泥砂漿噴護、砌石拱+植草、砼框格+植草等簡易防護含水率變幅均大于處理措施防護，防護效果較差。

(2)水泥砂漿噴護，2008年度含水率變幅小于砌石拱+植草、砼框格+植草兩防護，2009年度則相差不大。說明水泥砂漿噴護在初期階段防護效果好于砌石拱+植草、砼框格+植草，與土工膜+水泥砂漿情況相同。

3.2 一級馬道以下防護效果

一級馬道以下渠坡處理層方案包括:格柵處理層+襯砌、土工膜+泥結石、土工膜+襯砌、土工袋+襯砌、換填黏性土+襯砌，如圖16至圖18所示，防護效果結論分析如下:

3.2.1 處理措施防護效果

(1)根據各埋深含水量變幅大小看，土工袋+襯砌含水率變幅2008年度大于2009年度，2009年度含水率變幅高于土工格柵+襯砌方案。

(2)2008年度土工膜+泥結石處理方案含水率變幅明顯大于土工膜+襯砌含水率，2009年度上述兩方案含水率相差不大，說明土工膜+襯砌經過一年運行，其防滲效果低于土工膜+泥結石。

圖16 Ⅱ區左岸土工格柵+襯砌含水率歷時曲線Fig.16 History curves of water content at the left bank ofⅡtest area treated by geogrid and lining

圖17 Ⅶ區左岸土工膜+襯砌含水率歷時曲線Fig.17 History curves of water content at the left bank ofⅦtest area treated by geo-membrane and lining

圖18 Ⅴ區右岸土工袋+襯砌含水率歷時曲線Fig.18 History curves of water content at the right bank ofⅤtest area treated by soilbag and lining

(3)按0.5m，1～2m埋深含水率變幅柱形圖，如圖19、圖20所示，一級馬道以下防護效果從好至差排序為:土工格柵+襯砌，土工袋+襯砌，土工膜+襯砌。

3.2.2 處理層內含水率變化

如圖21、圖22所示，土工格柵處理層，2009年度含水率變幅在4%左右，土工袋處理層含水率變幅約10%，說明土工袋壓實密度不均勻，滲透系數大，與土工袋施工工藝有關。

圖19 一級馬道以下0.5 m埋深含水率變幅柱形圖Fig.19 Changing rates of water content at 0.5 m embedment under the first berm

圖20 一級馬道以下1～1.5 m埋深含水率變幅柱形圖Fig.20 Changing rates of water content at 1 ～1.5 m embedment under the first berm

圖21 Ⅱ區左岸土工格柵+襯砌含水率歷時曲線Fig.21 History curves of water content at the left bank ofⅡtest area treated by geogrid and lining

圖22 Ⅴ區右岸土工袋+襯砌含水率歷時曲線Fig.22 History curves of water content at the right bank ofⅤtest area treated by soilbag and lining

3.3 防護深度

由上分析，受大氣降雨等自然環境影響，試驗段膨脹巖渠坡處理后各埋深含水率變化幅度、深度等特征值匯總如表4所示。

表4 試驗段含水率變化特征值匯總表Table 4 The eigenvalues of water content changing rate at various test areas

(1)渠道運行期觀測:由于大氣降雨引起含水率變化，根據含水率監測數據測得，含水率變幅≤2%為達到影響深度，含水率變幅大于2%，為含水率變化超過的深度。

(2)人工降雨試驗:采用手搖鉆鉆孔取樣得到各埋深重量含水率，根據降雨前后含水率變化獲得含水率變化深度。

各工況含水率影響深度列入表5。可得:渠道運行期觀測含水率影響深度大于鉆孔所得含水率影響深度。主要原因是含水率探頭既受大氣降雨影響，同時還受地下水影響。

按鉆孔含水率影響深度作為處理措施防護深度分別為:裸坡(1 m)，土工袋+植草(2 m)，土工格柵+植草(1.7 m);

按觀測含水率傳感器影響深度作為處理措施防護深度從大到小排序為:裸坡(3 m)，簡易防護措施(＞2 m)，土工膜+水泥砂漿噴護(＞3 m)，土工袋+植草(＞2.6 m)，土工格柵+植草(1.5 m);土工膜+襯砌(＞2 m)，土工袋+襯砌(1.5 m)，土工格柵+襯砌(1 m)。

表5 膨脹巖各處理措施含水率變化深度一覽表Table 5 Changing rates of water content of expansive rock treated by various measures

4 結論

以膨脹巖試驗段近3年度試驗周期現場試驗數據，可對膨脹巖渠坡處理措施評價如下。

4.1 膨脹巖渠坡穩定性

膨脹巖渠坡經處理后渠坡基本穩定，測斜管觀測結果表明水平變形主要發生在施工開挖階段，約占總變形量60%，渠道運行階段水平位移已收斂。對于裸坡(未采取防護措施)或水泥砂漿簡易防護的渠坡，在大氣降雨作用下出現了淺層滑動。現場試驗說明，膨脹巖渠坡未經處理或采取簡易處理，在大氣降雨作用下仍存在滑動危險。綜上分析，長科院在國家“十一五”科技支撐計劃項目“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術研究”課題中，提出將膨脹巖土渠坡破壞模式歸納為以下2類:

模式一為裂隙強度控制下的渠坡滑動。這類破壞以沿裂隙面或結構面的滑動為主，多表現為重力式滑動。

模式二為膨脹作用下的渠坡滑動。這類滑動以膨脹變形為驅動力，多表現為淺表層膨脹變形后的牽引式滑動。

4.2 膨脹巖渠坡變形、襯砌裂縫

由于大氣降雨、渠道蓄(退)水作用，渠坡均出現不同程度膨脹隆起，其中土工膜處理措施膨脹隆起量最大，為102 mm，襯砌共產生43條裂縫，累積裂縫長約114 m;土工格柵處理措施、土工袋處理措施隆起量分別為39，76 mm。

說明相同厚度的換填黏性土、土工格柵、土工袋，其壓重效果相當，土工膜不具備壓重效果。

4.3 處理措施防護效果

潞王墳膨脹巖渠坡水泥砂漿噴護、砌石拱+植草、砼框格+植草等坡面簡易防護措施對于防止含水率變化的效果非常有限，僅可以抵抗表層雨水沖刷，但長期大氣降雨作用下仍存在邊坡穩定問題。

渠坡處理措施實施后，坡面均受到不同程度保護，大氣降雨影響隨之減小，各處理措施防護效果評價優至劣排序為:土工格柵+植草，土工膜+水泥砂漿，土工袋+植草，土工膜+植草;土工格柵+襯砌，土工袋+襯砌，土工膜+襯砌。

4.4 大氣降雨入滲深度

根據試驗段觀測含水率，影響深度從大至小排序:裸坡(3 m)，簡易防護措施(＞2 m)，土工膜+水泥砂漿噴護(＞3 m)，土工袋+植草(＞2.6 m)，土工格柵+植草(1.5 m)，土工膜+襯砌(＞2 m)，土工袋+襯砌(1.5 m)，土工格柵+襯砌(1 m)。

4.5 綜合評價及建議

根據膨脹巖現場試驗驗證研究成果，非換填處理措施方案中土工格柵處理渠坡效果最佳，土工膜處理效果較差。就膨脹巖試驗段現有試驗條件，以及3個非換填黏性土渠坡處理方案，推薦南水北調中線工程膨脹巖渠坡處理方案:應優選土工格柵加筋處理措施;對于處理斷面為出口段、扭曲面等適宜點狀作業的施工面，可采用土工袋處理措施;土工膜處理措施由于沒有壓重效果，可用于低地下水位且側向補給較差的一級馬道以上渠坡處理。

［1］孔令偉，陳建斌，郭愛國，等.大氣作用下膨脹土邊坡的現場響應試驗研究［J］.巖土工程學報，2007，29(7):1065－1073.(KONG Ling-wei，CHEN Jian-bin，GUO Ai-guo，et al.Field Response Tests on Expansive Soil Slopes under Atmosphere［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29(7):1065－1073.(in Chinese))

［2］劉特洪.工程建設中的膨脹土問題［M］.北京:中國建筑工業出版社，l997.(LIU Te-hong.Expansive Soil in Engineering Construction［M］.Beijing:China Architecture and Building Press，1997.(in Chinese))

［3］龔壁衛，C W W NG，包承綱，等.膨脹土渠坡降雨入滲現場試驗研究［J］.長江科學院院報，2002，19(增刊):94－97.(GONG Bi-wei，NG C W W，BAO Cheng-gang，et al.Field Study of the Effects of Rainfall Infiltration on Channel Slope of Expansive Soil［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2002，19(Sup.):94－97.(in Chinese))

［4］包承綱.南水北調中線工程膨脹土渠坡穩定問題及對策［J］.人民長江，2003，34(5):4－6.(BAO Chenggang.On Slope Stability of Expansive Soil Canal of Middle Route Project of South-to-North Water Transfer and Countermeasures［J］.Yangtze River，2003，34(5):4－6.(in Chinese))

［5］李雄威，孔令偉，郭愛國.氣候影響下膨脹土工程性質的原位響應特征試驗研究［J］.巖土力學，2009，(7):2069－2074.(LI Xiong-wei，KONG Ling-wei，GUO Ai-guo.Field Response Characteristic Test of Expansive Soil Engineering Behavior under Effect of Atmosphere［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，(7):2069 －2074.(in Chinese))