膨脹土渠道邊坡變形特征研究

時圣民

(山東省單縣時樓鎮人民政府，山東 單縣 274000)

1 概 述

膨脹土在我國分布范圍廣，且對工程建設影響較大。尤其是膨脹土邊坡，在降水等因素影響下，極易發生膨脹變形破壞。引水渠道是重要的輸水工程，渠道水滲漏使渠道邊坡膨脹土遇水膨脹，從而導致渠道邊坡開裂破壞，造成十分嚴重的后果。目前，聊城引黃灌區、南水北調渠道以及北疆均遇到膨脹土問題，對工程的建設、維護造成不利影響[1-3]。由于膨脹土分布廣、危害大，許多專家學者對膨脹土邊坡帶來的工程問題進行了研究。

張坤勇等[4]對膨脹土邊坡的變形機理進行分析，通過載荷、干濕循環等試驗，分析了膨脹土邊坡的穩定性情況，認為裂隙發育情況對膨脹土邊坡的穩定性影響較大，土體強度衰減及滲流是導致膨脹土邊坡破壞的最主要因素。謝彥初等[5]利用組合賦權和二分K-means聚類法建立一種膨脹土邊坡“健康”程度的評價體系，經對比與實際勘察成果較為一致，評價結果較為可靠。周峙[6]通過現場勘察、室內試驗、理論分析等方法，分析裂隙形成機理以及膨脹土邊坡破壞機理，認為膨脹土性質以及裂隙發育情況是控制膨脹土破壞的主要因素。

本文結合某渠道工程實際情況，通過收集渠道變形監測數據，分析該膨脹土邊坡的變形過程，利用主成分分析法對邊坡的變形特征進行分析。

2 渠道工程變形概況及監測情況

引水工程作為灌區的主要輸水渠道，穿越距離長，地質條件復雜。其中，在渠道0+740～0+860段，渠道邊坡土質為膨脹土。由于工程所在地區降水較大，巖土體含水量變化較大，根據前人研究成果可知，膨脹土邊坡在干濕循環作用下，強度極易劣化，導致變化穩定性較低，引水渠道存在較為嚴重的穩定性問題。根據勘察成果得知，該段渠道膨脹土為中等膨脹。根據設計文件，該段渠道開挖深度約為33～38 m，引水渠道底部寬約13.0 m，渠道邊坡比為1∶3.0、1∶2.5、1∶2.5、1∶2.5、1∶3。從下至上每級邊坡坡高為10.0、6.0、6.0、6.0、6.0 m。每級邊坡之間預留平臺，平臺寬度為5.0 m。為了防止渠水滲漏及沖刷影響，采用水泥土對整個渠道進行處理。該渠道工程典型斷面見圖1。

圖1 渠道典型橫斷面圖

根據現場調查，該渠道平臺區域均未發現明顯的裂隙，渠道無裂隙密集帶發育。因此，在該渠道設計時，僅在過水斷面處設置方樁作為支擋，其他區域暫未設置抗滑措施。在投入使用后，在二級邊坡頂部平臺區域發生了較為明顯的位移；在三級邊坡頂部的排水溝區域發生了較為明顯的斷裂、沉降破壞；三、四級邊坡出現了明顯破壞、開裂現象，且變形破壞存在繼續發展的現象，渠道出現淺層破壞。

渠道邊坡發生滑動破壞后，對現場進行調查，在0+800處、0+840處的三級邊坡坡腳區域發現較為明顯的滲水現象。渠道外部水流已經滲入渠道表面處理的土層下部。在三級邊坡坡腳區域，存在一處較為明顯的滑體，滑體厚度在2.5～7.8 m之間。該區域出現滑動變形的主要原因是該處滲漏導致膨脹土與水接觸，力學性質劣化同時體積發生變化，導致滲水裂縫不斷擴大、膨脹土繼續脹縮，從而導致渠道邊坡出現滑動變形破壞。

為了保證渠道邊坡不發生大規模的變形破壞，盡快恢復渠道的使用，減少渠道破壞造成的損失，在變形發生后，采取錨桿加固、加設排水管等系列措施，保證渠道邊坡的排水效果和安全性。同時，在渠道處設置監測點，對渠道的后續變形進行觀測。根據加固方案，三級邊坡布置3排錨桿，錨桿縱向間距3.0 m，錨固力不小于50 kN。監測裝置主要采用滲壓計和測斜管，布置方案見圖2。

圖2 滲壓計和測斜管布置圖

根據初次加固后的監測數據可知，臨時采取的加固措施有效控制了渠道邊坡的變形發展速率，但邊坡發展仍在進行。為了保證邊坡的安全，控制變形繼續發展，在渠道邊坡上加設傘形錨桿，共布置6排錨桿。其中，垂直向上的錨桿間距2.0 m，順水流方向間距為4.0 m，錨固力大于100 kN。

3 基于監測數據渠道邊坡變形分析

監測數據是邊坡變形分析中最為重要、可靠的數據，現場監測成果是周邊環境、變形量數據的最準確結果[7-8]。通過收集變形觀測以及周邊環境數據，可對外部環境變化條件下的渠道邊坡變形規律進行分析。利用現場監測成果，對渠道邊坡變形特征進行分析是最為可靠的。通過收集渠道二次加固后的變形觀測數據和渠道周邊外部環境情況(每日降雨量)的變化情況，作為渠道邊坡變形特征分析的基礎數據。測斜管位移監測見圖3，周邊環境變化情況見圖4。根據測斜管監測成果可知，變形峰值約為0.5～2.0 m的深度。

圖3 測斜管表面測點位移監測成果

圖4 渠段環境量過程線

二次加固以后，渠道邊坡深部位移不斷增大，在二級邊坡和四級邊坡處同期出現了變形，且二級、四級邊坡處的變形規律基本一致。根據監測數據可知，在渠道邊坡的不同區域，變形量各不相同。由于二級、三級邊坡處的膨脹土干濕循環現象嚴重，在干濕循環影響下，二級、三級邊坡的變形量最為顯著。根據圖3的變形監測結果可知，該段渠道邊坡變形呈現先增大后減小的趨勢，之后趨于穩定。預應力錨桿施工后，渠道邊坡內部應力調整較為劇烈，邊坡變形速率較快。之后，錨桿作用基本穩定，邊坡變形主要受外部環境的影響，隨著降水、地下水位、渠道水位的變化而變化。

將測斜管獲取的位移變形數據繪制到渠道邊坡里面圖上，見圖5。從圖5中可知，在渠道邊坡的不同區域，測斜管測量的位移數據各不相同。其中，0+805處、0+835處渠道邊坡變形量最大。根據現場調查，渠道膨脹土在多次干濕循環作用下，在該處形成一處滑動面，從而導致邊坡出現較大的變形量。

圖5 變形測點分區

4 結 論

1) 膨脹土邊坡穩定性受外界環境因素影響較大，某渠道工程在投用后，渠道邊坡發生了滑移破壞。為了保證邊坡的整體穩定性，緊急采取支護措施。第一次加固后，渠道邊坡變形速率逐漸降低，但未達到收斂，邊坡變形仍在不斷發展。

2) 為了控制邊坡變形，使其趨于穩定，該渠道邊坡進行了二次加固。根據監測資料顯示，二次加固后，渠道邊坡變形逐漸趨于穩定。長期遭受干濕循環的區域變形量最大，變形與外界因素關系密切。

3) 根據本工程實例可知，為了保證膨脹土邊坡的穩定性，需要控制降水入滲以及地下水入侵導致膨脹土性質劣化，從而避免形成貫通的滑裂面，導致大規模的變形破壞。