新乡膨胀岩试验段渠坡处理现场监测研究

刘 鸣，刘 军，谭峰屹，邹荣华

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 概述

南水北调中线总干渠全长约1 432 km，涉及到膨胀土(岩)累计长度约386.8 km，其中膨胀岩渠段累计长达169.7 km。膨胀岩类属软岩，与膨胀土存在明显差异，主要因为破坏形态、处理措施和地域分布不同，其引起的工程问题也是当今工程地质学和岩土工程领域中较复杂的研究课题之一。国家“十一五”科技支撑计划项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”列入课题“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”(2006BAB04A10)，开展了膨胀岩试验段工程(潞王坟段)现场试验研究。

试验段位于南水北调中线工程总干渠第Ⅳ渠段，新乡市凤泉区潞王坟乡。试验段渠坡岩性多由黏土岩和泥灰岩组成，局部为砂岩或砂砾岩，岩性岩相变化较大。泥灰岩具中等透水性，弱膨胀潜势，成岩一般较好，局部成岩较差;黏土岩成岩较差，一般具中等膨胀潜势，局部具弱膨胀潜势。

试验段桩号范围为SY0+000至SY0+448、SY0+560至SY0+680段，累计长568m，共布置8个试验区。各区处理方案如下。

Ⅰ区:为强化破坏试验区，重点研究膨胀岩在不处理条件下稳定状态以及渠坡的破坏形式、破坏机理。

Ⅱ至Ⅴ区:比较中膨胀岩地段不同处理措施防护效果。分别包括土工格栅+开挖料回填、换填黏性土、复合土工膜、土工袋+开挖料4种处理措施。

Ⅵ区:为干坡试验区，一级马道以下不衬砌、不浸水，模拟一级马道以上为中膨胀岩的工况。

Ⅶ，Ⅷ区:比较弱膨胀岩地段处理的方案。

试验段一级马道以上渠坡简易防护方案包括:水泥砂浆喷护、砌石拱+植草、砼框格+植草等。

膨胀岩现场试验段于2007年9月正式开工，2008年4月底完成试验段开挖;处理层施工从2008年3月开始，衬砌完成于2008年6月中旬，至2010年10月衬砌拆除，试验周期3年。根据现场试验成果，本文重点以膨胀岩渠道在施工及运行期边坡的稳定、变形、防护等方面监测成果，分析膨胀岩渠坡安全状况、破坏模式，评价渠坡处理措施防护效果，推荐总干渠膨胀岩渠坡的处理方案，为南水北调中线工程膨胀岩渠坡处理设计和大面积施工提供指导和借鉴［1，2］。

2 膨胀岩渠坡稳定、变形监测

2.1 渠坡破坏

2.1.1 开挖期滑坡

滑坡体位于非试验段桩号SY1+179.7至SY1+240.5渠道左侧二至四级马道的渠坡上，滑塌体长度60.8 m，滑坡方量约900 m3。滑坡开挖卸荷后，滑坡从三级马道开始启动，上缘出现宽0.5～0.8 m的张拉裂缝，并产生约3 m左右的跌坎，滑坡体最大厚度约1.2 m，如图1所示。

图1 黏土岩渠坡开挖滑坡破坏Fig.1 The landslide of marl canal slope after excavation

通过现场地质人员对滑坡体进行的坑槽勘探，发现此段黏土岩中裂隙发育，其中，走向270°～340°的裂隙共计38条，与区域断裂构造线方向基本一致，并发现有一条连通性较好的裂隙。

2.1.2 简易防护降雨滑坡

Ⅲ试验区，一级马道以上采用水泥砂浆简易防护。经2年现场试验运行，喷护的水泥砂浆大部分开裂、脱落，监测的含水率变化幅度较大，水泥砂浆的防护已基本失效。2010年9月试验段地区大气降雨频繁，6日累积降雨量达到71.8mm/d多，7日出现一级马道以上渠坡破坏，如图2所示。

图2 水泥砂浆喷护段降雨滑坡破坏Fig.2 The rainfall-induced landslide of clayrock canal slope section treated by cement mortar

2.1.3 泥灰岩、黏土岩裸坡人工降雨滑坡

Ⅰ-Ⅰ试验区左岸泥灰岩边坡(坡比1∶1.5)在一场人工降雨后，形成前缘宽13.2 m，后缘宽5.6 m，后缘跌坎高1.5 m，方量 106余 m3的大面积滑坡。如图3所示。

Ⅰ-Ⅰ试验区右岸黏土岩边坡(坡比1∶2.5)在3场降雨后，沿渠道水流方向长约14.2 m，沿坡面方向长约3.5 m的浅层滑坡，浅层水平位移达30 cm以上，滑坡后缘距离一级马道坡面约1.0 m，在高程100.81 m跌坎高0.69 m，滑坡前缘隆起约0.45 m，滑坡估计方量45.7 m3，如图4所示。

2.1.4 滑坡机理分析

开挖期滑坡(如图1)，属裂隙强度控制下的渠坡滑动。这类破坏以沿裂隙面或结构面的滑动为主，多表现为重力式滑动。当开挖渠坡遇到适当的地层、且地层裂隙的倾向与渠道边坡倾向一致时，由于裂隙面的强度远低于土块强度，一旦外部条件变化，如开挖卸荷、降雨等，在重力作用下，渠坡将沿裂隙面发生滑动破坏。

图3 泥灰岩渠坡人工降雨滑坡破坏形态Fig.3 The failure modes of marl canal slope after artificial rainfall

图4 黏土岩渠坡人工降雨滑坡破坏形态Fig.4 The failure modes of clay-rock canal slope after artificial rainfall

简易防护和人工降雨滑坡(如图2，3，4)，属膨胀作用下的渠坡滑动。这类滑动以膨胀变形为驱动力，多表现为浅表层膨胀变形后的牵引式滑动。在降雨的作用下，渠坡表层一定范围内的土体含水率发生变化，产生膨胀变形，而下层的土体含水率没变化，会约束上层的膨胀变形，在两层土体界面上将产生较大的剪应力，使局部应力达到塑性平衡状态，土体破坏，并逐渐向周围土体延伸，最终导致一定范围内渠坡的失稳。

2.2 渠坡稳定性

试验段膨胀岩渠坡水平位移在3年试验周期内，累积最大变形量为38.5 mm，变形主要发生在开挖期阶段，约占总变形量60%;渠坡各处理措施实施后，渠道运行阶段水平位移已收敛，变形量不超过16 mm;渠道退水期间水平位移最大不到3 mm;最大水平位移深度发生在管口(即地表)，或地表以下2～6 m。

统计开挖期、施工期、运行期水平位移如图5所示，开口线水平位移如图6、图7所示。

图5 2试验区左岸开口线测斜管水平位移Fig.5 The horizontal displacement of foundation line of the left bank ground in the 2nd test area

图6 渠坡开口线各时期水平位移柱形图Fig.6 The horizontal displacement of foundation line of the canal slope during various periods

图7 渠坡开口线以下各时期水平位移柱形图Fig.7 The horizontal displacement under the foundation line of the canal slope during various periods

2.3 渠坡变形

2.3.1 人工降雨试验人工降雨试验是模拟大气降雨工况。表1列入裸坡、土工袋处理措施、土工格栅处理措施，在人工降雨期间渠坡表面变形量。其中裸坡表面最大膨胀量为28.7 mm，土工袋和土工格栅处理层的最大膨胀量分别为12 mm和14 mm。成果显示，处理措施对渠坡膨胀变形具有明显的抑制效果。

表1 人工降雨对不同处理措施隆起变形比较Table 1 The uplift displacement of canal slope treated by different measures under artificial rainfall

2.3.2 局部破坏试验

局部破坏试验是模拟渠坡处理层和衬砌变形、开裂，导致防渗系统损坏、失效工况，通过在处理层底部注水监测渠坡变形。如表2所示，土工袋+开挖料处理措施隆起量最大7 mm;土工格栅+开挖料处理措施试验区隆起量其次4 mm;换填黏性土料处理措施试验区隆起量最小2 mm;说明土工袋+开挖料处理措施效果稍差。

2.3.3 强制破坏试验

强制破坏试验是模拟渠道局部渠段处理措施和衬砌滑塌工况，通过人为开挖一定规模深槽，在渠道蓄水、退水条件下监测渠坡变形。

表2 不同处理措施局部渗漏渠坡变形比较Table 2 The deformation of canal slope treated by different measures under partial leakage

(1)Ⅱ至Ⅴ试验区渠道衬砌裂缝测绘结果表明，Ⅱ试验区(土工格栅处理措施)未产生裂缝;Ⅲ试验区(换填黏性土处理措施)、Ⅴ试验区(土工袋处理措施)左岸，渠坡靠近底部均产生1条裂缝，该裂缝长分别为4.0 m，2.8 m，宽度分别为2.0 mm，1.5 mm;Ⅳ试验区(土工膜处理措施):总计产生43条裂缝，均靠近渠坡底部，累积裂缝长约114 m，最大宽度约4.0 mm。

(2)Ⅱ至Ⅴ试验区渠道经过蓄水、浸泡、退水等循环过程，渠道衬砌隆起测绘结果如表3所示。其中，隆起量最大是Ⅳ试验区，左岸、右岸、渠底隆起量均大于其它3个试验区，试验前后观测最大隆起量分别为78.7 mm、101.7 mm。

由此说明，土工膜处理措施由于没有上覆压重作用，衬砌板渗漏时，极易隆起、开裂。

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

3 膨胀岩防护效果监测

膨胀岩试验段渠坡处理后，通过监测土体内含水率变化幅度、变化深度，并结合大气降雨，分析渠坡处理防护效果［3－5］。

3.1 一级马道以上防护效果

3.1.1 处理措施防护效果

一级马道以上处理措施有:土工格栅+植草、土工膜+水泥砂浆、土工膜+植草、土工袋+植草，如图8至图10所示，其防护结论如下:

(1)土工格栅+植草、土工膜+水泥砂浆、土工膜+植草、土工袋+植草各处理方案，均存在2009年度含水率变幅高于2008年度，说明植草(或水泥砂浆)防护效果，经过一段时间运行后降低。

(2)土工膜+水泥砂浆喷护、土工膜+覆盖土植方案，土工膜+水泥砂浆喷护各埋深含水率2008年度变幅低于土工膜+覆盖土植草方案，2009年度则相反。说明水泥砂浆喷护方案效果初期阶段好于植草方案，随时间推移植草方案优于水泥砂浆喷护方案。

(3)就2009年度上述各处理层含水率变幅看，土工袋+植草、土工膜+水泥砂浆处理效果较差，土工格栅+植草效果相对稳定。

(4)按 0.5 m，1～2 m埋深含水率变幅柱形图，如图11、图12所示，一级马道以上防护效果从好至差排序为:土工格栅+植草、土工膜+水泥砂浆、土工袋+植草、土工膜+植草。

图8 Ⅱ区右岸土工格栅+植草含水率历时曲线Fig.8 History curves of water content at the right bank ofⅡtest area treated by geogrid and grass planting

图9 Ⅳ区左岸土工膜+水泥砂浆含水率历时曲线Fig.9 History curves of water content at the left bank ofⅣtest area treated by geo-membrane and cement mortar

图10 Ⅴ区右岸土工袋+植草含水率历时曲线Fig.10 Curves of water content at the right bank ofⅤtest area treated by soilbag and grass planting

图11 一级马道以上0.5 m埋深含水率变幅柱形图Fig.11 Changing rates of water content at 0.5 m embedment above the first berm

图12 一级马道以上1～1.6 m埋深含水率变幅柱形图Fig.12 Changing rates of water content at 1 ～1.6 m embedment above the first berm

3.1.2 简易防护效果

简易防护主要有水泥砂浆喷护、砌石拱+植草、砼框格+植草，如图13至图15，其防护结论如下:

图13 Ⅲ区左岸(水泥砂浆喷护)含水率历时曲线Fig.13 History curves of water content at the left bank ofⅢtest area treated by cement mortar

图14 Ⅵ区左岸(砌石拱+植草)含水率历时曲线Fig.14 History curves of water content at the left bank ofⅥtest area treated by masonry arch and planting grass

图15 Ⅵ区右岸(砼框格+植草)含水率历时曲线Fig.15 History curves of water content at the right bank ofⅥtest area treated by concrete frame and planting grass

(1)水泥砂浆喷护、砌石拱+植草、砼框格+植草等简易防护含水率变幅均大于处理措施防护，防护效果较差。

(2)水泥砂浆喷护，2008年度含水率变幅小于砌石拱+植草、砼框格+植草两防护，2009年度则相差不大。说明水泥砂浆喷护在初期阶段防护效果好于砌石拱+植草、砼框格+植草，与土工膜+水泥砂浆情况相同。

3.2 一级马道以下防护效果

一级马道以下渠坡处理层方案包括:格栅处理层+衬砌、土工膜+泥结石、土工膜+衬砌、土工袋+衬砌、换填黏性土+衬砌，如图16至图18所示，防护效果结论分析如下:

3.2.1 处理措施防护效果

(1)根据各埋深含水量变幅大小看，土工袋+衬砌含水率变幅2008年度大于2009年度，2009年度含水率变幅高于土工格栅+衬砌方案。

(2)2008年度土工膜+泥结石处理方案含水率变幅明显大于土工膜+衬砌含水率，2009年度上述两方案含水率相差不大，说明土工膜+衬砌经过一年运行，其防渗效果低于土工膜+泥结石。

图16 Ⅱ区左岸土工格栅+衬砌含水率历时曲线Fig.16 History curves of water content at the left bank ofⅡtest area treated by geogrid and lining

图17 Ⅶ区左岸土工膜+衬砌含水率历时曲线Fig.17 History curves of water content at the left bank ofⅦtest area treated by geo-membrane and lining

图18 Ⅴ区右岸土工袋+衬砌含水率历时曲线Fig.18 History curves of water content at the right bank ofⅤtest area treated by soilbag and lining

(3)按0.5m，1～2m埋深含水率变幅柱形图，如图19、图20所示，一级马道以下防护效果从好至差排序为:土工格栅+衬砌，土工袋+衬砌，土工膜+衬砌。

3.2.2 处理层内含水率变化

如图21、图22所示，土工格栅处理层，2009年度含水率变幅在4%左右，土工袋处理层含水率变幅约10%，说明土工袋压实密度不均匀，渗透系数大，与土工袋施工工艺有关。

图19 一级马道以下0.5 m埋深含水率变幅柱形图Fig.19 Changing rates of water content at 0.5 m embedment under the first berm

图20 一级马道以下1～1.5 m埋深含水率变幅柱形图Fig.20 Changing rates of water content at 1 ～1.5 m embedment under the first berm

图21 Ⅱ区左岸土工格栅+衬砌含水率历时曲线Fig.21 History curves of water content at the left bank ofⅡtest area treated by geogrid and lining

图22 Ⅴ区右岸土工袋+衬砌含水率历时曲线Fig.22 History curves of water content at the right bank ofⅤtest area treated by soilbag and lining

3.3 防护深度

由上分析，受大气降雨等自然环境影响，试验段膨胀岩渠坡处理后各埋深含水率变化幅度、深度等特征值汇总如表4所示。

表4 试验段含水率变化特征值汇总表Table 4 The eigenvalues of water content changing rate at various test areas

(1)渠道运行期观测:由于大气降雨引起含水率变化，根据含水率监测数据测得，含水率变幅≤2%为达到影响深度，含水率变幅大于2%，为含水率变化超过的深度。

(2)人工降雨试验:采用手摇钻钻孔取样得到各埋深重量含水率，根据降雨前后含水率变化获得含水率变化深度。

各工况含水率影响深度列入表5。可得:渠道运行期观测含水率影响深度大于钻孔所得含水率影响深度。主要原因是含水率探头既受大气降雨影响，同时还受地下水影响。

按钻孔含水率影响深度作为处理措施防护深度分别为:裸坡(1 m)，土工袋+植草(2 m)，土工格栅+植草(1.7 m);

按观测含水率传感器影响深度作为处理措施防护深度从大到小排序为:裸坡(3 m)，简易防护措施(＞2 m)，土工膜+水泥砂浆喷护(＞3 m)，土工袋+植草(＞2.6 m)，土工格栅+植草(1.5 m);土工膜+衬砌(＞2 m)，土工袋+衬砌(1.5 m)，土工格栅+衬砌(1 m)。

表5 膨胀岩各处理措施含水率变化深度一览表Table 5 Changing rates of water content of expansive rock treated by various measures

4 结论

以膨胀岩试验段近3年度试验周期现场试验数据，可对膨胀岩渠坡处理措施评价如下。

4.1 膨胀岩渠坡稳定性

膨胀岩渠坡经处理后渠坡基本稳定，测斜管观测结果表明水平变形主要发生在施工开挖阶段，约占总变形量60%，渠道运行阶段水平位移已收敛。对于裸坡(未采取防护措施)或水泥砂浆简易防护的渠坡，在大气降雨作用下出现了浅层滑动。现场试验说明，膨胀岩渠坡未经处理或采取简易处理，在大气降雨作用下仍存在滑动危险。综上分析，长科院在国家“十一五”科技支撑计划项目“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”课题中，提出将膨胀岩土渠坡破坏模式归纳为以下2类:

模式一为裂隙强度控制下的渠坡滑动。这类破坏以沿裂隙面或结构面的滑动为主，多表现为重力式滑动。

模式二为膨胀作用下的渠坡滑动。这类滑动以膨胀变形为驱动力，多表现为浅表层膨胀变形后的牵引式滑动。

4.2 膨胀岩渠坡变形、衬砌裂缝

由于大气降雨、渠道蓄(退)水作用，渠坡均出现不同程度膨胀隆起，其中土工膜处理措施膨胀隆起量最大，为102 mm，衬砌共产生43条裂缝，累积裂缝长约114 m;土工格栅处理措施、土工袋处理措施隆起量分别为39，76 mm。

说明相同厚度的换填黏性土、土工格栅、土工袋，其压重效果相当，土工膜不具备压重效果。

4.3 处理措施防护效果

潞王坟膨胀岩渠坡水泥砂浆喷护、砌石拱+植草、砼框格+植草等坡面简易防护措施对于防止含水率变化的效果非常有限，仅可以抵抗表层雨水冲刷，但长期大气降雨作用下仍存在边坡稳定问题。

渠坡处理措施实施后，坡面均受到不同程度保护，大气降雨影响随之减小，各处理措施防护效果评价优至劣排序为:土工格栅+植草，土工膜+水泥砂浆，土工袋+植草，土工膜+植草;土工格栅+衬砌，土工袋+衬砌，土工膜+衬砌。

4.4 大气降雨入渗深度

根据试验段观测含水率，影响深度从大至小排序:裸坡(3 m)，简易防护措施(＞2 m)，土工膜+水泥砂浆喷护(＞3 m)，土工袋+植草(＞2.6 m)，土工格栅+植草(1.5 m)，土工膜+衬砌(＞2 m)，土工袋+衬砌(1.5 m)，土工格栅+衬砌(1 m)。

4.5 综合评价及建议

根据膨胀岩现场试验验证研究成果，非换填处理措施方案中土工格栅处理渠坡效果最佳，土工膜处理效果较差。就膨胀岩试验段现有试验条件，以及3个非换填黏性土渠坡处理方案，推荐南水北调中线工程膨胀岩渠坡处理方案:应优选土工格栅加筋处理措施;对于处理断面为出口段、扭曲面等适宜点状作业的施工面，可采用土工袋处理措施;土工膜处理措施由于没有压重效果，可用于低地下水位且侧向补给较差的一级马道以上渠坡处理。

［1］孔令伟，陈建斌，郭爱国，等.大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究［J］.岩土工程学报，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］刘特洪.工程建设中的膨胀土问题［M］.北京:中国建筑工业出版社，l997.(LIU Te-hong.Expansive Soil in Engineering Construction［M］.Beijing:China Architecture and Building Press，1997.(in Chinese))

［3］龚壁卫，C W W NG，包承纲，等.膨胀土渠坡降雨入渗现场试验研究［J］.长江科学院院报，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］包承纲.南水北调中线工程膨胀土渠坡稳定问题及对策［J］.人民长江，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，孔令伟，郭爱国.气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究［J］.岩土力学，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))