膨胀土渠道边坡变形特征研究

时圣民

(山东省单县时楼镇人民政府，山东 单县 274000)

1 概 述

膨胀土在我国分布范围广，且对工程建设影响较大。尤其是膨胀土边坡，在降水等因素影响下，极易发生膨胀变形破坏。引水渠道是重要的输水工程，渠道水渗漏使渠道边坡膨胀土遇水膨胀，从而导致渠道边坡开裂破坏，造成十分严重的后果。目前，聊城引黄灌区、南水北调渠道以及北疆均遇到膨胀土问题，对工程的建设、维护造成不利影响[1-3]。由于膨胀土分布广、危害大，许多专家学者对膨胀土边坡带来的工程问题进行了研究。

张坤勇等[4]对膨胀土边坡的变形机理进行分析，通过载荷、干湿循环等试验，分析了膨胀土边坡的稳定性情况，认为裂隙发育情况对膨胀土边坡的稳定性影响较大，土体强度衰减及渗流是导致膨胀土边坡破坏的最主要因素。谢彦初等[5]利用组合赋权和二分K-means聚类法建立一种膨胀土边坡“健康”程度的评价体系，经对比与实际勘察成果较为一致，评价结果较为可靠。周峙[6]通过现场勘察、室内试验、理论分析等方法，分析裂隙形成机理以及膨胀土边坡破坏机理，认为膨胀土性质以及裂隙发育情况是控制膨胀土破坏的主要因素。

本文结合某渠道工程实际情况，通过收集渠道变形监测数据，分析该膨胀土边坡的变形过程，利用主成分分析法对边坡的变形特征进行分析。

2 渠道工程变形概况及监测情况

引水工程作为灌区的主要输水渠道，穿越距离长，地质条件复杂。其中，在渠道0+740～0+860段，渠道边坡土质为膨胀土。由于工程所在地区降水较大，岩土体含水量变化较大，根据前人研究成果可知，膨胀土边坡在干湿循环作用下，强度极易劣化，导致变化稳定性较低，引水渠道存在较为严重的稳定性问题。根据勘察成果得知，该段渠道膨胀土为中等膨胀。根据设计文件，该段渠道开挖深度约为33～38 m，引水渠道底部宽约13.0 m，渠道边坡比为1∶3.0、1∶2.5、1∶2.5、1∶2.5、1∶3。从下至上每级边坡坡高为10.0、6.0、6.0、6.0、6.0 m。每级边坡之间预留平台，平台宽度为5.0 m。为了防止渠水渗漏及冲刷影响，采用水泥土对整个渠道进行处理。该渠道工程典型断面见图1。

图1 渠道典型横断面图

根据现场调查，该渠道平台区域均未发现明显的裂隙，渠道无裂隙密集带发育。因此，在该渠道设计时，仅在过水断面处设置方桩作为支挡，其他区域暂未设置抗滑措施。在投入使用后，在二级边坡顶部平台区域发生了较为明显的位移；在三级边坡顶部的排水沟区域发生了较为明显的断裂、沉降破坏；三、四级边坡出现了明显破坏、开裂现象，且变形破坏存在继续发展的现象，渠道出现浅层破坏。

渠道边坡发生滑动破坏后，对现场进行调查，在0+800处、0+840处的三级边坡坡脚区域发现较为明显的渗水现象。渠道外部水流已经渗入渠道表面处理的土层下部。在三级边坡坡脚区域，存在一处较为明显的滑体，滑体厚度在2.5～7.8 m之间。该区域出现滑动变形的主要原因是该处渗漏导致膨胀土与水接触，力学性质劣化同时体积发生变化，导致渗水裂缝不断扩大、膨胀土继续胀缩，从而导致渠道边坡出现滑动变形破坏。

为了保证渠道边坡不发生大规模的变形破坏，尽快恢复渠道的使用，减少渠道破坏造成的损失，在变形发生后，采取锚杆加固、加设排水管等系列措施，保证渠道边坡的排水效果和安全性。同时，在渠道处设置监测点，对渠道的后续变形进行观测。根据加固方案，三级边坡布置3排锚杆，锚杆纵向间距3.0 m，锚固力不小于50 kN。监测装置主要采用渗压计和测斜管，布置方案见图2。

图2 渗压计和测斜管布置图

根据初次加固后的监测数据可知，临时采取的加固措施有效控制了渠道边坡的变形发展速率，但边坡发展仍在进行。为了保证边坡的安全，控制变形继续发展，在渠道边坡上加设伞形锚杆，共布置6排锚杆。其中，垂直向上的锚杆间距2.0 m，顺水流方向间距为4.0 m，锚固力大于100 kN。

3 基于监测数据渠道边坡变形分析

监测数据是边坡变形分析中最为重要、可靠的数据，现场监测成果是周边环境、变形量数据的最准确结果[7-8]。通过收集变形观测以及周边环境数据，可对外部环境变化条件下的渠道边坡变形规律进行分析。利用现场监测成果，对渠道边坡变形特征进行分析是最为可靠的。通过收集渠道二次加固后的变形观测数据和渠道周边外部环境情况(每日降雨量)的变化情况，作为渠道边坡变形特征分析的基础数据。测斜管位移监测见图3，周边环境变化情况见图4。根据测斜管监测成果可知，变形峰值约为0.5～2.0 m的深度。

图3 测斜管表面测点位移监测成果

图4 渠段环境量过程线

二次加固以后，渠道边坡深部位移不断增大，在二级边坡和四级边坡处同期出现了变形，且二级、四级边坡处的变形规律基本一致。根据监测数据可知，在渠道边坡的不同区域，变形量各不相同。由于二级、三级边坡处的膨胀土干湿循环现象严重，在干湿循环影响下，二级、三级边坡的变形量最为显著。根据图3的变形监测结果可知，该段渠道边坡变形呈现先增大后减小的趋势，之后趋于稳定。预应力锚杆施工后，渠道边坡内部应力调整较为剧烈，边坡变形速率较快。之后，锚杆作用基本稳定，边坡变形主要受外部环境的影响，随着降水、地下水位、渠道水位的变化而变化。

将测斜管获取的位移变形数据绘制到渠道边坡里面图上，见图5。从图5中可知，在渠道边坡的不同区域，测斜管测量的位移数据各不相同。其中，0+805处、0+835处渠道边坡变形量最大。根据现场调查，渠道膨胀土在多次干湿循环作用下，在该处形成一处滑动面，从而导致边坡出现较大的变形量。

图5 变形测点分区

4 结 论

1) 膨胀土边坡稳定性受外界环境因素影响较大，某渠道工程在投用后，渠道边坡发生了滑移破坏。为了保证边坡的整体稳定性，紧急采取支护措施。第一次加固后，渠道边坡变形速率逐渐降低，但未达到收敛，边坡变形仍在不断发展。

2) 为了控制边坡变形，使其趋于稳定，该渠道边坡进行了二次加固。根据监测资料显示，二次加固后，渠道边坡变形逐渐趋于稳定。长期遭受干湿循环的区域变形量最大，变形与外界因素关系密切。

3) 根据本工程实例可知，为了保证膨胀土边坡的稳定性，需要控制降水入渗以及地下水入侵导致膨胀土性质劣化，从而避免形成贯通的滑裂面，导致大规模的变形破坏。