深挖方膨胀土渠道边坡运行期变形成因分析

2023-11-16马福恒

长江科学院院报 2023年11期

胡江,李星,马福恒

(南京水利科学研究院大坝安全与管理研究所, 南京 210029)

0 引言

膨胀土边坡破坏具有渐进性、结构性、季节性和反复性等特征。运行期膨胀土渠坡的变形和滑动是受胀缩性、裂隙性和超固结性等内因以及降雨和地下水位等外因共同作用的结果[1-2]。南水北调中线、引江济淮和北疆供水等多个调水工程都面临着膨胀土渠坡长期运行后的失稳风险[3-4]。为此,开展膨胀土渠坡运行期变形破坏成因研究,对确保工程安全以及采取科学处置措施具有重要意义。

在膨胀土边坡失稳机理方面,已有大量的理论分析、模型试验及数值模拟研究。殷宗泽等[5]、程展林等[6]、陈善雄等[7]通过理论分析和试验研究认为,裂缝是膨胀土边坡失稳的主要因素,提出采用改性土换填和土工膜覆盖等措施避免产生裂缝,以及通过排水降低地下水位避免土体胀缩。考虑到理论分析和试验研究成果与实际运行情况会存在差距,近年来普遍重视基于安全监测数据的相关研究。邓铭江等[8]、蔡正银等[9]基于实测数据和离心模型试验,揭示了北疆供水渠道膨胀土边坡破坏机制,通停水造成的干湿循环引起浅层失稳破坏,当后缘出现张拉裂隙时应采取抗滑支挡加固和渗水抽排等处置措施,降低渠坡失稳风险。胡江等[10]对膨胀土渠坡位移测点分区,分析了渠坡位移时空特征,渠坡位移存在空间不均衡性,运行初期主要受时效影响,降雨、地下水位和温度也有一定的影响。总体上看,对深挖方膨胀土渠坡而言,基于安全监测数据的运行期的变形和失稳破坏的成因分析的相关研究仍然较少,亟待进一步研究。

某调水工程的一坡高超40 m深挖方中膨胀土渠段,渠坡变形已超设计警戒值,外观存在破损。本文以该渠段为例,通过安全监测数据分析降雨与渠坡地下水位之间的关系,构建统计模型确定变形的主要影响因素;利用综合地球物理方法,探测排水处理后地下水位和缺陷分布;建立反映渠坡地质条件和变形特征的分区模型,计算实施排水处理前后渠坡抗滑稳定性。在此基础上,考虑工程与水文地质、降雨与地下水位等内外因素,综合分析渠坡运行期的变形机制。

1 工程概况与应急处置情况

1.1 工程概况

某调水工程桩号10+955—11+000渠段左岸渠坡共6级、挖深超40 m,典型断面布置和渠段现状见图1。渠道设计、加大水深分别为8、8.77 m,过水断面坡比1∶3,一级马道宽5 m,以上每6 m设一级马道,除四级马道宽50 m外其余马道宽均为2 m,二—四级渠坡坡比均为1∶2.5,五、六级渠坡坡比为1∶3。渠坡全断面换填水泥改性土,过水断面换填厚1.5 m,以上换填厚1 m。各级马道上均设纵向排水沟,坡面上设横向排水沟。过水断面设方桩和坡面梁支护体系,方桩为1.2 m×2 m,桩长13.6 m,桩间距4 m;因三级边坡存在裂隙密集带,三级马道设抗滑桩,桩径1.3 m、桩长10 m、桩间距4 m。该段渠坡2013年12月完工,2014年12月通水运行。

图1 渠段典型设计横断面及当前形象面貌

1.2 地质概况

渠坡主要由第四系中更新统(Q2al-pl)和下更新统(Q1pl)粉质黏土、钙质结核粉质黏土组成,属中膨胀土,裂隙较发育。第四系中更新统(Q2al-pl),第①层粉质黏土层厚约3 m,分布于143～152 m之间,中等膨胀,裂隙较发育,优势倾向140°～180°,以缓-中倾角为主。第四系下更新统(Q1pl),第②层粉质黏土厚约5 m,底板高程147 m左右,中等膨胀,顶部23 m厚裂隙极发育,为裂隙密集带;第③层粉质黏土中等膨胀性,裂隙不发育,底板高程142 m左右,厚约5 m;第④层粉质黏土底板位于渠底高程以下,中等膨胀,微裂隙及小裂隙较发育,大、长大裂隙不甚发育。该段地下水较丰富,开挖期间有多处上层滞水,初始上层滞水位162.2～163.2 m。

1.3 外观病害与应急处置情况

2017年3月,巡视检查中发现,三、四级渠坡坡脚排水沟和一级马道排水沟局部断裂,过水断面上部衬砌板产生裂缝和翘起。为加强渠坡内部变形和地下水位监测,2017年6月,在一—三级马道分别增设了测斜管和渗压计,增设后共6孔测斜管和6支渗压计,布置于10+955和11+000断面一—三级马道,孔深21.5～25 m。增设后渠段监测设施布置见图2和表1,包括表面垂直和水平位移,渠坡内部测斜管和渗压计等。表面垂直、水平位移以及测斜管A向位移分别以下沉、顺坡向和指向渠道为正。渗压、测斜管和表面变形观测频次分别为4、2、1次/月,其中表面变形自2019年起改为1次/(2月)。11+000断面一级马道渗压计P53测值结果不可靠、TP01-11000水平位移缺测,故不分析。

表1 10+955—11+000渠段左岸渠坡测斜管和渗压计信息

图2 10+955—11+000渠段左岸渠坡安全监测设施布置

一级马道水平和垂直位移设计警戒值分别为30、50 mm。截至2021年3月,渠段变形仍未完全收敛,初步判断存在剪切变形。10+950、11+000断面一级马道测斜管A向最大累计位移分别为25.11、36.47 mm,分别接近和超设计警戒值;11+000断面一级马道外部水平位移达90.41 mm,远超设计警戒值。2021年5月下旬,在该渠段二、三级渠坡坡顶靠近马道处增设5 m深排水井,在二、三级马道增设1.4 m深排水盲沟。

2 渠坡安全监测数据分析

2.1 变形监测数据分析

两断面一—三级马道的表面水平和垂直位移过程线见图3。由图3可见,两断面二、三级马道表面水平位移呈增大趋势,10+955断面一级马道表面水平位移受一级边坡抗滑桩支护影响,存在上抬和反翘现象,此后呈周期性变化规律。10+955断面表面垂直位移总体有上抬趋势,但量值在15 mm以内,未见异常变化趋势;11+000断面一级马道表面垂直位移呈显著上抬趋势,截至2021年底,累计上抬91.39 mm,远超设计警戒值50 mm。

图3 10+955和11+000断面表面位移过程线

截至2021年年底,两断面一、二级马道内部变形的A向累计位移变化过程见图4。由图4可知,两断面一、二级马道位移变化较显著,主要为向渠道中心的变形。10+955断面一、二级马道内部变形较显著区为孔口以下4、11 m内,累计位移分别为27.47、33.23 mm;11+000断面一、二级马道内部变形较显著区也为孔口以下4、11 m,累计位移分别为40.55、38.46 mm。此外,两断面三级马道内部变形的A向累计位移较显著区分别为孔口以下14、9 m,累计位移分别为26.65、28.79 mm;两断面四级马道内部变形相对较小。依据2021年年底数据,将测斜管A向累计位移突变作为判别准则,推测渠坡的潜在滑动面深度,结果见图5所示。

图4 10+955和11+000断面测斜管内部A向累计位移变化过程

图5 推测的10+955和11+000断面潜在滑动面和变形体示意图

综合图4和图5可看出,10+955断面一级马道深度4 m处A向累计位移较大,为潜在滑动面剪出口,425 m范围变形不明显;三级马道深度14 m处位移较大,为潜在滑动面。11+000断面一级马道深度5 m处A向累计位移较大,为潜在滑动面剪出口,426 m范围变形不明显;二级马道深度9 m处位移较大,为潜在滑动面。变形体主要位于二—四级渠坡,且还在发展中。同时,因过水断面支护体系和三级马道抗滑桩作用,后缘及变形范围不明显。

2.2 地下水位监测数据分析

两断面地下水与渠道水位过程线见图6。由图6可发现,10+955断面一、三级马道和11+000断面二级马道的地下水位较高。以10+955断面一级马道P50为例分析,该测点2018—2020年地下水位和降雨量过程线见图7。由图6和图7可发现,10+955断面一、三级马道和11+000断面二级马道的地下水位较高,4—9月份降雨量较多,测压管水位较高。10+955断面三级马道P52测点处地下水位在162 m高程附近波动,与开挖期揭露的初始上层滞水水位高程(162.2～163.2 m)接近;该处地下水位与降雨量存在一定的相关性,与渠道水位关系不大。对测压管进行抽水试验,这3处渗压计所在测压管在抽水后水位恢复较快,且与改性土结合面距离较近,表现为上层滞水。其余测压管水位相对较低,与渠道水位接近。

图6 10+955和11+000断面渗压计和渠道水位测值过程线

采用灰色关联度对降雨和地下水位相关性进行分析,有效降雨量计算方法见文献[10],有效雨量系数取0.84,前期降雨影响选取15 d;灰色关联度计算方法见文献[11]。有效降雨量与P52测点地下水位的灰色关联度分别为0.809,>0.8,相关性较好。新增的排水措施完工后,一、二级马道渗压水位有所下降,排水措施能在一定程度上降低地下水位。

2.3 位移的统计模型分析

为了分析变形的主要影响因素,以10+955断面一至三级马道水平位移为例建立统计模型进行了分析,时间序列为2017年10月—2021年5月。选取了有效降雨量、渠道水位、气温和时效等影响因素,有效降雨量计算同2.2节;渠道水位取1～3次方;时效因子取线性和对数式的组合式;温度则取年周期性谐波因子。统计模型表达式见文献[10]。

一至三级马道水平位移统计模型复相关系数分别为0.964、0.994和0.993,模型拟合精度较高,且通过了10阶交叉验证,拟合值与实测值对比见图8,根据各分量引起位移年变化占位移年变幅的大小计算各因素的相对影响大小,结果列于表2。结合图8和表2可以看出,一级马道表面水平位移主要受季节变化影响,二、三级马道表面水平位移未完全收敛,降雨量和渠道运行水位对表面水平位移也有一定影响。

表2 10+950断面一至三级马道水平位移统计模型各分量相对影响大小

3 渠坡地下水位与缺陷探测

3.1 综合探测方法与测线布置

综合采用地质雷达法、高密度电阻率法与浅层地震面波法等地球物理方法探测排水沟和排水井措施实施后的渠段地下水位和缺陷分布,探测时间为2021年9月。地质雷达法探测隐患部位和规模,高密度电阻率法检测土体含水和地下水分布,浅层地震面波法反映土层属性,3种方法互为补充[3, 12]。地质雷达法设备为SIR-3000型地质雷达、100 MHz和低频组合一体式天线。高密度电阻率法设备为WGMD-6三维高密度测量系统,电极采用3 m间距布置。浅层地震面波法设备为MA-48,采用0.5 m道距、24道接收、4次覆盖,以及人工锤击震源中间激发、双边接收模式。测线布置见图9,地质雷达法沿一级及二、三级马道纵向分别布置2条、1条测线,高密度电阻率法沿二级马道纵向布置1条测线,地震波法沿二、三级马道纵向布置1条测线。

3.2 隐患探测成果解译

一级马道渠坡侧、二级马道测线的地质雷达法解译图见图10,10+955—10+965段一级马道深4.5～8.0 m区域以及相应二级马道深5.5～10.0 m区域土体相对高含水率;三级马道也存在局部高含水率区域,深度也在5 m以下。二级马道高密度电阻率法解译见图11,浅层部位(深0～7 m)均为高电阻率区域,但10+929—10+940段(深7～21 m)电阻率极低、含水率极高,该区存在滞水区。10+955—11+003二级马道地震面波法解译见图12,10+975—10+990段深度3.5～7 m区域地震面波异常,地震反射波同相轴波幅较强,介质波阻抗差异增强,反射波成层性差,该区域土层为软弱土质;三级马道局部深8～10.5 m区域为软弱土质。总体看,实施排水盲沟和排水井等排水措施后,二、三级马道地下水位均处于地表5 m深度以下;且该深度以下局部分布有软弱土质。

图10 10+950—11+000渠段地质雷达法解译图及高含水区域分布

图11 10+902—11+040渠段二级马道高密度电阻率法解译及高含水区域分布

图12 10+955—11+003渠段二级马道地震面波法解译及异常分布

4 渠坡稳定性分析

4.1 膨胀土渠坡稳定性分析方法与计算模型

根据位移监测资料和渠坡坡体裂隙发育特征,推测渠段渠坡变形范围主要位于二—四级渠坡。

膨胀土裂隙面光滑抗剪强度低,为软弱结构面,在地下水作用下渠坡易沿倾坡外裂隙或不利裂隙组合交线滑动,规模受裂隙分布和连通情况控制。该调水工程已有滑坡也证实滑动面由前缘缓倾角与后缘陡倾角裂隙面构成[6-7]。依据地勘资料,渠段中存在大量裂隙面,采用折线形组合滑动面反映坡体沿裂隙的滑动面。将裂隙视为0.1 m薄土层,在分析域内预设一系列不同位置的缓倾角和陡倾角裂隙面,概化裂隙分布形成网格模型。对同一节点上关联的缓倾角和陡倾角裂隙面构成的滑动面采用折线滑动法进行稳定分析,当滑动面与裂隙面不一致时采用土体强度参数,考虑条块间相互作用力,采用Morgenstern-Price法计算安全系数。最小安全系数对应节点关联的滑动面为最不利滑动面。

参考已有成果[1,6-7, 13-15],尽管难以准确确定分区界限,但膨胀土边坡稳定分析时分区比不分区符合实际。考虑到四级马道布置和变形现状,建模区域为一—四级渠坡,施加荷载有土重、地下水渗透压力、渠道水压力和坡面荷载。

根据地质勘察和安全监测资料,考虑裂隙分布和大气影响,将图1(a)的断面概化为图13所示分区模型。其中,大气影响带和过渡带厚度均为3 m,裂隙密集带厚度为5 m。模型侧面和底面取位移边界条件,侧面限制水平位移、底面固定。计算工况包括设计水位、实际运行和排水处理共3种工况,其中设计工况时不考虑内部裂隙,其他工况采用概化裂隙进行稳定计算;设计水位工况时渠道取设计水位、地下水位埋深取5 m;实际运行工况地下水位取渗压计测值的历史最大值。

图13 10+950断面稳定计算的分区模型

4.2 滑移面参数反演

将强度参数分为土体和裂隙面强度参数。根据该段渠坡地质资料,土体物理参数及抗剪强度建议值列于表3。裂隙面强度远低于土块强度,渠坡的稳定性受裂隙面的强度控制。

表3 渠坡土体物理力学参数

选取2021年6月22日渠道水位和实测地下水位对渗透系数进行反演分析,当日渠道水位147.02 m,一、二、三级马道实测地下水位分别为146.67、147.58、149.08 m。排水管及排水盲沟渗透系数取5×10-4cm/s,反演确定裂隙密集带渗透系数为5×10-5cm/s时,此时一、二、三级马道计算地下水位分别为146.94、147.71、149.08 m,实测地下水位和计算地下水位较接近。裂隙密集带渗透系数大于其他土层渗透系数,但比排水管及排水盲沟渗透系数小,较为合理。

根据变形监测数据和渠坡分布规律,推测为深层变形,变形范围主要位于二—四级渠坡。抗滑桩提供的抗滑力为330 kN/m,当假定滑动面抗剪强度参数c、φ分别为10 kPa、10°时,最小安全系数为1.161。此时,二、三级渠坡处于临界滑动状态,滑动面深度为410 m,与现场情况基本一致。因此将其作为裂隙面的抗剪强度参数。

4.3 渠坡稳定性计算分析

根据变形监测数据分析和渠坡裂隙分布规律,潜在滑动范围位于二—四级渠坡,而非整体深层滑动。重点分析单级坡局部与多级坡浅层、深层抗滑稳定问题,渠坡在各种工况下,浅层抗滑稳定安全系数满足规范要求;在设计、实际运行工况时,深层抗滑稳定安全系数分别为1.523、1.161,实际运行工况安全系数不满足规范要求的1.3;经排水处理后,深层抗滑稳定安全系数为1.35,安全系数能满足规范要求。渠坡实际运行和实施排水处理后的抗滑稳定安全系数与一般黏性土边坡不同,膨胀土渠坡裂隙具有方向性,计算得到的潜在滑动面呈组合式折线型。

采用二三级马道设1.4 m深排水盲沟和渠坡坡顶设5 m深排水井的组合形式降低渠坡地下水。排水处理后渠坡地下水位基本下降至坡面以下56 m,深层抗滑稳定安全系数得到明显提高。

5 渠坡变形原因综合分析

5.1 变形体规模

结合安全监测数据分析、隐患地球物理探测和稳定性数值模拟等结果可知,该段渠坡变形体为受裂隙控制的滑动变形体,主要位于二—四级渠坡,因过水断面支护体系作用,一级马道以下处于稳定状态。渠坡潜在滑动面前缘位于二级渠坡坡脚,因变形体还在发展中,后缘及变形范围不明显。二级渠坡向渠道方向变形后,三级渠坡坡脚和三级马道抗滑桩桩前推力减小,导致相应测斜管观测到向渠道内的显著变形。

5.2 变形体成因分析

该渠坡属深挖方段,土体中膨胀性、黏性含量高,黏土矿物中以亲水性强的蒙脱石含量为主,且夹较多对水敏感的灰绿色、灰白色黏土条带。Q2、Q1土体裂隙发育,存在缓倾角长大裂隙,三级渠坡147～152 m高程还分布有裂隙密集带,抗剪强度较低。

渠坡存在上层滞水、地下水位较高,坡表虽采用水泥改性土换填后,未完全阻断膨胀土与大气的水汽交换,上层滞水受雨水补给,汛期地下水位上升、埋深浅;旱季雨水少地下水位下降。季节性的气候变化导致渠坡土体产生显著缩胀效应。在经历多次干湿循环后,膨胀土体反复胀缩,短小裂隙逐步贯通,裂隙逐年增多、规模逐年增大,进一步导致渠坡抗剪强度降低,由此产生蠕动变形。