胡 江,李 星,馬福恒

(南京水利科學研究院 大壩安全與管理研究所, 南京 210029)

0 引 言

膨脹土邊坡破壞具有漸進性、結(jié)構(gòu)性、季節(jié)性和反復性等特征。運行期膨脹土渠坡的變形和滑動是受脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性等內(nèi)因以及降雨和地下水位等外因共同作用的結(jié)果[1-2]。南水北調(diào)中線、引江濟淮和北疆供水等多個調(diào)水工程都面臨著膨脹土渠坡長期運行后的失穩(wěn)風險[3-4]。為此,開展膨脹土渠坡運行期變形破壞成因研究,對確保工程安全以及采取科學處置措施具有重要意義。

在膨脹土邊坡失穩(wěn)機理方面,已有大量的理論分析、模型試驗及數(shù)值模擬研究。殷宗澤等[5]、程展林等[6]、陳善雄等[7]通過理論分析和試驗研究認為,裂縫是膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要因素,提出采用改性土換填和土工膜覆蓋等措施避免產(chǎn)生裂縫,以及通過排水降低地下水位避免土體脹縮。考慮到理論分析和試驗研究成果與實際運行情況會存在差距,近年來普遍重視基于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)研究。鄧銘江等[8]、蔡正銀等[9]基于實測數(shù)據(jù)和離心模型試驗,揭示了北疆供水渠道膨脹土邊坡破壞機制,通停水造成的干濕循環(huán)引起淺層失穩(wěn)破壞,當后緣出現(xiàn)張拉裂隙時應采取抗滑支擋加固和滲水抽排等處置措施,降低渠坡失穩(wěn)風險。胡江等[10]對膨脹土渠坡位移測點分區(qū),分析了渠坡位移時空特征,渠坡位移存在空間不均衡性,運行初期主要受時效影響,降雨、地下水位和溫度也有一定的影響?？傮w上看,對深挖方膨脹土渠坡而言,基于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的運行期的變形和失穩(wěn)破壞的成因分析的相關(guān)研究仍然較少,亟待進一步研究。

某調(diào)水工程的一坡高超40 m深挖方中膨脹土渠段,渠坡變形已超設(shè)計警戒值,外觀存在破損。本文以該渠段為例,通過安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析降雨與渠坡地下水位之間的關(guān)系,構(gòu)建統(tǒng)計模型確定變形的主要影響因素;利用綜合地球物理方法,探測排水處理后地下水位和缺陷分布;建立反映渠坡地質(zhì)條件和變形特征的分區(qū)模型,計算實施排水處理前后渠坡抗滑穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,考慮工程與水文地質(zhì)、降雨與地下水位等內(nèi)外因素,綜合分析渠坡運行期的變形機制。

1 工程概況與應急處置情況

1.1 工程概況

某調(diào)水工程樁號10+955—11+000渠段左岸渠坡共6級、挖深超40 m,典型斷面布置和渠段現(xiàn)狀見圖1。渠道設(shè)計、加大水深分別為8、8.77 m,過水斷面坡比1∶3,一級馬道寬5 m,以上每6 m設(shè)一級馬道,除四級馬道寬50 m外其余馬道寬均為2 m,二—四級渠坡坡比均為1∶2.5,五、六級渠坡坡比為1∶3。渠坡全斷面換填水泥改性土,過水斷面換填厚1.5 m,以上換填厚1 m。各級馬道上均設(shè)縱向排水溝,坡面上設(shè)橫向排水溝。過水斷面設(shè)方樁和坡面梁支護體系,方樁為1.2 m×2 m,樁長13.6 m,樁間距4 m;因三級邊坡存在裂隙密集帶,三級馬道設(shè)抗滑樁,樁徑1.3 m、樁長10 m、樁間距4 m。該段渠坡2013年12月完工,2014年12月通水運行。

圖1 渠段典型設(shè)計橫斷面及當前形象面貌

1.2 地質(zhì)概況

渠坡主要由第四系中更新統(tǒng)(Q2al-pl)和下更新統(tǒng)(Q1pl)粉質(zhì)黏土、鈣質(zhì)結(jié)核粉質(zhì)黏土組成,屬中膨脹土,裂隙較發(fā)育。第四系中更新統(tǒng)(Q2al-pl),第①層粉質(zhì)黏土層厚約3 m,分布于143～152 m之間,中等膨脹,裂隙較發(fā)育,優(yōu)勢傾向140°～180°,以緩-中傾角為主。第四系下更新統(tǒng)(Q1pl),第②層粉質(zhì)黏土厚約5 m,底板高程147 m左右,中等膨脹,頂部23 m厚裂隙極發(fā)育,為裂隙密集帶;第③層粉質(zhì)黏土中等膨脹性,裂隙不發(fā)育,底板高程142 m左右,厚約5 m;第④層粉質(zhì)黏土底板位于渠底高程以下,中等膨脹,微裂隙及小裂隙較發(fā)育,大、長大裂隙不甚發(fā)育。該段地下水較豐富,開挖期間有多處上層滯水,初始上層滯水位162.2～163.2 m。

1.3 外觀病害與應急處置情況

2017年3月,巡視檢查中發(fā)現(xiàn),三、四級渠坡坡腳排水溝和一級馬道排水溝局部斷裂,過水斷面上部襯砌板產(chǎn)生裂縫和翹起。為加強渠坡內(nèi)部變形和地下水位監(jiān)測,2017年6月,在一—三級馬道分別增設(shè)了測斜管和滲壓計,增設(shè)后共6孔測斜管和6支滲壓計,布置于10+955和11+000斷面一—三級馬道,孔深21.5～25 m。增設(shè)后渠段監(jiān)測設(shè)施布置見圖2和表1,包括表面垂直和水平位移,渠坡內(nèi)部測斜管和滲壓計等。表面垂直、水平位移以及測斜管A向位移分別以下沉、順坡向和指向渠道為正。滲壓、測斜管和表面變形觀測頻次分別為4、2、1次/月,其中表面變形自2019年起改為1次/(2月)。11+000斷面一級馬道滲壓計P53測值結(jié)果不可靠、TP01-11000水平位移缺測,故不分析。

表1 10+955—11+000渠段左岸渠坡測斜管和滲壓計信息

圖2 10+955—11+000渠段左岸渠坡安全監(jiān)測設(shè)施布置

一級馬道水平和垂直位移設(shè)計警戒值分別為30、50 mm。截至2021年3月,渠段變形仍未完全收斂,初步判斷存在剪切變形。10+950、11+000斷面一級馬道測斜管A向最大累計位移分別為25.11、36.47 mm,分別接近和超設(shè)計警戒值;11+000斷面一級馬道外部水平位移達90.41 mm,遠超設(shè)計警戒值。2021年5月下旬,在該渠段二、三級渠坡坡頂靠近馬道處增設(shè)5 m深排水井,在二、三級馬道增設(shè)1.4 m深排水盲溝。

2 渠坡安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

兩斷面一—三級馬道的表面水平和垂直位移過程線見圖3。由圖3可見,兩斷面二、三級馬道表面水平位移呈增大趨勢,10+955斷面一級馬道表面水平位移受一級邊坡抗滑樁支護影響,存在上抬和反翹現(xiàn)象,此后呈周期性變化規(guī)律。10+955斷面表面垂直位移總體有上抬趨勢,但量值在15 mm以內(nèi),未見異常變化趨勢;11+000斷面一級馬道表面垂直位移呈顯著上抬趨勢,截至2021年底,累計上抬91.39 mm,遠超設(shè)計警戒值50 mm。

圖3 10+955和11+000斷面表面位移過程線

截至2021年年底,兩斷面一、二級馬道內(nèi)部變形的A向累計位移變化過程見圖4。由圖4可知,兩斷面一、二級馬道位移變化較顯著,主要為向渠道中心的變形。10+955斷面一、二級馬道內(nèi)部變形較顯著區(qū)為孔口以下4、11 m內(nèi),累計位移分別為27.47、33.23 mm;11+000斷面一、二級馬道內(nèi)部變形較顯著區(qū)也為孔口以下4、11 m,累計位移分別為40.55、38.46 mm。此外,兩斷面三級馬道內(nèi)部變形的A向累計位移較顯著區(qū)分別為孔口以下14、9 m,累計位移分別為26.65、28.79 mm;兩斷面四級馬道內(nèi)部變形相對較小。依據(jù)2021年年底數(shù)據(jù),將測斜管A向累計位移突變作為判別準則,推測渠坡的潛在滑動面深度,結(jié)果見圖5所示。

圖4 10+955和11+000斷面測斜管內(nèi)部A向累計位移變化過程

圖5 推測的10+955和11+000斷面潛在滑動面和變形體示意圖

綜合圖4和圖5可看出,10+955斷面一級馬道深度4 m處A向累計位移較大,為潛在滑動面剪出口,425 m范圍變形不明顯;三級馬道深度14 m處位移較大,為潛在滑動面。11+000斷面一級馬道深度5 m處A向累計位移較大,為潛在滑動面剪出口,426 m范圍變形不明顯;二級馬道深度9 m處位移較大,為潛在滑動面。變形體主要位于二—四級渠坡,且還在發(fā)展中。同時,因過水斷面支護體系和三級馬道抗滑樁作用,后緣及變形范圍不明顯。

2.2 地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

兩斷面地下水與渠道水位過程線見圖6。由圖6可發(fā)現(xiàn),10+955斷面一、三級馬道和11+000斷面二級馬道的地下水位較高。以10+955斷面一級馬道P50為例分析,該測點2018—2020年地下水位和降雨量過程線見圖7。由圖6和圖7可發(fā)現(xiàn),10+955斷面一、三級馬道和11+000斷面二級馬道的地下水位較高,4—9月份降雨量較多,測壓管水位較高。10+955斷面三級馬道P52測點處地下水位在162 m高程附近波動,與開挖期揭露的初始上層滯水水位高程(162.2～163.2 m)接近;該處地下水位與降雨量存在一定的相關(guān)性,與渠道水位關(guān)系不大。對測壓管進行抽水試驗,這3處滲壓計所在測壓管在抽水后水位恢復較快,且與改性土結(jié)合面距離較近,表現(xiàn)為上層滯水。其余測壓管水位相對較低,與渠道水位接近。

圖6 10+955和11+000斷面滲壓計和渠道水位測值過程線

采用灰色關(guān)聯(lián)度對降雨和地下水位相關(guān)性進行分析,有效降雨量計算方法見文獻[10],有效雨量系數(shù)取0.84,前期降雨影響選取15 d;灰色關(guān)聯(lián)度計算方法見文獻[11]。有效降雨量與P52測點地下水位的灰色關(guān)聯(lián)度分別為0.809,>0.8,相關(guān)性較好。新增的排水措施完工后,一、二級馬道滲壓水位有所下降,排水措施能在一定程度上降低地下水位。

2.3 位移的統(tǒng)計模型分析

為了分析變形的主要影響因素,以10+955斷面一至三級馬道水平位移為例建立統(tǒng)計模型進行了分析,時間序列為2017年10月—2021年5月。選取了有效降雨量、渠道水位、氣溫和時效等影響因素,有效降雨量計算同2.2節(jié);渠道水位取1～3次方;時效因子取線性和對數(shù)式的組合式;溫度則取年周期性諧波因子。統(tǒng)計模型表達式見文獻[10]。

一至三級馬道水平位移統(tǒng)計模型復相關(guān)系數(shù)分別為0.964、0.994和0.993,模型擬合精度較高,且通過了10階交叉驗證,擬合值與實測值對比見圖8,根據(jù)各分量引起位移年變化占位移年變幅的大小計算各因素的相對影響大小,結(jié)果列于表2。結(jié)合圖8和表2可以看出,一級馬道表面水平位移主要受季節(jié)變化影響,二、三級馬道表面水平位移未完全收斂,降雨量和渠道運行水位對表面水平位移也有一定影響。

表2 10+950斷面一至三級馬道水平位移統(tǒng)計模型各分量相對影響大小

3 渠坡地下水位與缺陷探測

3.1 綜合探測方法與測線布置

綜合采用地質(zhì)雷達法、高密度電阻率法與淺層地震面波法等地球物理方法探測排水溝和排水井措施實施后的渠段地下水位和缺陷分布,探測時間為2021年9月。地質(zhì)雷達法探測隱患部位和規(guī)模,高密度電阻率法檢測土體含水和地下水分布,淺層地震面波法反映土層屬性,3種方法互為補充[3, 12]。地質(zhì)雷達法設(shè)備為SIR-3000型地質(zhì)雷達、100 MHz和低頻組合一體式天線。高密度電阻率法設(shè)備為WGMD-6三維高密度測量系統(tǒng),電極采用3 m間距布置。淺層地震面波法設(shè)備為MA-48,采用0.5 m道距、24道接收、4次覆蓋,以及人工錘擊震源中間激發(fā)、雙邊接收模式。測線布置見圖9,地質(zhì)雷達法沿一級及二、三級馬道縱向分別布置2條、1條測線,高密度電阻率法沿二級馬道縱向布置1條測線,地震波法沿二、三級馬道縱向布置1條測線。

3.2 隱患探測成果解譯

一級馬道渠坡側(cè)、二級馬道測線的地質(zhì)雷達法解譯圖見圖10,10+955—10+965段一級馬道深4.5～8.0 m區(qū)域以及相應二級馬道深5.5～10.0 m區(qū)域土體相對高含水率;三級馬道也存在局部高含水率區(qū)域,深度也在5 m以下。二級馬道高密度電阻率法解譯見圖11,淺層部位(深0～7 m)均為高電阻率區(qū)域,但10+929—10+940段(深7～21 m)電阻率極低、含水率極高,該區(qū)存在滯水區(qū)。10+955—11+003二級馬道地震面波法解譯見圖12,10+975—10+990段深度3.5～7 m區(qū)域地震面波異常,地震反射波同相軸波幅較強,介質(zhì)波阻抗差異增強,反射波成層性差,該區(qū)域土層為軟弱土質(zhì);三級馬道局部深8～10.5 m區(qū)域為軟弱土質(zhì)?？傮w看,實施排水盲溝和排水井等排水措施后,二、三級馬道地下水位均處于地表5 m深度以下;且該深度以下局部分布有軟弱土質(zhì)。

圖10 10+950—11+000渠段地質(zhì)雷達法解譯圖及高含水區(qū)域分布

圖11 10+902—11+040渠段二級馬道高密度電阻率法解譯及高含水區(qū)域分布

圖12 10+955—11+003渠段二級馬道地震面波法解譯及異常分布

4 渠坡穩(wěn)定性分析

4.1 膨脹土渠坡穩(wěn)定性分析方法與計算模型

根據(jù)位移監(jiān)測資料和渠坡坡體裂隙發(fā)育特征,推測渠段渠坡變形范圍主要位于二—四級渠坡。

膨脹土裂隙面光滑抗剪強度低,為軟弱結(jié)構(gòu)面,在地下水作用下渠坡易沿傾坡外裂隙或不利裂隙組合交線滑動,規(guī)模受裂隙分布和連通情況控制。該調(diào)水工程已有滑坡也證實滑動面由前緣緩傾角與后緣陡傾角裂隙面構(gòu)成[6-7]。依據(jù)地勘資料,渠段中存在大量裂隙面,采用折線形組合滑動面反映坡體沿裂隙的滑動面。將裂隙視為0.1 m薄土層,在分析域內(nèi)預設(shè)一系列不同位置的緩傾角和陡傾角裂隙面,概化裂隙分布形成網(wǎng)格模型。對同一節(jié)點上關(guān)聯(lián)的緩傾角和陡傾角裂隙面構(gòu)成的滑動面采用折線滑動法進行穩(wěn)定分析,當滑動面與裂隙面不一致時采用土體強度參數(shù),考慮條塊間相互作用力,采用Morgenstern-Price法計算安全系數(shù)。最小安全系數(shù)對應節(jié)點關(guān)聯(lián)的滑動面為最不利滑動面。

參考已有成果[1,6-7, 13-15],盡管難以準確確定分區(qū)界限,但膨脹土邊坡穩(wěn)定分析時分區(qū)比不分區(qū)符合實際?？紤]到四級馬道布置和變形現(xiàn)狀,建模區(qū)域為一—四級渠坡,施加荷載有土重、地下水滲透壓力、渠道水壓力和坡面荷載。

根據(jù)地質(zhì)勘察和安全監(jiān)測資料,考慮裂隙分布和大氣影響,將圖1(a)的斷面概化為圖13所示分區(qū)模型。其中,大氣影響帶和過渡帶厚度均為3 m,裂隙密集帶厚度為5 m。模型側(cè)面和底面取位移邊界條件,側(cè)面限制水平位移、底面固定。計算工況包括設(shè)計水位、實際運行和排水處理共3種工況,其中設(shè)計工況時不考慮內(nèi)部裂隙,其他工況采用概化裂隙進行穩(wěn)定計算;設(shè)計水位工況時渠道取設(shè)計水位、地下水位埋深取5 m;實際運行工況地下水位取滲壓計測值的歷史最大值。

圖13 10+950斷面穩(wěn)定計算的分區(qū)模型

4.2 滑移面參數(shù)反演

將強度參數(shù)分為土體和裂隙面強度參數(shù)。根據(jù)該段渠坡地質(zhì)資料,土體物理參數(shù)及抗剪強度建議值列于表3。裂隙面強度遠低于土塊強度,渠坡的穩(wěn)定性受裂隙面的強度控制。

表3 渠坡土體物理力學參數(shù)

選取2021年6月22日渠道水位和實測地下水位對滲透系數(shù)進行反演分析,當日渠道水位147.02 m,一、二、三級馬道實測地下水位分別為146.67、147.58、149.08 m。排水管及排水盲溝滲透系數(shù)取5×10-4cm/s,反演確定裂隙密集帶滲透系數(shù)為5×10-5cm/s時,此時一、二、三級馬道計算地下水位分別為146.94、147.71、149.08 m,實測地下水位和計算地下水位較接近。裂隙密集帶滲透系數(shù)大于其他土層滲透系數(shù),但比排水管及排水盲溝滲透系數(shù)小,較為合理。

根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和渠坡分布規(guī)律,推測為深層變形,變形范圍主要位于二—四級渠坡?？够瑯短峁┑目够?30 kN/m,當假定滑動面抗剪強度參數(shù)c、φ分別為10 kPa、10°時,最小安全系數(shù)為1.161。此時,二、三級渠坡處于臨界滑動狀態(tài),滑動面深度為410 m,與現(xiàn)場情況基本一致。因此將其作為裂隙面的抗剪強度參數(shù)。

4.3 渠坡穩(wěn)定性計算分析

根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和渠坡裂隙分布規(guī)律,潛在滑動范圍位于二—四級渠坡,而非整體深層滑動。重點分析單級坡局部與多級坡淺層、深層抗滑穩(wěn)定問題,渠坡在各種工況下,淺層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求;在設(shè)計、實際運行工況時,深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.523、1.161,實際運行工況安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求的1.3;經(jīng)排水處理后,深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35,安全系數(shù)能滿足規(guī)范要求。渠坡實際運行和實施排水處理后的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與一般黏性土邊坡不同,膨脹土渠坡裂隙具有方向性,計算得到的潛在滑動面呈組合式折線型。

采用二三級馬道設(shè)1.4 m深排水盲溝和渠坡坡頂設(shè)5 m深排水井的組合形式降低渠坡地下水。排水處理后渠坡地下水位基本下降至坡面以下56 m,深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)得到明顯提高。

5 渠坡變形原因綜合分析

5.1 變形體規(guī)模

結(jié)合安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、隱患地球物理探測和穩(wěn)定性數(shù)值模擬等結(jié)果可知,該段渠坡變形體為受裂隙控制的滑動變形體,主要位于二—四級渠坡,因過水斷面支護體系作用,一級馬道以下處于穩(wěn)定狀態(tài)。渠坡潛在滑動面前緣位于二級渠坡坡腳,因變形體還在發(fā)展中,后緣及變形范圍不明顯。二級渠坡向渠道方向變形后,三級渠坡坡腳和三級馬道抗滑樁樁前推力減小,導致相應測斜管觀測到向渠道內(nèi)的顯著變形。

5.2 變形體成因分析

該渠坡屬深挖方段,土體中膨脹性、黏性含量高,黏土礦物中以親水性強的蒙脫石含量為主,且夾較多對水敏感的灰綠色、灰白色黏土條帶。Q2、Q1土體裂隙發(fā)育,存在緩傾角長大裂隙,三級渠坡147～152 m高程還分布有裂隙密集帶,抗剪強度較低。

渠坡存在上層滯水、地下水位較高,坡表雖采用水泥改性土換填后,未完全阻斷膨脹土與大氣的水汽交換,上層滯水受雨水補給,汛期地下水位上升、埋深淺;旱季雨水少地下水位下降。季節(jié)性的氣候變化導致渠坡土體產(chǎn)生顯著縮脹效應。在經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后,膨脹土體反復脹縮,短小裂隙逐步貫通,裂隙逐年增多、規(guī)模逐年增大,進一步導致渠坡抗剪強度降低,由此產(chǎn)生蠕動變形。

6 結(jié) 論

(1)該處深挖方膨脹土渠坡變形體受裂隙控制,因過水斷面支護體系作用,渠坡潛在滑動面前緣位于二級渠坡坡腳,且變形體還在發(fā)展中,后緣及變形范圍不明顯。

(2)水泥改性土未能完全隔斷深挖方膨脹土渠坡土體與大氣的水汽交換,渠坡中的滯水層在汛期受雨水補給水位上升、旱季因雨水少水位下降,導致渠坡運行后經(jīng)歷多次干濕循環(huán)。渠坡土體屬中膨脹土,裂隙較發(fā)育,多次干濕循環(huán)引起渠坡中膨脹土縮脹,導致原有裂隙貫通引起沿裂隙面的蠕動變形。

(3)裂隙的抗剪強度遠低于土體抗剪強度,中膨脹土渠坡整體穩(wěn)定受長大裂隙面控制。采用反映裂隙空間分布的裂隙概化模型,得到最危險滑動面為前緣緩傾角和后緣陡傾角裂隙面組合式折線滑動面,與基于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)推測出的潛在滑動面吻合。

(4)考慮到渠坡蠕動變形主要受上層滯水層水位變化引起的反復干濕循環(huán)影響。綜合探測表明,排水井與排水盲溝組合式排水措施能有效降低高地下水位。運行期高地下水位深挖方膨脹土渠坡排水可采取此類措施,以避免反復干濕循環(huán)。

(5)深挖方膨脹土渠坡變形受降雨、地下水位和時效等影響顯著,汛期應加強外觀病害的巡視檢查以及變形、地下水位的安全監(jiān)測。