南水北调中线工程挖方段渠坡变形分析及处理措施_何国伟.pdf

南水北调中线工程挖方段渠坡变形分析及处理措施何国伟1，蔡云波1，艾明明1，崔铁军2（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061；2.中国南水北调集团中线有限公司河北分公司，河北 石家庄 050000）摘 要文中对南水北调中线干线工程总干渠挖方渠段的渠坡变形进行了分析，以安全监测成果为基础，结合地质条件、环境量的变化对渠坡变形的产生进行全过程解析，重点分析了降雨量对渠坡变形的影响；针对监测分析成果，对存在潜在失稳部位采取工程处理措施，并利用监测数据的变化情况评价了工程处理措施的工程效果。监测分析研究成果及工程处理措施可对今后类似渠坡运行中出现失稳状况时提供参考与借鉴。关键词南水北调中线干线工程；挖方渠坡；安全监测；变形分析；工程处理措施中图分类号 TV68文献标识码B文章编号 10020624（2023）040058041 工程概况南水北调中线干线工程，是国家南水北调工程的重要组成部分。南水北调中线一期工程从加高扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿线开挖渠道，经唐白河流域西部过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘，在郑州以西李村附近穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。南水北调中线干线工程为等工程，总干渠渠道按1级建筑物设计，输水干线全长1 432.49 km。由于地势高低不同，为确保水保持自流状态，工程建设过程中必然存在低填高挖的渠段，其渠道断面存在高填方、全填方、半填半挖方、全挖方等不同形式。2 监测设计南水北调中线干线工程全挖方渠段典型监测断面众多，布设的监测项目主要包括表面变形监测、渠坡内部水平位移监测、渗流监测、渠坡温度监测。其中，表面变形监测采用位移测点来监测表面位移变化情况；渠坡内部水平位移采用测斜管+滑动式测斜仪进行监测渠坡水平向位移变化情况；渗流监测以衬砌板下渗透压力为主，采用埋设渗压计的方式来监测衬砌板的抗浮稳定情况。本文以南水北调中线干线工程河北段邯郸管理处其中一个典型监测断面为例，重点对渠坡内部水平位移进行分析研究。该断面共计安装埋设4 根测斜管（左右岸一级马道、开挖线处各布置 1根）、4个位移观测墩（布置在测斜管附近）、5支渗压计（左右岸渠坡衬砌板下各布置2支，渠底板基础布置1支），监测仪器设施位置如图1所示。3 监测成果分析3.1 渠坡内部变形监测成果分析渠坡内部水平位移变形监测设施为测斜管，配合滑动式测斜仪。自2014年总干渠通水以来，渠坡内部水平位移变化量较小，且变形趋势稳定。2016年汛期，44+225断面左岸测斜管CX1和CX2受“719”大雨影响，向渠道方向产生较大的水平位移变形，测斜监测成果见表1。其中，位于一级马道处的测斜管CX2孔深3.50 m处产生水平位工程建设与管理东北水利水电2023年第4期 58DOI:10.14124/ki.dbslsd22-1097.2023.04.004移变量最大，水平位移变化量达到27.49 mm；2016年8月24日（强降雨后），测斜管CX2孔深3.50 m测点累计水平位移量达到30.79 mm，超设计安全限值（13.00 mm，取孔深的0.2%）。此后，44+225断面左岸测斜管水平位移观测速率逐渐减小，左岸渠坡逐渐趋于稳定。表1 2016年汛期测斜管水平位移变化情况表2016年9月18日至2021年6月16日，该断面左岸测斜管 CX1 水平位移变化量为 3.18 mm，CX2测斜管水平位移变化量为-1.83 mm，变形趋势基本稳定。对此，运行管理单位积极采取了应对措施，将该渠段列为重点巡查部位进行巡查，在巡查中密切关注该段渠坡的裂缝、错台、隆起变化情况，重点观察渠坡是否有隆起现象，及时跟进测斜数据整编结果，关注渠坡内部变形发展情况。2021年7月至9月，邯郸地区发生强降雨，其中，7月降雨量为0.10146.00 mm，8月降雨量为0.1058.00 mm，9 月降雨量为 0.10115.00 mm。受降雨影响，该断面左岸渠坡内部水平位移变形速率增大，渠坡内部水平位移增幅明显。7 月 23日，对该断面 4 根测斜管进行常规观测，其中，左岸一级马道部位测斜管 CX2 观测结果如图 2 所示，渠坡内部水平位移有所增加，水平位移最大变化量为 2.68 mm；测斜管 CX1 期间水平位移最大变化量为4.97 mm。右岸渠坡测斜管测值无明显变化。对此，管理单位加密了观测频次，同时加强了该部位现场巡查。2021年7月29日，测斜管复测成果如图3所示。由图 3 可以看出，位于左岸一级马道测斜管 CX2最大水平位移测值较7月23日增加了3.01 mm，较6月增加了5.69 mm，累计水平位移量为38.21 mm，超设计安全限值，测点位于孔深3.50 m处；测斜管CX1期间水平位移最大变化量在7.04 mm。右岸渠坡测斜管测值无明显变化。对此，管理处再次加密了测斜数据的采集频次，调整为1次/2 d。由于 2021 年汛期邯郸地区 79 月期间陆续发生强降雨，受此影响，该断面左岸渠坡测斜管CX1和CX2间断性地出现水平位移增大现象，鉴于一级马道部位测斜管 CX2 早在 2016 年汛期出现过较大位移变形，故以此测斜数据为例，来阐述2021 年度汛期最大水平位移测点的位移变幅情况，间隔变化幅值见表2。由表2可知，2021年汛期中测斜管CX2共有4个时段测值增幅较为明显，其中，9月19日至9月22日、9月25日至10月2日时段内，测斜管水平位移增幅显著，速率分别为2.14 m/d 和2.43 mm/d，其余时段水平位移有所增加，呈持续增大趋势变化，其速率略小，量值在 0.160.33 mm/d。孔深3.50 m测点水平位移变幅如图4所示。综上所述，44+225 断面左岸渠坡内部深约图1 全挖方渠道典型监测断面监测仪器设施位置示意图防洪堤衬砌板测斜管CX1一级马道测斜管CX2地面线测斜管CX4测斜管CX3开挖线渗压计JP5渗压计JP4#渗压计JP3渗压计JP1渗压计JP2设计水位加大水位3 cm保温板复合土工膜10 cm混凝土3 cm保温板复合土工膜10 cm混凝土编号CX1CX22016.6.1位移/mm-13.873.302016.8.24位移/mm-2.2730.79变幅/mm11.6027.492016.9.1位移/mm-1.8233.50变幅/mm0.452.712016.9.18位移/mm-1.8534.35变幅/mm-0.030.85测点位置孔深0.5 m处孔深3.5 m处图2 测斜管CX2水平位移分布对比图10.511.0010.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.5045.0035.0025.0015.005.00累计位移量/mm孔深/m2021-07-232021-06-162023年第4期东北水利水电工程建设与管理 596.00 m 处，于 2016 年汛期出现过剪切位移变形，2021年汛期受强降雨影响，剪切位移再次增大，至2021年10月下旬，渠坡内部水平位移变形才基本稳定。潜在滑移面如图5所示。3.2 表面垂直位移监测44+225断面共布置4个垂直位移测点。监测成果显示，左岸边坡的表面垂直位移测点均呈下沉变化趋势，结合测斜监测成果来看，受边坡土体滑移影响，导致一、二级马道表面垂直位移测点呈现下沉现象。3.3 渗流监测成果分析渗流监测成果显示，该断面各测点的渗压水位每年汛期均有所增大。2021 年汛期受降雨影响，渠段地下水位升高，导致测点的渗压水位增大，结合同时段降雨分布来看，测点渗压水位变化与降雨量相关性显著。2021年10月25日，断面各测点的渗压水位达到历史最大值，其中有 4 处测点的渗压水位均超渠内水位，超渠内水位的差值在0.110.55 m；此后，各测点渗压水位有所下降，至 2022 年 2 月 14日，该断面所有测点的渗压水位均不超渠内水位，相应的外水位在设计安全限值范围内，抗浮稳定满足要求。4 现场巡查2021 年7 月29 日，安全监测巡查过程中发现该监测断面左岸衬砌板顶起，造成 5 块衬砌板出现裂缝，分析认为是左岸渠坡向渠道方向发生位移，致使衬砌板受水平向挤压，导致护肩处出现裂缝，最大裂缝宽2.00 cm。2021年9月3日，管理单位对损坏衬砌板拆除（a）CX1（b）CX2图3 测斜管CX1和CX2水平位移分布对比图表2 CX2测斜管2021年汛期水平位移变化统计表图4 测斜管CX2孔深3.50 m测点水平位移增幅变化过程线图日期2021-06-162021-07-232021-07-292021-07-312021-08-022021-08-162021-09-072021-09-112021-09-192021-09-222021-09-252021-10-032021-10-062021-10-092021-10-112021-11-19孔深1.0 m处位移18.8821.1623.3923.9226.2629.9831.7532.6632.1838.6539.7253.2853.7954.8855.5756.51间隔变幅2.282.230.532.340.860.240.914.59-0.481.073.030.511.090.690.430.42累计增幅2.284.515.047.388.2411.3413.7818.3713.3020.8423.8734.9136.0036.6937.1237.63孔深3.5 m处位移32.5235.2038.2139.2941.9046.0348.9450.1750.4056.8857.8971.1971.5672.6473.3173.64间隔变幅2.683.011.082.611.040.261.235.380.231.013.000.371.080.670.250.06累计增幅2.685.696.779.3810.4213.7717.6523.0317.8825.3728.3739.0440.1240.7941.0441.1210.511.0010.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.5045.0035.0025.0015.005.00累计位移量/mm孔深/m2021-07-292021-07-2310.09.59.08.58.07.57.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.5018.0014.006.002.00-2.00-10.00累计位移量/mm孔深/m10.00-6.002021-07-292021-07-2330日期（2021年）累计增量/mm11-2010-3110-1109-2109-0108-1207-2307-0306-134535402520151050加速变形时段mm工程建设与管理东北水利水电2023年第4期 60并重新浇筑混凝土衬砌板。9月19 日，巡视检查发现，新浇筑混凝土5块衬砌板产生裂缝、1块衬砌板隆起、一级马道混凝土路面局部产生裂缝，出现时间点与测斜管水平位移加速期相符。5 工程处理措施在监测数据出现异常现象后，运管单位立即组织设计单位、咨询单位、行业专家对该部位进行研判，结果为应及时采取必要工程处理措施，防止渠坡内部变形进一步加剧造成滑塌事故，影响工程输水运行安全。对此，原设计单位对该部位提出具体加固措施方案。1）在桩号44+10044+400渠段左岸一级马道处设置钢筋混凝土结构的抗滑桩，其中，桩号44+10044+190和44+28044+400渠段抗滑桩间距为5.00 m，桩号 44+19044+280 渠段抗滑桩间距为3.00 m，抗滑桩桩径均为0.80 m。2）抗滑桩桩顶设钢筋混凝土连系梁，尺寸为0.80 m0.65 m，梁间隙填充2.00 cm厚闭孔泡沫塑料板；单根梁长 12.00 m，长度根据实际情况进行微调，但要与桩间距协调，且不小于9.00 m。3）该渠段左岸一级马道