張家發(fā)，劉曉明，2，焦赳赳

（1．長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2．中鐵大橋勘測設計院，武漢 430030；3．香港大學 地球科學系，香港）

膨脹土具有特殊的工程性質(zhì)，在工程建設和運行中引起了很多問題［1］。正在建設中的南水北調(diào)中線工程輸水總干渠全長約1 400 km［2］，大型的跨流域調(diào)水工程不可能通過線路調(diào)整完全繞避膨脹土地區(qū)。設計渠線在膨脹土地區(qū)累計長度約340 km，其中強、中、弱膨脹土地區(qū)都有。合理控制膨脹土渠坡的變形，保障渠坡的穩(wěn)定性，對于南水北調(diào)中線工程的安全運行意義重大，因此成為參建各方的重要目標及巖土工程界十分關心的研究課題。實現(xiàn)這一目標的手段之一是對渠坡采取合理的防護措施。防護措施有多種方案［3］，本文將運用非飽和滲流理論從控制大氣影響的角度討論和建議膨脹土渠坡的防護方案。

1 工程背景

南水北調(diào)中線工程總干渠跨越長江、淮河、黃河、海河4大流域，河南、河北、天津、北京2省2市。沿線膨脹土（巖）主要為Q1Q3的黏性土及上第三系的黏土巖、泥灰?guī)r。這些膨脹巖的成巖程度很低，為了敘述方便，本文將膨脹土和膨脹巖統(tǒng)稱為膨脹土。文獻［4］給出了膨脹土在總干渠沿線的分布示意圖。膨脹土自身特性非常不穩(wěn)定，對氣候作用敏感。散布于湖北、河南、河北境內(nèi)的膨脹土地段，不僅不同地域的氣候條件差異大，而且同一地區(qū)也季節(jié)變化明顯，氣候要素變幅大。以分布有強膨脹土的邯鄲市為例，春季風多干旱，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季寒冷干燥，年平均氣溫13．5℃，極端最低氣溫－19℃，極端最高氣溫42．5℃，平均全年日照2 557 h。各氣候要素年際間變化也較大，分布有膨脹巖的新鄉(xiāng)市2003年至2007年的氣象資料統(tǒng)計見表1，其中2005年的日最大降雨量達439 mm，日最高和最低蒸發(fā)量分別為98．0，2．0 mm，日最大溫差達21．7℃。

表1 新鄉(xiāng)市2003－2007年氣象資料統(tǒng)計表Table 1 Statistics ofweather data during the year 2003－2007 at Xinxiang City

總干渠在膨脹土地段的渠坡高度一般為8～21 m，最高達49 m。渠道輸水設計水位以上的渠坡與大氣關系密切，設計水位以下的渠坡有可能受到地下水位變化、渠道滲漏水流及冰期輸水的影響，而水位變動帶附近的渠坡運行環(huán)境更加復雜多變。

膨脹土渠坡設計希望通過采取處理措施以控制坡比。坡度越陡，工程量越小，且對工期和環(huán)境影響的控制越有利，但是輸水安全對于渠坡處理技術(shù)的依賴性就越高。盡管如此，渠道開挖坡面斜長仍然會很長，開挖面面積很大，渠坡與大氣形成大面積的接觸邊界。

膨脹土在復雜的氣候、水文、地質(zhì)條件下被大范圍地開挖裸露，要想有效控制氣候作用的影響，就應該采取適當?shù)姆雷o措施。

1969年開工的陶岔渠首工程設計坡比為1∶3～1∶4．5，然而在開挖過程中相繼發(fā)生了13處滑坡。后來通過加固才穩(wěn)定了邊坡。膨脹土地區(qū)的邊坡甚至有在1∶6的緩坡條件下仍然失穩(wěn)的實例［1］。所以說，膨脹土渠坡的設計及其穩(wěn)定性研究是南水北調(diào)中線工程建設的主要課題。目前列入膨脹土渠坡防護措施研究的方案主要包括：

（1）一級馬道以下的防滲封閉或緩沖保護層措施，防滲材料包括催化瀝青、土工膜等，緩沖保護層為一定厚度的非膨脹土或改性土，表面均采用混凝土襯砌；

（2）一級馬道以上為護坡加地面排水措施，設計采用的護坡措施包括干砌石護坡、砌石聯(lián)拱、混凝土六方塊護坡、土工格柵等；

（3）馬道及坡頂?shù)母羲罎B措施［5］。

2 膨脹土的特性

脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性被公認為膨脹土的典型特性［1］。其中，脹縮性是其自身固有的特性，由其所含有的特殊黏土礦物成分、膠結(jié)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征所決定。膨脹土超固結(jié)性則屬于經(jīng)歷復雜沉積環(huán)境、地質(zhì)作用歷史后所具有的附加特性。與膨脹土對應，膨脹巖經(jīng)歷了長期的成巖作用。

膨脹土裂隙包括原生（構(gòu)造）裂隙和次生裂隙。原生構(gòu)造裂隙與超固結(jié)性一樣，也是地質(zhì)作用的結(jié)果。第三系膨脹巖雖然成巖程度不高，但是，由于經(jīng)歷了新生代構(gòu)造運動，發(fā)育有構(gòu)造裂隙。據(jù)在新鄉(xiāng)潞王墳渠坡處理試驗段的觀察，典型裂隙間距為1～2 m左右。圖1是典型裂隙的照片，可見裂隙表面有冰花狀鐵錳質(zhì)沉積，為地下水長期作用的結(jié)果。

圖1 新鄉(xiāng)潞王墳膨脹巖典型裂隙照片F(xiàn)ig．1 Photo of the expansive rock cracks at Luwangfen canal stretch at Xinxiang City

次生裂隙則是在開挖卸荷、氣候作用、工程結(jié)構(gòu)作用等條件下產(chǎn)生的裂隙。對于南水北調(diào)中線總干渠來說，卸荷作用和氣候作用將是造成膨脹土次生裂隙的主要外在力量。原生裂隙在這些外在力量的作用下會擴展和張開，同時也會加劇次生裂隙的發(fā)育，并在一定程度上左右次生裂隙的發(fā)育規(guī)律。由此可見，次生裂隙是在工程條件下經(jīng)受卸荷作用與氣候作用的結(jié)果。

膨脹土裂隙的危害性體現(xiàn)在如下方面：

（1）破壞土體完整性，其結(jié)果是降低邊坡的穩(wěn)定性，也降低了土體的抗侵蝕和抗沖刷能力；

（2）增加土體與大氣接觸面積，促進蒸發(fā)，結(jié)果使裂隙進一步增加和擴展；

（3）增強雨水和地表水入滲能力，其結(jié)果是使得土體產(chǎn)生膨脹力、降低強度、增加自重，從而降低坡體的穩(wěn)定性，同時入滲水流還會增加裂隙內(nèi)的水壓力或通過凍脹作用促進裂隙的進一步擴展。

可以毫不夸張地說，原本深埋于地下、沒有接受大氣作用改造的膨脹土，在開挖裸露于大氣條件下充分發(fā)育裂隙后，從強度特性、滲透特性和結(jié)構(gòu)特性等多方面來說都完全變成了另外一種土體。膨脹土渠坡的防護就是要盡量避免這種改造作用，抑制膨脹土的裂隙性，使土體保持原有的完整性。

3 渠坡防護方案

根據(jù)上述膨脹土特性，膨脹土渠坡防護的目標是防止膨脹土裂隙的產(chǎn)生與擴展。卸荷裂隙的防止需要通過合理的邊坡結(jié)構(gòu)設計和施工控制實現(xiàn)。防止膨脹土因干縮作用而產(chǎn)生裂隙的關鍵是控制土體含水量的變化。以下主要從滲流控制角度，討論控制含水量變化和防止裂隙發(fā)生與擴展的防護方案。

渠道工程施工期間，應該通過合理的施工組織和對開挖面采取臨時的防護措施控制坡面含水量的變化，防止裂隙的產(chǎn)生和擴展。工程長期運行期間膨脹土渠坡含水量的控制有3種途徑：防滲、排水、隔溫。

3．1 防滲方案

防滲是目前膨脹土渠坡設計和科研中集中考慮的方案。納入對比研究的防滲方式包括水泥砂漿噴護、黏土覆蓋、膨脹土回填、改性膨脹土覆蓋等。其中有的膨脹土回填方案還采用土袋或土工格柵加筋。從滲流控制角度看，這些方式的共同目標就是防止水分的入滲。然而，這些防滲層也有其局限和缺點：①防滲層都會阻礙坡體內(nèi)地下水的排出；②隔熱性能與被防護的膨脹土非常相近，水泥砂漿噴護層甚至更差；③ 滲透性與被防護的膨脹土相近，甚至略強；④自身的性質(zhì)也不穩(wěn)定。

已有的工程經(jīng)驗表明，水泥砂漿噴護層會產(chǎn)生裂隙，不宜作為長期的防護層。黏土也會在干燥條件下產(chǎn)生裂隙，只是不像膨脹土那樣迅速。甚至某些黏性土經(jīng)擊實，其脹縮性指標將增大，有可能形成“人工膨脹土”［6］?；靥钆蛎浲粮菦]有改變其固有的脹縮特性，相反，回填膨脹土失去了原有的超固結(jié)性和結(jié)構(gòu)性，滲透性和接受降水入滲能力更強，含水量的變化更顯著。對回填土進行改性和加筋，目的是約束其膨脹變形，但無論是摻纖維的改性土，還是土工格柵加筋土，都可能造成不均勻滲流和接觸沖刷問題，土工格柵加筋土還無法約束收縮變形。

綜合上述分析，這些防滲層不適合于地下水位以下及地下水位變動帶的渠坡；對于地下水位變動帶以上的膨脹土渠坡，這些防滲層會在一定時期內(nèi)起到防護作用，但是由于仍然會產(chǎn)生裂隙和不利于排水等原因，其長期有效性都不同程度地值得擔心。

圖2 典型土的水力傳導度曲線Fig．2 Hydraulic conductivity vs．suction head of typical soils

3．2 兼有排水功能的雙層防護方案

在非飽和狀態(tài)下，土體的含水量小于飽和含水量，隨吸力水頭的變化而變化，二者之間為非線性關系；同樣，土的滲透性也隨吸力水頭而變化，用水力傳導度表示。當吸力水頭為零時，土體達到飽和，水力傳導度等于飽和滲透系數(shù)；在非飽和狀態(tài)下，水力傳導度是吸力水頭的非線性函數(shù)。

圖2給出了一組材料的水力傳導度曲線。其中細礫、混凝土砂和粉砂是J．C．Stormont的試驗成果［7］，泥巖是西垣誠的試驗成果［8］。從中可以看到非飽和滲流理論告訴我們的一個道理：不同土體之間滲透性的大小對比關系是可以轉(zhuǎn)換的。在飽和狀態(tài)下，4種材料的水力傳導度等于各自的飽和滲透系數(shù)，相互之間的關系為細礫＞混凝土砂＞粉砂＞泥巖；在非飽和狀態(tài)下，各自的滲透性均隨吸力水頭的升高而下降，但是在同一吸力水頭條件下水力傳導度的斜率各不同，總體規(guī)律是粗粒土更容易排水，水力傳導度下降更快，細粒土排水緩慢，甚至要達到一定的吸力水頭（進氣值）后才有實質(zhì)性的排水，水力傳導度相應地開始明顯下降。在一定的吸力水頭條件下，粗粒土與細粒土之間滲透性的對比關系就會發(fā)生轉(zhuǎn)變，圖2中當吸力水頭＞7 cm時細礫就已經(jīng)變成四者中滲透性最低的材料。粗、細粒土之間這種滲透性對比關系的轉(zhuǎn)變，可用來指導防護方案的設計。

著名的非飽和土力學專家D．G．Fredlund曾經(jīng)介紹過一些國家采用砂土作為覆蓋層處理膨脹土的例子。在他和Yang Hong等合著的文章［9］中，通過非均質(zhì)土柱的入滲試驗研究了粗粒土的毛細障礙作用。采用細砂、中砂和碎石砂3種材料組合成3個雙層介質(zhì)的土柱，均為較粗粒土在下，較細粒土在上。在柱頂模擬降雨條件，通過土柱含水量剖面和土柱底的排水量監(jiān)測，證實了土柱下部較粗粒土對入滲水流越過分層界面的阻礙作用，而且土層顆粒越粗，阻礙作用越大。當入滲水流突破毛細障礙進入下部土層時，對應的分界面處吸力水頭就是Baker等所稱的“進水值”［10］。J．C．Stormont等采用圖2中的細礫、混凝土砂和粉砂組合為3個雙層介質(zhì)土柱，下部均為較粗粒土，也進行了降雨入滲模擬試驗［7］，結(jié)果說明，下部為粗砂時比下部為細礫時入滲水流可以更容易地在比較高的吸力水頭下就突破毛細障礙。這意味著下部土層顆粒較粗時，對入滲水流阻礙作用較大。

本文第1作者曾經(jīng)通過土柱的排水試驗和數(shù)值模擬，對比研究均質(zhì)土柱和非均質(zhì)土柱排水過程的差別。其中，均質(zhì)壤土土柱與壤土之間夾有砂層的土柱的對比表明，當水位勻速下降到砂層底面以下一定距離后，由于砂層已經(jīng)快速疏干，滲透性轉(zhuǎn)而低于相鄰的壤土層，從而阻礙了上覆壤土層的排水，使其含水量高于均質(zhì)土柱對應時刻和對應位置的含水量［11］。

史文娟通過開展非均質(zhì)土柱蒸發(fā)模擬試驗，研究了夾砂層對水分運動的影響。結(jié)果表明：夾砂層阻礙了下伏土層的毛細上升高度和速度，明顯降低了地下水的蒸發(fā)量［12］。

孫志忠等根據(jù)野外觀測資料，分析了不同粒徑塊石層下地溫狀況，認為塊石材料孔隙性大，可以起到熱量屏蔽的作用［13］。根據(jù)以上運用非飽和滲流理論的分析，可知：粗粒土在入滲時不容易進水，在排水時很容易疏干，因而更經(jīng)常地處于低含水量、甚至干燥狀態(tài)；孔隙中充盈氣體，用于渠坡防護，會比下伏膨脹土熱傳導性低，具有隔熱保溫作用，有利于控制膨脹土的溫度變化，從而抑制蒸發(fā)作用和熱脹冷縮作用。

通過以上分析，再考慮到粗粒土本身的特點，在斜坡上非均質(zhì)土層中作為夾層的粗粒土可以起到以下作用：

（1）在低吸力和接近飽和條件下，排水很快，防止水分在膨脹土坡面的滯留和入滲，制約其含水量的變化；

（2）在高吸力條件下，阻礙入滲水流通過，制約降雨入滲對下伏膨脹土層含水量的影響；

（3）在高吸力條件下起隔溫和阻礙毛細運動的作用，制約下伏膨脹土層的蒸發(fā)和含水量的變化；

（4）在高吸力條件下阻礙上覆土層的排水，有利于其保持水分和植被生長；

（5）粗粒土不像黏性土等防滲材料一樣由于氣候作用而產(chǎn)生裂隙，比防滲材料具有性能穩(wěn)定、長期有效的優(yōu)勢，不僅自身不會產(chǎn)生裂隙，還會切斷相鄰土層的裂隙擴展路徑。

根據(jù)粗粒土作為夾層時的優(yōu)良特性和巧妙作用機理，建議膨脹土渠坡宜采用雙層結(jié)構(gòu)的防護方案，表層為混凝土護坡，也可以采用粘性土或回填土料，下部為粗粒土層，簡稱為（兼有排水功能的）雙層結(jié)構(gòu)防護方案。這種雙層結(jié)構(gòu)方案可以從多方面控制膨脹土渠坡含水量的變化，抑制膨脹土裂隙的產(chǎn)生和擴展。

4 方案設計原則和防護效果初步研究

兼有排水功能的雙層結(jié)構(gòu)防護方案表層采用粘性土或回填土料時，可以起到一定的防滲作用，還可以起到綠化作用，從而防止粗粒土的流失，既有工程作用，又有生態(tài)環(huán)境效果。其厚度以利于植被生長為宜。

粗粒土料的選擇要考慮多種因素。首先，其力學特性應使防護層在坡面上的穩(wěn)定性滿足設計需要，其次，其飽和非飽和水力特性要有利于多功能作用的發(fā)揮。圖3是圖2中細礫與泥巖水力傳導度比值隨吸力水頭的變化曲線。二者比值為1時對應的吸力水頭可以稱為滲透性對比關系的轉(zhuǎn)變臨界點。根據(jù)3．2節(jié)的討論和圖3可以提出粗粒土水力特性的原則性要求。

圖3 細礫和泥巖水力傳導度比值隨吸力水頭變化曲線Fig．3 The rate of hydraulic conductivity vs．suction head for pea gravel and mudstone

（1）粗粒土與表層土之間的轉(zhuǎn)變臨界點對應的吸力水頭值較低。當降雨入滲時，除非表層土底面附近接近飽和，否則入滲水流不會輕易地進入粗粒土層。

（2）粗粒土與膨脹土之間飽和滲透系數(shù)有顯著差別。當粗粒土層含水量較高或接近飽和時，順坡向的水流阻力遠小于垂直層面進入膨脹土的阻力，水流難以下滲，很快順坡向排走。

（3）上下土層之間的水力傳導度比值與吸力水頭呈高度非線性關系，也就是隨著吸力水頭遠離轉(zhuǎn)變臨界點，土層之間的滲透性有顯著的差異。

（4）粗粒土盡可能用窄級配料，其良好的大孔隙性將使得保溫隔熱效果更好。

選取新鄉(xiāng)潞王墳膨脹巖渠坡處理試驗段的典型剖面，利用當?shù)氐膶嶋H氣象資料，對渠坡的飽和非飽和非穩(wěn)定滲流過程進行了數(shù)值模擬，對比研究了裸坡、黏土防護及雙層結(jié)構(gòu)防護方案下渠坡對于氣候作用響應的差異。研究結(jié)果表明，兼有排水功能的雙層結(jié)構(gòu)防護方案可以更好地限制渠坡受到的大氣影響［14］。

粗粒土層厚度初步建議取30～50 cm，具體厚度需要結(jié)合料源及其成本和施工便利性進一步研究確定。

5 結(jié) 語

（1）南水北調(diào)中線膨脹土渠坡防護的目標是制約膨脹土的裂隙性，關鍵是控制復雜氣候條件下膨脹土坡的含水量變化。

（2）開挖施工時，開挖面一方面要經(jīng)歷卸荷作用，一方面要裸露于大氣接受蒸發(fā)、降水入滲與沖刷或者凍脹作用，容易導致裂隙的快速產(chǎn)生和擴展，所以合理的施工組織和臨時防護措施非常重要。施工期保持開挖面土體的完整性，是永久防護方案長期有效性的重要前提之一。

（3）僅考慮防滲功能的防護方案在一定程度和一定時期內(nèi)會起到作用，但是其應用不僅要考慮邊坡地下水條件，長期效果也值得擔心。

（4）本文基于非飽和滲流理論，提出了兼有排水功能的雙層結(jié)構(gòu)防護方案。該方案可以從多種途徑制約膨脹土邊坡含水量的變化：當用于渠道水位以下時，可以與墊層結(jié)合起來設計；用于渠道水位以上時，可以兼顧生態(tài)環(huán)境需要。更關鍵的是該方案的長期有效性更有保障。

（5）粗、細粒土之間滲透性對比關系可以互相轉(zhuǎn)變的規(guī)律，可以更廣泛地指導滲流控制方案的設計創(chuàng)新。例如，本文提出的雙層結(jié)構(gòu)防護方案也可以供設計垃圾填埋場的覆蓋層時參考。

致謝：作者就本文的有關內(nèi)容與水利部巖土力學與工程重點實驗室程展林教授級高級工程師等進行過有益的討論，特此致謝。

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