張家發(fā)，崔皓東，吳慶華，李少龍，王金龍

(長江科學(xué)院 a. 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢　430010)

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南水北調(diào)中線一期工程膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)分類及其控制措施

張家發(fā)a, b，崔皓東a, b，吳慶華a, b，李少龍a, b，王金龍a, b

(長江科學(xué)院 a. 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢430010)

摘要：由于膨脹土對于水的敏感性，膨脹土渠坡及其襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是南水北調(diào)中線一期工程建設(shè)和運(yùn)行遇到的重要挑戰(zhàn)之一。在地層結(jié)構(gòu)分類基礎(chǔ)上，開展了膨脹土地區(qū)的滲透結(jié)構(gòu)分類、滲流系統(tǒng)分類以及膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)分類研究。針對各類膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)，分析了渠道工程對滲流場的改造作用，歸納了各自的滲流控制任務(wù)，提出了滲流控制措施的應(yīng)用原則：非飽和帶設(shè)置排水墊層以利于含水率的長效控制，合理設(shè)計馬道以減輕對滲流控制的負(fù)效應(yīng)，合理運(yùn)用排水孔和減壓井控制地下水流場及水壓力，地下水動態(tài)變化與渠道水位變化范圍交叉渠段應(yīng)合理設(shè)置逆止閥并保障其靈敏性和可靠性，工程長期運(yùn)行過程中跟蹤研究滲流控制效果和適時有效調(diào)控滲流場。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線工程；膨脹土；渠道；滲透結(jié)構(gòu)；滲流場；滲流系統(tǒng)分類

1研究背景

2014年建成通水的南水北調(diào)中線工程一期工程，自丹江口水庫取水，終點(diǎn)為北京、天津，輸水工程全長1 421 km。工程所面臨的重要難題之一是無法避開膨脹土或者膨脹巖分布地區(qū)。該工程有累計長約386.8 km的總干渠，在地表至渠底板以下5 m范圍內(nèi)分布有膨脹土或者膨脹巖[1]。為了敘述方便起見，將此類渠段統(tǒng)稱為膨脹土渠段，以下述及的膨脹土包括膨脹巖。膨脹土因其特殊性質(zhì)容易引起工程問題，這在項(xiàng)目論證階段就已經(jīng)引起重視[2]。因而，無論在設(shè)計階段，還是建設(shè)階段，膨脹土問題都是重要的研究對象[3]，并先后被列入國家“十一五”和“十二五”科技支撐計劃項(xiàng)目的研究課題[4-5]。在這些研究和工程實(shí)踐中認(rèn)識到，雨水、地表水、渠水入滲是引起膨脹土渠坡失穩(wěn)的主要外因[6]；以保障渠道輸水效率和渠坡穩(wěn)定為目標(biāo)，研究者們提出了針對性的設(shè)計方案，其中包括滲流控制設(shè)計方案[5,7-9]。

膨脹土渠坡出現(xiàn)在挖方渠段。對于南水北調(diào)中線渠坡的膨脹土來說，造成滲流問題比其他工程更為復(fù)雜的主要因素有：膨脹土邊坡在渠道兩側(cè)形成臨空面，為膨脹土接受大氣復(fù)雜作用提供了新的重要邊界；沿線渠坡地層結(jié)構(gòu)差異大，形成不同的滲透結(jié)構(gòu)，并與渠道工程形成不同的幾何切割關(guān)系；渠道輸水為對于水分變化敏感的膨脹土帶來了復(fù)雜的涉水條件。

本文在已有研究和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，開展膨脹土地區(qū)和膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)的分類研究，討論渠道工程對于滲流系統(tǒng)的改造作用，對工程建設(shè)前后滲流場分布及動態(tài)特征差異進(jìn)行宏觀分析，討論和歸納不同滲流系統(tǒng)膨脹土渠坡的滲流控制任務(wù)，提出滲流控制措施的應(yīng)用原則。

針對不同滲流系統(tǒng)的滲流控制措施詳細(xì)論證工作與成果，將另文介紹。

2膨脹土地層所處的滲透結(jié)構(gòu)和滲流系統(tǒng)分類

滲流場的分布與巖土體自身的性質(zhì)有關(guān)，也與其所處的環(huán)境有關(guān)。所謂環(huán)境，包括相鄰地層的性質(zhì)、土層埋藏條件、被切割情況以及水文地質(zhì)條件。膨脹土為高塑性黏土，其典型特征之一是超固結(jié)性，通常情況下膨脹土自身的滲透性及富水性均很低。近地表的膨脹土發(fā)育有植物根系孔隙和干縮裂隙；膨脹土中還發(fā)育有長大裂隙，一旦受到卸荷作用，裂隙就會進(jìn)一步張開。這些孔隙和裂隙的存在，使得膨脹土的滲透性和富水性呈現(xiàn)出一定的不均一性。

在國家“十二五”科技支撐計劃項(xiàng)目研究過程中，開展了南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹土渠段地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類。其分類方法充分考慮了不同巖性地層強(qiáng)度和變形性能的差異，因而劃分得比較細(xì)。在巖體結(jié)構(gòu)、土體結(jié)構(gòu)、土/巖體結(jié)構(gòu)3大類下劃分層狀結(jié)構(gòu)、均一結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步劃分了15個亞類[1]。對于滲流場分布來說，起關(guān)鍵作用的是地層的滲透性，尤其是不同滲透性地層組合起來的結(jié)構(gòu)形式，因此可以在地層結(jié)構(gòu)分類基礎(chǔ)上進(jìn)一步地開展?jié)B透結(jié)構(gòu)分類。

當(dāng)?shù)貙訛榫慌蛎浲?，或者與膨脹土相鄰的是弱滲透性的地層時，其富水性差，滲透性弱，徑流緩慢，地下水對水文氣象條件變化的響應(yīng)滯緩。

當(dāng)膨脹土與飽和滲透性較強(qiáng)的地層相鄰時，就會形成滲透性有顯著差異的雙層或者多層滲透結(jié)構(gòu)體系，層面成為層間水流交換的“內(nèi)部邊界”。飽和狀態(tài)下，由于強(qiáng)透水層的導(dǎo)水作用，膨脹土層的水分運(yùn)動形式在很大程度上是向強(qiáng)透水層排泄，或者接受強(qiáng)透水層的補(bǔ)給，使得膨脹土中的地下水動態(tài)和對于水文氣象條件變化的響應(yīng)比弱滲透結(jié)構(gòu)體系要活躍和迅速得多。非飽和狀態(tài)下，在超過一定的吸力范圍后砂質(zhì)或者粗粒巖土層的滲透性反而比膨脹土更弱，會成為制約膨脹土水分運(yùn)動的屏障[9]。

按照上述是否與飽和滲透性較強(qiáng)地層相鄰的情況，可以將膨脹土所處的滲透結(jié)構(gòu)分為2類：塊狀弱滲透結(jié)構(gòu)(A類)和層狀滲透結(jié)構(gòu)(B類)，見表1。

表1　 工程建設(shè)前膨脹巖土地區(qū)滲流系統(tǒng)分類

不妨將膨脹土所在滲透結(jié)構(gòu)的滲流場看作一個系統(tǒng)。理論上講，這個系統(tǒng)不是封閉和孤立的，總會在一定程度上與外界進(jìn)行著水量交換，相對于水文循環(huán)系統(tǒng)及地下水循環(huán)系統(tǒng)來說，膨脹土滲流場只是一個子系統(tǒng)，而且從嚴(yán)格意義上講是開放系統(tǒng)。但是不同條件下膨脹土滲流系統(tǒng)的開放程度差別很大。從工程實(shí)用角度，可對其開放性進(jìn)行分類。上述滲透結(jié)構(gòu)反映的是滲流系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，決定了系統(tǒng)開放性的內(nèi)部條件，而滲透結(jié)構(gòu)中膨脹土的出露情況，決定了滲流場分布規(guī)律及其動態(tài)特征。

膨脹土是否出露，也會明顯影響非飽和帶滲流場的分布及其動態(tài)變化。南水北調(diào)中線渠道工程建設(shè)前，膨脹性土(巖)地區(qū)天然地貌形態(tài)多為丘陵、壟崗和山前沖洪積、坡洪積層。膨脹土出露情況，既包括地面出露，也包括溝谷、河道切割的岸坡，以及渠道、道路等工程邊坡上的出露。當(dāng)膨脹土出露時，要經(jīng)歷強(qiáng)烈的溫差、風(fēng)蝕、雨淋、凍融、卸荷等作用，再加上動植物活動，地表以下一定深度范圍內(nèi)的膨脹土?xí)踊?，主要是裂隙更發(fā)育，致密程度降低，在降雨直接入滲和蒸發(fā)排泄作用，以及與地表水相互作用下，不僅飽和區(qū)滲流場變化較快，甚至在非飽和區(qū)形成上層滯水。

當(dāng)出露于地表的是非膨脹土層時，下伏膨脹土層受到了保護(hù)而不至劣化，受降雨和蒸發(fā)作用的影響也會因上覆地層的存在而明顯衰減。

根據(jù)滲透結(jié)構(gòu)類型和膨脹土出露情況，可將渠道工程建設(shè)前膨脹土地區(qū)滲流場劃分為4類滲流系統(tǒng)，分別為A1，A2，B1和B2，見表1?，F(xiàn)對其異同敘述如下：

(1) A1和B1滲流系統(tǒng)中，膨脹土均出露，非飽和帶受大氣影響顯著，也是膨脹土有關(guān)問題多發(fā)地區(qū)，可以將這2類滲流系統(tǒng)稱為開放系統(tǒng)。

(2) A2滲流系統(tǒng)中，膨脹土不出露，且不與強(qiáng)透水層相鄰，膨脹土中滲流場動態(tài)滯緩，天然條件下膨脹土問題不會很突出，可以稱為相對封閉系統(tǒng)。

(3) B2滲流系統(tǒng)中，膨脹土不出露，但有強(qiáng)透水層相鄰。當(dāng)強(qiáng)透水層飽和時，膨脹土中的滲流場隨著強(qiáng)透水層的側(cè)向徑流而響應(yīng)水文氣候及地下水條件的變化，與膨脹土有關(guān)的問題有可能在深部，甚至規(guī)模較大；當(dāng)常規(guī)意義的強(qiáng)透水層長期處于非飽和狀態(tài)時，其非飽和狀態(tài)下的弱滲透性會制約膨脹土中滲流場的動態(tài)變化，與膨脹土有關(guān)的問題可能因此而減弱。B2滲流系統(tǒng)可以稱作半開放系統(tǒng)。

(4) B1滲流系統(tǒng)中，膨脹土不僅出露，還與強(qiáng)透水層相鄰。當(dāng)強(qiáng)透水層飽和，或者在飽和與非飽和狀態(tài)間交替變化，尤其是當(dāng)水文氣候及地下水條件的變化頻繁且劇烈時，膨脹土對其響應(yīng)也相對快速，滲流場分布復(fù)雜，而且變化頻繁，易于出現(xiàn)與膨脹土有關(guān)的工程問題，而且既可能有淺表部的小規(guī)模工程問題，也可能有深部的大規(guī)模工程問題。

渠道工程建設(shè)前，滲流場的分布和動態(tài)規(guī)律是長期歷史過程中形成的，處于與滲透結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件相適應(yīng)的動態(tài)平衡之中，只有地下水開采活動和灌溉方式的改變，以及工程建設(shè)活動等人類行為才會顯著地打破既有的動態(tài)平衡。

3渠道工程建設(shè)對于膨脹土滲流系統(tǒng)的改造作用

按照對于滲流場的影響，可以將南水北調(diào)中線一期工程開工建設(shè)直至通水運(yùn)行中渠道工程的狀態(tài)分為3個典型階段，不同的膨脹土滲流體系在這3個階段中經(jīng)歷不同的改造，出現(xiàn)新的滲流場分布和動態(tài)變化特征。

3.1施工期

渠道施工期是指從開挖工程開工至渠道襯砌和防護(hù)層鋪設(shè)完成之前的階段。

挖方段的施工期是一個逐漸切割地層的過程。開挖面成為新的降水入滲和蒸發(fā)排泄邊界，使得土體含水率與開挖前出現(xiàn)很大差異，含水率的變化頻率和幅度都會大大增加。當(dāng)基坑開挖底面低于工程建設(shè)前的排泄基準(zhǔn)面時，基坑底面是一個不斷降低的地下水排泄基準(zhǔn)面，而當(dāng)工程需要超前排水時，排水井管的水位成為控制水位，距離開挖坡一定范圍內(nèi)的地下水被疏干，地下水位顯著下降。施工期滲流場分布及動態(tài)處于變化程度不斷增大，直至最大的階段。

在膨脹土地區(qū)，工程建設(shè)前膨脹土就已經(jīng)出露的渠段(A1和B1系統(tǒng))，原來就屬于開放系統(tǒng)，隨著渠道的開挖，開挖面成為新的開放邊界，滲流系統(tǒng)更加開放，渠道開挖深度越大，開放程度越大。工程建設(shè)前膨脹土未出露的渠段(A2和B2系統(tǒng))，根據(jù)渠道是否揭穿膨脹土層有不同的變化。當(dāng)渠道不揭穿膨脹土滲流系統(tǒng)時，滲流場將基本維持建設(shè)前的系統(tǒng)特征；當(dāng)渠道揭穿膨脹土層時，原來的相對封閉系統(tǒng)和半封閉系統(tǒng)逐漸開放，演變?yōu)槭┕て诘拈_放系統(tǒng)。隨著開挖深度的增加，開放程度不斷增大。

3.2完建期

渠道工程完建期是指不僅渠道開挖全部完成，而且所有的滲流控制工程和渠坡防護(hù)工程也已經(jīng)完工，但是渠道尚未充水的狀態(tài)。

完建期，在膨脹土渠道設(shè)計過水?dāng)嗝嫔弦呀?jīng)覆蓋有混凝土襯砌板，甚至還有土工膜防滲層、排水墊層或盲溝，以及換填層；在高于襯砌范圍的渠坡上，膨脹土也被換填層覆蓋，下面可能還設(shè)置有排水盲溝。與施工期不同的是，上述防滲排水措施成為了降水入滲和蒸發(fā)排泄作用的障礙柵，膨脹土渠坡含水率的變化頻率和幅度又會有所降低。與施工期相同的是，地下水條件已經(jīng)得到改造，甚至施工期的臨時滲控措施仍然在發(fā)揮作用。

渠道襯砌和防護(hù)結(jié)構(gòu)鋪設(shè)完工后，在防滲排水措施有效作用下，膨脹土滲流系統(tǒng)的開放程度又會得到有限度的制約，其開放的方式將主要是地表直接接受大氣降水入滲補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄作用，以及在天然地下水位高于渠道底板的渠段，地下水流場受到排水體系的控制，并與基坑控制水位或渠道運(yùn)行水位關(guān)聯(lián)。所以在完建期，渠坡非飽和帶滲流場分布和動態(tài)變化處于一個復(fù)歸縮小的階段；而飽和區(qū)滲流場分布和動態(tài)變化可能處于改造程度最大的階段。

3.3運(yùn)行期

運(yùn)行期是指渠道通水后的運(yùn)行狀態(tài)，包括調(diào)度控制的輸水和檢修工況。

運(yùn)行期，無論渠道內(nèi)是有水還是無水，也無論渠道水位怎樣變化，滲流控制體系都應(yīng)發(fā)揮有效的作用，使?jié)B流場分布呈現(xiàn)如下規(guī)律。

(1) 在渠底板高于地下水位的渠段，依靠土工膜防滲層的作用，將渠水與渠坡土體隔離，工程運(yùn)行后的地下水將恢復(fù)至天然地下水分布狀態(tài)。在渠道水位低于地下水位的渠段，依靠排水體系控制滲流場分布，從而既促進(jìn)渠坡的穩(wěn)定，又通過控制襯砌板承受的浮力使之處于安全狀態(tài)；此類條件下，工程運(yùn)行后的地下水是向渠道方向運(yùn)動，以變動中的渠道水位為控制水位，并隨其變化而波動。

(2) 在渠道水位變化范圍與地下水位變化范圍交叉的渠段，排水孔孔口設(shè)置逆止閥。當(dāng)渠道水位低于地下水位時，逆止閥自動開啟，依靠排水孔對地下水的排水減壓作用，促進(jìn)渠坡和襯砌板的穩(wěn)定，此期間滲流場受渠道水位控制，以變動中的渠道水位為控制水位。當(dāng)渠道水位高于地下水位時，逆止閥閉合，排水孔停止運(yùn)行，并依靠渠道防滲層的作用，制約渠道與滲流場的水力聯(lián)系，二者之間甚至可能出現(xiàn)非飽和區(qū)。

(3) 對應(yīng)于渠道水位變化范圍內(nèi)的膨脹土渠坡上，由于其本身的持水特性和不直接經(jīng)受蒸發(fā)作用，膨脹土總體上將維持在飽和或者接近飽和的狀態(tài)。

(4) 在高于渠道設(shè)計水位的膨脹土渠坡上，膨脹土被換填土等防護(hù)層覆蓋。防護(hù)層對降水入滲和蒸發(fā)排泄起到障礙柵作用，膨脹土渠坡含水率的變化受到制約。但當(dāng)防護(hù)措施和滲流控制體系不完善時，也會出現(xiàn)局部或者暫態(tài)飽和區(qū)。坡面防護(hù)措施的長期有效性尤其值得關(guān)注和跟蹤監(jiān)測。

4膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)分類

渠道工程建設(shè)對于滲流場條件的改變，起重要控制作用的是渠道是否揭穿膨脹土滲流系統(tǒng)，以及渠道運(yùn)行水位與地下水位的關(guān)系，據(jù)此將膨脹土滲流系統(tǒng)在工程建設(shè)前后的演變情況概括于表2。

表2　 渠道工程建設(shè)后膨脹土滲流系統(tǒng)變化

表2中條件說明所稱“地下水位”是指工程建設(shè)前地下水位，或者區(qū)域地下水水位?！暗叵滤坏汀笔侵腹こ探ㄔO(shè)前常年地下水位均不超過渠道施工期的控制水位或者運(yùn)行期的渠道水位；“地下水位高”則是指工程建設(shè)前地下水位超過施工期的控制水位或者運(yùn)行期的渠道水位，包括季節(jié)性超過的情況在內(nèi)。由表2可知：

(1) 工程建設(shè)前的A1和A2類滲流系統(tǒng)，在渠道工程建設(shè)后可能演變?yōu)锳11類滲流系統(tǒng)。識別A11類滲流系統(tǒng)的特征是：膨脹土處于塊狀弱滲透結(jié)構(gòu)之中，膨脹土被揭露，工程建設(shè)前地下水位或者區(qū)域地下水位高于渠道建設(shè)期間控制水位和運(yùn)行水位。

(2) 工程建設(shè)前的A1和A2類滲流系統(tǒng)，在渠道工程建設(shè)后也可能演變?yōu)锳12滲流系統(tǒng)，其與A11滲流系統(tǒng)不同之處在于：工程建設(shè)前常年地下水位或者區(qū)域地下水位低于渠道建設(shè)期間控制水位和運(yùn)行水位。

(3) 工程建設(shè)前的A2類滲流系統(tǒng)，在渠道工程建設(shè)后可能仍然維持為A2類滲流系統(tǒng)，其特征是：膨脹土處于塊狀弱滲透結(jié)構(gòu)之中，膨脹土不出露，且不被渠道工程切割。

(4) 工程建設(shè)前的B1和B2類滲流系統(tǒng)，在渠道工程建設(shè)后可能演變?yōu)锽11和 B12類滲流系統(tǒng);工程建設(shè)前的B2類滲流系統(tǒng)，在渠道工程建設(shè)后也可能仍然維持為B2類滲流系統(tǒng)。

5膨脹土滲流系統(tǒng)的滲流控制任務(wù)

渠道是涉水建筑物。渠道對于滲流場的改造，一方面體現(xiàn)為渠水與滲流場之間的相互作用，另一方面體現(xiàn)為渠水淹沒線以上坡面的入滲補(bǔ)給和排泄作用。工程運(yùn)行中，渠道水位是在設(shè)計水位與渠底高程之間變動的。所以，上述2方面的作用并沒有固定的范圍和界限。工程設(shè)計中以設(shè)計水位為限，分別考慮滲流控制和防護(hù)方案。在深挖方渠段，常常通過設(shè)置馬道來促進(jìn)渠坡的穩(wěn)定，有的渠段甚至在不同高程部位分別設(shè)置馬道，其中最低的馬道稱為第一級馬道，習(xí)慣簡稱為一級馬道。南水北調(diào)中線一期工程設(shè)計中，習(xí)慣以一級馬道為限，分別表述滲流控制和防護(hù)方案。

在各類膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)中，渠道水位以上膨脹土渠坡的滲流場，一方面借助防護(hù)層的作用而制約大氣降水和蒸發(fā)的影響，另一方面借助排水墊層、盲溝和排水孔的作用向渠道方向排泄。

渠道水位以下膨脹土渠坡滲流場的分布和動態(tài)，對應(yīng)于不同的滲流系統(tǒng)，會有不同的特征。表2中列出了各類系統(tǒng)中渠道對滲流場的作用方式。

A11類和B11類滲流系統(tǒng)體現(xiàn)出渠道的顯著改造作用。如果區(qū)域地下水位總是高于渠道設(shè)計水位，工程建設(shè)后，渠道成為地下水的排泄去向，渠道水位是一個變動中的排泄基準(zhǔn)面，一級馬道以下滲流控制的任務(wù)是確保排水效果；如果地下水位與渠道水位變化范圍交叉，工程建設(shè)后的滲流場分布和動態(tài)很復(fù)雜，一級馬道以下滲流控制的任務(wù)是確保地下水位較高時的排水效果，以及地下水位較低時的渠道防滲效果。

A12類和B12類滲流系統(tǒng)中渠道成為地下水的補(bǔ)給源，一級馬道以下滲流控制的任務(wù)是渠道防滲。渠道對于滲流場的影響程度與防滲效果有關(guān)。理想的防滲層可以隔離渠道與地下水之間的聯(lián)系，使得滲流場基本上不受渠水影響。不同程度的渠道滲漏補(bǔ)給作用，會形成不同的滲流場分布。輕度滲漏會在渠底附近形成局部飽和區(qū)，滲漏水流通過非飽和區(qū)運(yùn)移至地下水面，并造成自由面的丘狀抬升。滲漏程度的增加，會使得渠底局部飽和區(qū)擴(kuò)大，自由面丘狀抬升程度增加，直至二者連成一體，渠道與地下水之間建立起飽和水流運(yùn)動的聯(lián)系方式，渠道對地下水造成顯著影響。

對于膨脹土不被渠道揭露的A2類和B2類滲流系統(tǒng)來說,膨脹土不出現(xiàn)在渠坡上，而只出現(xiàn)在渠基中，仍維持工程建設(shè)前的半開放特征。不論渠道對于飽和帶滲流場的改造作用如何，除了膨脹土因此而可能對渠基變形和穩(wěn)定造成的影響外，其他問題與一般渠段沒有顯著差異。此類系統(tǒng)中，膨脹土埋藏于渠基，與其裂隙性和超固結(jié)性伴生的問題沒有得到觸發(fā)，膨脹變形也受到上覆荷載的制約，一級馬道以下滲流控制的任務(wù)與條件類似的非膨脹土渠段基本相符。

6滲流控制措施應(yīng)用原則

本節(jié)基于滲流控制措施的大量研究成果和工程實(shí)踐，針對上述膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)分類，概括適用的滲流控制措施。

膨脹土渠段與其他渠段一樣，要通過飽和區(qū)滲流場控制促進(jìn)和保障渠坡及其襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，更特別的是，由于膨脹土問題的要害不僅是土性與含水率分布相應(yīng)的空間變化，更有土性隨著含水率動態(tài)變化所發(fā)生的復(fù)雜演變，所以膨脹土渠坡更需要控制飽和區(qū)域的動態(tài)變化，以及非飽和區(qū)域內(nèi)含水率的動態(tài)變化。

與其他水利工程一樣，南水北調(diào)中線工程的滲流控制也可以分為防滲與排水2大類措施。防滲措施主要是設(shè)置在襯砌板之下的土工膜防滲層，既用以減少渠水的滲漏損失，更是為了隔離渠水與對水敏感的膨脹土渠坡。針對膨脹土普遍采取的換填處理措施，也可以減少渠水和大氣降水入滲，以及蒸發(fā)排泄作用。當(dāng)然換填層還具有壓重和約束土體膨脹變形的作用，又稱作防護(hù)措施。

排水的目標(biāo)有2個方面：一是控制周圍地下水對渠道的作用；二是疏導(dǎo)大氣降水和地表水的入滲水流，控制其對渠坡和襯砌結(jié)構(gòu)的不利作用。排水措施包括排水墊層、排水孔、減壓井。在部分渠段，排水墊層被優(yōu)化為盲溝。

表3針對各類滲流系統(tǒng)列出了適用的滲流控制措施，加上其他地表和地下集、排水連接管、溝等，以及必要的抽排設(shè)備，就可以構(gòu)成完整的控制方案。

在國家“十二五”科技支撐課題“膨脹土渠坡防滲排水技術(shù)”研究中，針對不同的膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)，選取典型渠段開展了滲流場模擬[5]，通過滲流場分布及動態(tài)規(guī)律的分析，對于滲流控制措施的應(yīng)用著重強(qiáng)調(diào)了以下幾個方面。

表3　各類膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)的控制措施

(1) 非飽和帶設(shè)置排水墊層以利于含水率的長效控制

一級馬道以上的換填層可對膨脹土起到含水率的控制作用，但是經(jīng)過長期運(yùn)行以后，換填層可能因?yàn)槌两岛透煽s變形而產(chǎn)生裂隙，也可能由于動植物作用而產(chǎn)生大孔隙，其控制效果會降低。在斜坡段的換填層下合理設(shè)置排水墊層，可控制降水入滲、蒸發(fā)和溫度變化對于膨脹土的影響，尤其可提高防護(hù)作用的長期可靠性。這就是雙層結(jié)構(gòu)防護(hù)方案的優(yōu)越性。

(2) 合理設(shè)計馬道以減輕對滲流控制的負(fù)效應(yīng)

馬道上地形平緩，不利于地表產(chǎn)流，而更利于降雨入滲，甚至?xí)纬煞e水入滲條件，所以馬道對于渠坡滲流場控制具有負(fù)效應(yīng)。要在綜合考慮各方面因素影響基礎(chǔ)上，開展馬道設(shè)置及其具體設(shè)計，包括寬度不宜過大，頂面向坡外適度傾斜，不要設(shè)置透水墊層等，盡可能地減輕馬道對于滲流控制的負(fù)效應(yīng)。

(3) 合理運(yùn)用排水孔和減壓井控制地下水流場及水壓力

在地下水位較高的膨脹土渠段，排水孔應(yīng)有效控制襯砌層或者換填層承受的水壓力；減壓井應(yīng)有效控制渠基承壓含水層中的水壓力。二者都是三維滲流場中的匯集點(diǎn)，其合理的布置方案，以及直徑、深度和反濾結(jié)構(gòu)等，需要根據(jù)實(shí)際渠段的地質(zhì)條件和工程運(yùn)行條件論證確定。

(4) 地下水動態(tài)變化與渠道水位變化范圍交叉渠段合理設(shè)置逆止閥并保障其靈敏性和可靠性

在地下水位長期高于渠道運(yùn)行水位的膨脹土渠段，排水孔、減壓井應(yīng)該長期運(yùn)行，無需設(shè)置逆止閥。

在地下水位動態(tài)變化范圍與渠道水位變化范圍交叉的渠段，排水孔、減壓井口設(shè)置逆止閥，由逆止閥的啟閉控制二者是否通水，以適時實(shí)現(xiàn)防止渠道滲漏和控制地下水的作用。此時，逆止閥啟閉的靈敏性和可靠性是滲流控制體系有效運(yùn)行的關(guān)鍵。針對以往的逆止閥存在靈敏性差、易破損和易淤塞的問題，長江科學(xué)院專門研制了壓差放大式新型逆止閥，其靈敏性和可靠性更高，已經(jīng)獲得發(fā)明專利，并在南水北調(diào)中線工程中得到了應(yīng)用。

(5) 工程長期運(yùn)行過程中跟蹤研究滲流控制效果和適時有效調(diào)控滲流場

南水北調(diào)中線一期工程的運(yùn)行伴隨著復(fù)雜的水文、氣候和地下水動態(tài)過程，以及工程自身的復(fù)雜工況和調(diào)度，滲流場始終處于動態(tài)變化之中，通過滲流場的適時、有效調(diào)控[10]，可以促進(jìn)和保障工程安全。上述逆止閥屬于不依賴能源供給的自動調(diào)節(jié)措施。實(shí)際工程運(yùn)行過程中，應(yīng)該長期跟蹤研究滲流控制措施的運(yùn)行效果，檢驗(yàn)和完善滲流控制體系及其運(yùn)行維護(hù)方案。例如，中線工程輸水途中缺少可提供調(diào)蓄作用的湖、庫，為保障襯砌結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性，可以通過更加精細(xì)的調(diào)度來控制渠道水位的變化，這需要以不影響工程運(yùn)行效率為前提；有效地控制渠坡和渠基滲流場是不可或缺的另一個重要手段，于是不僅需要關(guān)注滲流控制措施的長期有效性，還需要關(guān)注滲流控制與渠道水位控制2套體系互相協(xié)調(diào)的有效性，這一點(diǎn)不僅限于膨脹土渠段，在地下水位較高的其他挖方渠段也很重要。

7結(jié)語

(1) 本文提出的膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)分類，可以反映渠道工程建設(shè)對于地下水條件的改造作用，以及滲流場的分布和動態(tài)特征，對于南水北調(diào)中線一期工程運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)和診斷與滲流有關(guān)的問題，研究處置方案，以及對其后續(xù)工程和其他類似工程建設(shè)都具有指導(dǎo)意義。

(2) 在針對不同膨脹土渠坡滲流系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)滲流場分布及動態(tài)規(guī)律，歸納了各自的滲流控制任務(wù)，并提出了滲流控制措施的應(yīng)用原則：非飽和帶設(shè)置排水墊層以利于含水率的長效控制，合理設(shè)計馬道以減輕對滲流控制的負(fù)效應(yīng)，合理運(yùn)用排水孔和減壓井控制地下水流場及水壓力，地下水動態(tài)變化與渠道水位變化范圍交叉渠段合理設(shè)置逆止閥并保障其靈敏性和可靠性，工程長期運(yùn)行過程中跟蹤研究滲流控制效果和適時有效調(diào)控滲流場。

致謝：本文是課題組全體成員共同研究的成果。研究工作在長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司、河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司、南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局的支持與幫助下才得以完成，特此深表謝意。

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(編輯：黃玲)

Classification of Seepage Systems and Control Measures of Seepage Fieldin Expansive Soil Slopes by the Canal of the First-stage Project ofMiddle Route South-to-North Water Diversion

ZHANG Jia-fa1, 2，CUI Hao-dong1, 2，WU Qing-hua1, 2，LI Shao-long1, 2，WANG Jin-long1, 2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 2.National Research Center for Dam Safety Technology, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:Because expansive soil is very sensitive to water,the stability of expansive soil slope and its lining structure is one of the important challenges for the construction and operation of the first-stage project of middle route South-to-North Water Diversion in China. On the basis of geological structure classification, the permeability structure and seepage field system in expansive soil area and also the seepage field system in expansive soil slope of canal were classified respectively. For different kinds of seepage field system in expansive soil slope of canal, the seepage field transformations caused by canal construction were analyzed. The main tasks for seepage field control were discussed, and the principle was pointed out for the application of seepage field control scheme: laying drainage liner for long-term control of water content in unsaturated slope, deliberate design of berms with their negative effects on seepage control considered, reasonable utilization of drainage holes and relief wells to control seepage field and ground water pressure, reasonable arrangement of sensitive and reliable check valves for the canal stretches with the variation range of ground water level overlapping that of canal water level, tracking research on the efficiency of seepage field control and timely regulating it effectively.

Key words:middle route of South-to-North Water Diversion; expansive soil; canal; permeability structure; seepage field; classification of seepage systems

中圖分類號：TU43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0139-06

doi:10.11988/ckyyb.201506272016,33(05):139-144，154

作者簡介：張家發(fā)(1960-)，男，安徽安慶人，教授級高級工程師，主要從事巖土工程和水工滲流研究，(電話)027-82820029(電子信箱)zhangjf@mail.crsri.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279016)；國家“十二五”科技支撐計劃項(xiàng)目(2011BAB10B04)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2014058/YT)

收稿日期：2015-07-24；修回日期：2015-11-16