仇巔,王羿
(1.新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團)有限公司,烏魯木齊 830000;2.南京水利科學研究院巖土工程研究所,南京 210000)
北疆供水工程一期工程總干渠與南干渠總長約500 km,跨越多個地質帶,平均凍深1.8 m,屬于高寒區(qū)[1]。工程區(qū)域內渠道土質飽和砂礫石、膨脹泥巖、風積沙、低液限粉土、分散性流沙土和鹽漬化土等多種類型,渠道填筑類型包括填方(填方高度7~15 m)渠道、挖方渠道(挖方深度5~40 m)和半挖半填渠道,斷面形式有弧腳梯形和梯形兩類。渠道防滲結構類型多樣,包括預制混凝土板+一布一膜復合防滲、全斷面現澆混凝土襯砌+土工膜復合防滲、弧底現澆+坡面預制混凝土塊+防滲膜以及聚脲涂層、LEAC聚丙烯酸涂層等表面防滲涂料[2]。在排水體系方面,根據渠道土質、挖填方形式和周邊地勢,設置有高填方區(qū)縱橫向排水管+豎井集水抽排設施、縱橫向排水管+橫向自流排水溝設施以及底部排水填筑料+橫向排水棱體自流排水設施。
經過20余年的運行,北疆供水工程防滲體系出現不同程度的老化失效,排水體系也有不同程度的淤堵導致的排水效率下降,渠道滲漏情況逐年加劇導致基土水分變動劇烈[3]。對于不同的土質,水分變化與寒區(qū)低溫雙重影響可能導致渠基土吸水膨脹、濕化軟化、凍融變形和固結沉降等變化,長期作用下土體物理力學性能和強度劣化是北疆供水渠道各類險情產生的本質原因。系統梳理北疆長距離供水渠道沿線各類滲漏險情誘發(fā)因素、險情特征及產生機理,對于渠道安全運行管理及災害防治具有重要意義。
通過現場調研結合歷年運管數據,可將北疆供水渠道沿線因滲漏產生的險情歸納為不均勻變形、襯砌結構破壞、坡面裂縫、管涌、流土及滑坡等,險情誘發(fā)因素,包括外部防滲、排水體系失效及內部膜后水位、不良土質條件兩方面。
2.1.1 輸水渠道防滲結構破壞是滲漏險情源頭
北疆供水渠道防滲結構由混凝土襯砌和下方土工膜共同構成,此類防滲結構存在較大的滲漏隱患,根據實際工程調研資料,襯砌與防滲土工膜的組合防滲結構極易因土工膜施工破損、接縫不嚴和低溫老化等原因失去防滲能力。襯砌層尤其是預制混凝土襯砌板相較于現澆混凝土襯砌,具有變形適應性好,易施工防裂縫的優(yōu)點。但是板間接縫砂漿強度不足,難以在長期水流沖刷和凍融作用下保持穩(wěn)定,因此,板間接縫砂漿脫落導致襯砌層完全喪失防滲能力。
2.1.2 渠道排水體系效率降低使?jié)B漏險情加劇
渠道排水體系是防滲結構的補充,用于解決防滲結構缺陷造成緩慢滲漏而引起的膜后水位升高問題。在防滲結構與渠基之間還設置了透水墊層,與底部縱橫向排水棱體或排水管道相連。在北疆供水工程中,因渠道表面換填砂礫料排水墊層的施工,加之排水體系工作效率低,導致每年停水期嚴重破壞襯砌揚壓力浮托。另外,由于縱向排水體系的聯通,局部大量滲漏水經由縱向排水體系向下游匯聚,在排泄不暢處水壓升高,造成該處的渠基繞滲,使得渠道的滲漏更加復雜。
2.2.1 膜后水位變動是滲漏險情荷載誘因
渠道膜后水位由渠水入滲到防滲結構之后形成的防滲結構與渠基土體之間的壓力水頭,將直接作為渠基土體入滲壓力,是渠基滲流浸潤線的直接影響因素。在渠道行水期,渠槽內水位高,從而不斷補給膜后水位,渠基土內孔隙水壓隨即不斷升高,浸潤線向渠基內部延伸;在降水期和停水期,膜后水位較高,從而反滲進入渠道,但是由于防滲結構阻滲,膜后水壓難以短時釋放,造成防滲結構浮托、隆起變形,尤其混凝土襯砌結構發(fā)生大面積破壞。
2.2.2 渠道不良土質劣化是滲漏險情直接誘因
北疆供水渠道跨越多個地質單元,渠堤及基礎常見不良土質包括膨脹性土、分散性土、凍脹敏感性土和鹽漬土等,均存在遇水后物理力學性質突變的特性。在不良土質中,膨脹性、分散性和凍脹敏感性同時存在,諸如北疆長距離供水工程中,膨脹泥巖遇水膨脹脫水干縮開裂,同時飽水后產生崩解形成流沙態(tài),渠坡穩(wěn)定性喪失。北疆供水渠道沖擊平原地區(qū)分布的低液限粉土細顆粒含量高,具有較強的隔水性、難固結,因此,一旦水體入滲后水分難以快速排出,造成渠基內部的土體軟化變形;同時由于細顆粒的毛細作用,地下水快速上升至土體表面,蒸發(fā)后形成鹽漬化,導致孔隙率增大,土體固結度逐漸減小,形成強度喪失的欠固結態(tài)土。以上不良土質在滲漏這一外在環(huán)境因素影響下,產生不均勻變形、裂縫、管涌、流土和滑坡等多種災害的發(fā)生。
渠道防滲結構破壞、排水缺陷、膜后水位變動和不良土質滲水劣化構成了輸水工程滲漏險情的誘發(fā)因素,渠道的結構不同表現的災害破壞特征并不相同。
渠道不均勻變形表現因渠道形式、環(huán)境作用、土質和襯砌類型等方面因素的影響而呈現不同破壞特征。根據渠道填筑形式,將其分為填方渠道、挖方渠道和半挖半填渠道3類;環(huán)境作用分為溫度和水分兩類;土質因素較為復雜,包括黏土、粉土、砂土、膨脹土、鹽漬土等多種類別。
填方渠道,在渠道運行過程中,由于渠道滲漏水的長期作用,渠堤浸潤線以下土體軟化、抗剪強度降低、鹽分或細顆粒流失等原因,產生較大的沉降和坡面向內塌陷。從整體上表現為填方渠堤沉降同時坡面行水位以下內凹,行水位以上外凸的不均勻變形。在停水期凍結作用下,由于渠底水分無法疏干,凍脹變形較為嚴重,因此,表現為渠底鼓脹。
挖方渠道,由原地面下挖而成,組成渠坡的土體為卸荷狀態(tài),可能產生裂隙,因此,壓實度和防滲性能均低于填方渠道。此外,由于滲漏水出流受限,渠基浸潤線高,坡面土體孔壓升高,有效應力降低和抗滑力下降,因此,挖方渠道行水期坡面整體下滑,渠頂拉裂;坡面土體上部下凹,下部隆起,帶動襯砌起伏變形。在凍結期,渠基水分難以排出,較多聚集于渠道中下部和底部,且凍脹量大,導致襯砌嚴重破壞。
渠道滲漏-不均勻變形屬于滲漏險情最初表現,是渠道不均勻變形的起點,不均勻變形的發(fā)展又是渠坡裂縫開展、集中滲透破壞(管涌、流土)、失穩(wěn)滑坡等更加嚴重災害的誘發(fā)因子。
輸水渠道裂縫是其他險情的先兆,有些裂縫可能發(fā)展為滲透變形,引起滑坡險情。按其走向可分為橫向裂縫、縱向裂縫、龜紋裂縫,其中以橫向裂縫和滑坡裂縫危害性較大。
輸水渠道長期運行過程中因滲漏導致裂縫產生的主要過程有:
1)入滲水長期作用下渠堤基礎地質條件、物理力學性質在浸潤線上下產生差異;基礎邊界條件變化,填土高差懸殊,壓縮變形不相同,土壤承載能力差別大,引起不均勻沉陷裂縫。
2)渠堤與跨渠橋梁或過水涵洞等混凝土建筑物結合處,由于結合不良,在不均勻沉陷以及滲水作用下引起裂縫。
3)填筑料采用膨脹性泥巖或低液限粉土等細顆粒含量高的不良土質,引起干縮或冰凍裂縫。
根據北疆輸水渠道運行現狀調研成果,為了能夠在現場更加直觀地從滲透破壞險情的特征及表象上識別險情,將主要滲透破壞現象歸結為管涌型、流土型、集中滲漏型、散浸型、頂托型5種主要模式。
結合北疆供水渠道調研情況,易發(fā)生管涌的部位主要存在于總干渠與南干渠戈壁灘區(qū)域,渠道及建筑物地基中存在風化砂礫巖透水層,渠堤采用砂礫巖、戈壁料等無黏性土填筑。在部分平原沖擊扇渠道挖方段部分渠道為下方粗砂、表面粉砂層的雙層地基,也會發(fā)生相應的管涌破壞。
北疆供水渠道流土的易發(fā)渠段分布在接近尾部的平原沖擊扇區(qū)域,出險部位:(1)平原沖擊扇地區(qū)渠道及建筑物地基中存在出露的細砂、粉細砂、粉土地層。(2)采用建筑物外側粉質土、粉細砂填筑的填筑體。
北疆供水渠道集中滲漏主要發(fā)生在渠道與排洪涵、跨渠交通橋橋墩結合部以及渠道自身內部裂縫或孔洞處。不均勻沉降、變形等外因導致的建筑物結合面脫開,相鄰填筑土層滲透性差異大、土與混凝土結合面呈非整合結合狀態(tài)或結合部填土不密實導致接觸面集中滲漏,以及其他原因導致的貫穿通道等都是集中滲漏發(fā)生的前期誘因。
北疆供水渠道散浸是最常發(fā)生的險情,在運行期持續(xù)高水位情況下,滲水異常從背水側堤坡較高位置出逸,造成大面積坡面出水。散浸渠段均為填方或半挖半填,渠堤由透水性較好的風化砂礫巖填筑,一般地基下方具有泥巖構成的隔水層,導致滲漏水無法快速下滲而從渠坡背后出逸。渠堤外坡面的散浸危害主要是導致坡腳軟化,降低渠道外坡的邊坡穩(wěn)定,導致邊坡局部失穩(wěn)。
北疆供水渠道頂托型破壞發(fā)生于降水期,頂托破壞現象的發(fā)生主要是由于某一土層或結構體承擔的地下水頂托力過高而發(fā)生失穩(wěn)破壞。結合輸水渠道特點,其易發(fā)部位有:(1)渠道襯砌、防滲體下方排水不暢,而渠道水位大幅度快速下降。(2)排水體出口處排水反濾體排水功能失效或排水功能大幅度下降,排水反濾體承擔過大的水頭等。
北疆供水渠道滲漏滑坡險情發(fā)展過程包括滲漏—不均勻變形—內外坡拉裂—滑坡,滲漏—滲透破壞—滑坡,滲漏—揚壓力頂托—內坡滑坡三大類型。
滲漏—不均勻變形—內外坡拉裂—滑坡險情常見于戈壁灘泥巖段渠道。首先,渠堤產生因不均勻變形的橫向裂縫,裂縫處土體抗剪強度喪失,裂縫處集中滲流附加拖曳力成為附加滑動力,導致填方渠堤滑坡潰決。
滲漏-滲透破壞-滑坡險情常發(fā)生于平原沖擊扇區(qū)域無黏性粉土和分散性土渠道。滲透破壞造成的細顆粒大量流失、坡腳掏蝕等破壞,直接破壞渠堤出逸點附近或坡腳土體整體結構,由渠堤下方的坍塌進而引發(fā)整體潰決。
滲漏-揚壓力頂托-內坡滑坡險情常見于挖方分散性土、膨脹性土渠道水位降低的運行工況下。由于渠基內水外滲且渠槽水位下降產生的卸荷作用,迎水面渠坡下滑力增加。同時具有分散性、膨脹性的渠基土遇水后強度幾乎喪失形成流沙態(tài),導致渠坡坡腳首先破壞,進而引起渠坡整體滑塌。
北疆供水渠道建成后經過20余年運行,防滲、排水體系均已產生不同程度的老化,渠道運行期滲漏不斷加劇,致使險情頻發(fā)。通過現場調研結合工程運行管理資料分析,梳理北疆供水渠道滲漏險情誘發(fā)原因,包括防滲結構破壞、排水體系效率降低、膜后水位變動和渠道不良土質等。
因工程地質跨度大、渠道結構形式復雜、運行工況多變,北疆供水渠道的滲漏險情出險模式和致險機理復雜。將工程沿線典型頻發(fā)險情劃分為不均勻變形、襯砌破壞、裂縫、滲透破壞及滑坡等類型,針對不同險情類型和致險機理進行了梳理分析,為工程管理和處置提供了支撐。