李燕波

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

為緩解我國水資源時(shí)間、空間分布不均的矛盾，自20世紀(jì)90年代末我國修建了大量長距離引調(diào)水工程，渠道作為主要的水工建筑物之一，在國民經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展中起到了關(guān)鍵作用[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)膨脹土渠道邊坡力學(xué)特性、劣化機(jī)理及改性等做了大量的研究。鄧銘江等[3]通過離心試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算研究了渠道膨脹土邊坡的淺層破壞機(jī)制、滲水抽排系統(tǒng)及加固措施，認(rèn)為邊坡破壞的決定性因素是淺層膨脹土開裂，其本質(zhì)是土體持續(xù)失水造成了土顆粒間強(qiáng)粘結(jié)接觸向及弱粘結(jié)接觸的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的裂隙發(fā)育；朱銳等[4]通過濕干凍融耦合循環(huán)下膨脹性渠道基土的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)研究了渠基膨脹土的力學(xué)特性變化，指出膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨濕干循環(huán)和濕干凍融耦合循環(huán)次數(shù)的增加逐漸向一般硬化型往弱硬化型(弱軟化型)發(fā)展；蔡正銀等[5-6]指出干濕凍融循環(huán)次數(shù)的增加是膨脹土土體抗剪強(qiáng)度下降的主要原因，并揭示了高寒區(qū)膨脹土渠道濕干-凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度衰減與結(jié)構(gòu)損傷雙重互饋破壞機(jī)制；陳永等[7-8]指出隨含水率的增加膨脹土體積變形由凍縮融脹向凍脹融縮轉(zhuǎn)變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性與凍融循環(huán)次數(shù)和含水率都有較大的關(guān)系，并隨著循環(huán)次數(shù)等增加趨于穩(wěn)定；劉志文等[9]研究了膨脹土水泥改性擊實(shí)試驗(yàn)、拌合工藝及碳化作用下土體的力學(xué)性質(zhì)變化等。

綜上，目前對(duì)于膨脹土已有大量的研究，但針對(duì)高寒地區(qū)膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定運(yùn)行分析及渠坡設(shè)計(jì)原則的研究較少，本文以實(shí)際工程為研究對(duì)象，研究成果以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某高寒地區(qū)渠道全長約136km，原渠高5m，加高后渠高7.5m，坡比1∶2，除尾部存在少數(shù)全填方渠段外，主要以挖方和半挖半填為主。渠道前段約4km地層為泥盆系和石炭系的中硬巖-堅(jiān)硬的巖石，裂隙發(fā)育；中后部約90%的渠段為老第三系的砂礫巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖等極軟巖，裂隙不發(fā)育，局部渠段有小褶皺。沿渠泥巖、砂質(zhì)泥巖分布較廣，沿渠底分布總長約為42km，占渠道總長的31%，屬中-強(qiáng)膨脹巖。

2 工程運(yùn)行及改造運(yùn)行情況分析

該工程于2000年建成并投運(yùn)，為季節(jié)性供水，每年4—9月份通水，其他時(shí)間停水檢修。第一個(gè)邊坡失穩(wěn)的高峰期出現(xiàn)在2001—2002年，分別滑坡397m和426m，主要集中在以紫紅色、雜色泥巖為主的膨脹性軟巖渠段；隨后管理部門于2003—2006年開展膨脹性軟巖的換填工作，換填渠段總長13.97km；自2009年起，邊坡失穩(wěn)又呈現(xiàn)出上升趨勢，2014年全年滑坡總長1.35km，且多為新滑坡。實(shí)踐證明，僅對(duì)渠道進(jìn)行換填在一定程度上降低了滑坡發(fā)生的頻率，尤其是換填后的2～3年效果較為明顯，但并不能從根本上解決膨脹土渠道邊坡失穩(wěn)問題。

2016年，管理部門對(duì)全渠段進(jìn)行了改造，改造后渠高增加至7.5m，渠道設(shè)計(jì)水深5.4～6.2m，采用薄層結(jié)構(gòu)防滲，自上而下為預(yù)制六角混凝土板襯砌，3cm厚膜上砂漿，0.6mm厚兩布一膜，3cm厚膜下砂漿，并在渠底設(shè)置了縱向排水和橫向排水，沿渠線設(shè)置了抽排集水井；針對(duì)膨脹性泥巖渠段完成了全斷面換填工作，在襯砌下方2.0m區(qū)域自上而下?lián)Q填0.5m厚砂礫石、1.5m厚白砂巖，如圖1所示。改造后渠道滑坡得到明顯改善，尤其膨脹土渠段至目前尚未發(fā)生大面積滑坡。

圖1 加高改造后渠道典型橫斷面圖

從工程設(shè)計(jì)角度分析，渠道設(shè)置有完善的防滲體系，且該工程地處高寒干旱地區(qū)，降雨少且地下水埋深大，渠道運(yùn)行期間渠基應(yīng)處于干燥狀態(tài)。但工程運(yùn)行期間，渠道沿線121處水位觀測管(54處同時(shí)設(shè)置集水井)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，幾乎所有監(jiān)測斷面渠基均不同程度的存在自由水。自由水賦存共有5中狀態(tài)：①干燥，即監(jiān)測管內(nèi)始終無水；②基本干燥，即絕大多數(shù)觀測日監(jiān)測管內(nèi)均無水，極少數(shù)測得水位小于渠道水深10%；③干濕交替，即監(jiān)測管內(nèi)有水、無水的觀測日各占約50%，有水日測得水位小于渠道水深30%；④基本飽和，即絕大多數(shù)觀測日監(jiān)測管內(nèi)均有水；⑤飽和，即全部觀測日監(jiān)測管內(nèi)均有水。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 防滲體下自由水賦存狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

為減少自由水賦存，避免干濕凍融循環(huán)引起膨脹土渠坡失穩(wěn)破壞，該工程沿線集水井均采用自動(dòng)化抽排作業(yè)，即當(dāng)井內(nèi)水位高于渠底縱排軸線高程2m時(shí)，開始抽水；井內(nèi)水位低于縱排軸線高程0.8m時(shí)，停止抽水。定義4種狀態(tài)來描述自由水水位—渠道水位—抽排作業(yè)效果：①雙向正比例關(guān)系，即自由水水位、抽排水量隨渠道水位上升而上升或增大；②單項(xiàng)正比例關(guān)系，即自由水水位與渠道水位無關(guān)，但抽排水量隨自由水水位上升而增大，③單項(xiàng)反比例關(guān)系，即自由水水位始終較低，但抽排水量較大；④相互影響，即上述3種情況均包括，無明顯規(guī)律。需要說明的是，全部54處同時(shí)設(shè)置集水井即水位觀測管的監(jiān)測斷面中未出現(xiàn)自由水水位低且抽排水量小的情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 自由水水位—渠道水位—抽排作業(yè)效果統(tǒng)計(jì)表

上述統(tǒng)計(jì)及分析表明，約80%以上的防滲渠基斷面均處于干濕交替-飽和狀態(tài)，對(duì)于膨脹土渠基的安全造成巨大隱患。通過換填砂礫石、白砂巖，并增設(shè)縱橫排、集水井可有效降低襯砌下自由水水位，但仍有約30%呈雙向正比例關(guān)系的渠道斷面抽排效果較差，主要原因是縱排或橫排系統(tǒng)堵塞失效，且渠道滲漏量過大，從而導(dǎo)致抽排作業(yè)未取得預(yù)期效果。

3 干濕凍融循環(huán)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)劣化分析

文獻(xiàn)[4]指出7次干濕凍融循環(huán)后膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別下降了44.0%和11.7%左右，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測得的膨脹土試樣劣化指標(biāo)見表3。

表3 室內(nèi)試驗(yàn)測得的膨脹土試樣劣化指標(biāo)

為定量研究干濕凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，對(duì)上表中計(jì)列的黏聚力c、摩擦角ψ及循環(huán)次數(shù)N進(jìn)行函數(shù)擬合，分別為：

c=-0.032N3+0.532N2-3.707N+28.62，R2=0.997。

ψ=-0.004N4+0.054N3-0.205N2+0.116N+16.06，R2=0.992。

為驗(yàn)證函數(shù)的準(zhǔn)確性，通過搜集不同干濕凍融循環(huán)次數(shù)滑坡渠段膨脹土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)函數(shù)進(jìn)行修正。真實(shí)測定的土體抗剪強(qiáng)度劣化指標(biāo)見表4。

表4 真實(shí)測定的土體抗剪強(qiáng)度劣化指標(biāo)

修訂的黏聚力c、摩擦角ψ及循環(huán)次數(shù)N擬合函數(shù)如下：

c=25.39N-0.17，R2=0.990。

ψ=-0.002N3+0.044N2-0.270N+16.27，R2=0.923。

通過對(duì)比可知，真實(shí)測定的黏聚力初期衰減更快，第2、3次循環(huán)平均衰減速度約為10%，衰減速度大于室內(nèi)測定值；內(nèi)摩擦角二者的趨勢總體相同。

4 渠道穩(wěn)定性驗(yàn)證

從工程造價(jià)和當(dāng)?shù)亟ㄖ牧系奶攸c(diǎn)出發(fā)，該工程采用砂礫石+白砂巖的換填方式改造渠道，取得了較好的效果。以下通過計(jì)算不同厚度換填土并考慮膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)劣化的工況，驗(yàn)證渠道邊坡的穩(wěn)定性。計(jì)算采用STAB軟件，地震工況采用擬靜力法，并使用邁達(dá)斯軟件、采用強(qiáng)度折減法驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性[10]。計(jì)算中使用的物理力學(xué)參數(shù)見表5、計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 土體參數(shù)

表6 邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總表

分析可知，白砂巖換填厚度與渠坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和安全系數(shù)減小平均幅度均呈正比例關(guān)系，即隨著換填白砂巖厚度的增加，渠坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)絕對(duì)值和安全系數(shù)隨渠基土干濕凍融循環(huán)次數(shù)增加而減小的平均幅度均呈增大趨勢；從滑坡形式看，隨著白砂巖換填厚度的增加，也從淺表層滑坡逐漸向深層滑坡變化。但對(duì)比方案1與方案5，方案1中各種工況渠坡的安全系數(shù)減小幅度遠(yuǎn)大于方案5，且當(dāng)渠基土經(jīng)過5次干濕凍融循環(huán)后方案5中各工況的穩(wěn)定系數(shù)已趨于穩(wěn)定，下降速度明顯減緩。主要原因是砂礫石屬于非黏性土，其穩(wěn)定的條件是土體的抗滑力大于滑動(dòng)力，且由于土體無黏性，故方案5滑坡形式為淺表層滑坡，且安全系數(shù)變幅相交方案1小；從土體滲透性分析，砂礫石和白砂巖的滲透系數(shù)一般在10-2量級(jí)和10-6量級(jí)，只換填砂礫石，渠道滲水雖然能快速的通過排水系統(tǒng)排出，但一旦遇到排水失效的情況，則膨脹土渠基長期處于浸水狀態(tài)，造成安全隱患；只換填白砂巖，渠道滲水排出較慢，且渠坡的安全系數(shù)隨渠基膨脹土干濕凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降較快，也不利于工程長期運(yùn)行安全。

綜上，方案3可充分利用砂礫石和排水系統(tǒng)快速排除渠道滲水，并利用白砂巖將滲水與膨脹土隔離開，并可將縱排設(shè)置于砂礫石與白砂巖之間，以確保渠道運(yùn)行安全。

5 結(jié)論與建議

(1)寒旱地區(qū)渠道防滲體下自由水的形成主要是渠道滲水，對(duì)于雙向正比例關(guān)系狀態(tài)的渠道斷面，即在渠道輸水期間抽排作業(yè)不能有效降低監(jiān)測管水位的斷面，其縱橫排水失效且渠道滲漏嚴(yán)重，為避免破壞滲水動(dòng)態(tài)平衡加劇干渠輸水損失、影響渠道運(yùn)行安全，渠道輸水時(shí)應(yīng)不進(jìn)行抽排作業(yè)，渠道停水時(shí)盡快摸排檢修。

(2)換填+縱橫排水管+集水井抽排的工程措施可有效提升膨脹土渠坡的穩(wěn)定性，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意換填總厚度應(yīng)大于凍土深度，以減少膨脹土凍融破壞；同時(shí)，還應(yīng)保證換填土性質(zhì)穩(wěn)定，宜采用上層非黏性土、下層黏性土的方式，并將縱排設(shè)置于兩種土體之間。

受試驗(yàn)設(shè)備和研究時(shí)間的限制，本文未逐年對(duì)渠基膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)劣化程度進(jìn)行試驗(yàn)分析，類似工程可參考本文結(jié)論并設(shè)置試驗(yàn)段作進(jìn)一步研究。