姚 剛

(費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400)

輸水干渠的穩(wěn)定運營與渠道設(shè)計能力、襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等相關(guān)[1-2]，同時，干渠承載土層也會直接影響渠道輸、調(diào)水能力，尤其是凍結(jié)性土層受凍脹、軟弱承載力影響，導(dǎo)致無法有效支撐起輸水干渠的承載面。李澤闖等[3]、沈筠等[4]為研究輸水干渠土體力學(xué)水平，采用顆粒流仿真計算方法，建立起了土體離散元計算模型，模擬干渠土體所處工程環(huán)境荷載，分別施加相應(yīng)邊界條件，計算獲得土體模型應(yīng)力、應(yīng)變特征，從宏、細觀力學(xué)兩方面評價土體承載力學(xué)特征。針對土體凍脹特性，劉擁華等[5]、馬玲等[6]通過室內(nèi)模擬凍結(jié)試驗，對土體的凍結(jié)演化過程開展了全方位分析，探討了土體凍結(jié)過程影響特性，分析控制土體凍結(jié)發(fā)展的有效措施，對實際工程抗凍脹設(shè)計具有參考意義。針對不良渠基土層，唐紫瓊等[7]、劉歡等[8]利用物化改良方法，施加高聚物改性劑等，研究改性土的承載力學(xué)水平，對灌渠工程建設(shè)有指導(dǎo)意義，但相關(guān)工程案例缺乏對土體凍脹過程的研究。因而，本文在許家崖水庫灌渠工程渠基土改良設(shè)計的背景下，綜合性開展土體力學(xué)與凍脹模擬試驗，探討改良設(shè)計對凍結(jié)土的凍脹力學(xué)特征影響，為實際工程土體改性設(shè)計提供參照。

1 研究概況分析

1.1 工程概況

許家崖水庫是臨沂地區(qū)重要蓄水庫，承擔(dān)著臨沂地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、防洪排澇等重要水利職責(zé)，對調(diào)節(jié)地區(qū)水生態(tài)、水環(huán)境以及供水體系，具有重要價值。圖1為許家崖水庫所在區(qū)域水系發(fā)育分布特征，上游為溫涼河干流，年徑流量超過120m3/s，水庫蓄水也是借助溫涼河充沛水資源，建立起了攔河大壩，從而匯聚了溫涼河、石井河等水資源。設(shè)計許家崖水庫庫容為2.93億m3，控制溫涼河、石井河河道流域集水面積分別為350、220km2，前者干流河道受控制長度超過50km。所規(guī)劃的一期許家崖水庫運營年限較長，而規(guī)劃中的二期水庫工程包括了輸水灌渠、溢洪道以及引水工程。作為水庫發(fā)揮灌溉、水資源調(diào)度的直接載體，許家崖水庫輸水工程目前在營干渠長度為48.5km，支渠長度為56.8km，年輸水量超過2800萬m3，是臨沂地區(qū)高橋、白彥農(nóng)業(yè)灌區(qū)主要供水來源地。輸水干渠運營能力是否能夠滿足上游供水流量需求，乃是干渠設(shè)計關(guān)鍵，特別是在高流量工況下，渠底、渠坡水土流失等問題，造成輸水效率不足。種種分析表明，許家崖水庫下游灌區(qū)干渠承載土層有必要開展改性治理，從巖土材料的承載本性方面，解決渠基土基礎(chǔ)力學(xué)問題。

圖1 許家崖水庫流域水系發(fā)育分布特征

1.2 試驗設(shè)計

為準(zhǔn)確研究許家崖水庫下游輸水灌渠承載渠基土力學(xué)特征，在模型試驗中所對應(yīng)的渠道處進行土層鉆孔，經(jīng)地勘分析，干渠承載土層以凍結(jié)粉土組成，分布厚度為2.5～4.8m，含水率測試為12.5%～16%，土樣表層分布有明顯孔隙，滲透系數(shù)為2.5×10-5～5.5×10-4cm/s。從現(xiàn)場實測表明，該干渠凍結(jié)粉土層承載能力無法滿足高流量25m3/s調(diào)水，同時梯形渠面的模袋式混凝土襯砌板受潛在凍土的凍脹效應(yīng)影響，襯砌板極易出現(xiàn)凍脹破壞，加劇灌渠輸水耗散。從已有工程經(jīng)驗考慮，初步選用木質(zhì)素為改良成分劑，試圖通過物化改良的原理，使渠基凍土承載能力、凍脹特性均能夠滿足運營要求，所采用木質(zhì)素成分如圖2所示[9]。

圖2 木質(zhì)素成分

從現(xiàn)場鉆樣取回實驗室后，首先測定其初始物理力學(xué)性質(zhì)，圖3(a)為原始凍結(jié)粉土試樣擊實試驗曲線，最大干密度為1.91g/cm3；在已知其最優(yōu)含水率的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場樣品進行重塑制作，并加入木質(zhì)素進行分層壓實，每層壓實后測量其含水率是否會發(fā)生偏差，若有偏差，則進行補水，確保改性土試樣含水率與初始值一致。所有樣品在制作后，均采用環(huán)刀法取樣，試樣直徑、高度分別為50、100mm，如圖3(b)所示。

圖3 土體制樣與擊實特征

為確保試驗結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映樣品強度、變形特征，采用STC-500三軸力學(xué)試驗裝置開展力學(xué)加載，凍結(jié)粉土凍脹試驗采用自研凍脹模擬試驗裝置，獲得土體凍脹演化過程，凍結(jié)過程控制在120h。根據(jù)已有工程中所采用的木質(zhì)素改良方案分析，含量分布為0.5%～4%，選合適的木質(zhì)素摻量，對改性土凍脹、力學(xué)均有正向作用。為此，本文設(shè)計有木質(zhì)素含量對比組，分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%，另有原狀土試樣(含量0%)。不僅如此，很多木質(zhì)素改良土工程中，常會摻加一定量的石灰，而石灰含量分布于0.5%～8%，故本文另設(shè)置石灰含量對照組，分別為0.5%、2%、3.5%、5%、6.5%、8%，兩組因素獨立分析，僅考慮單變量。三軸試驗中圍壓分別設(shè)定40、120、200kPa，基于各組試驗參數(shù)，依次開展力學(xué)、凍脹試驗，獲得改性土的凍脹力學(xué)變化特征。

2 改性劑成分對土體力學(xué)特征影響

2.1 木質(zhì)素含量

基于不同木質(zhì)素含量的改性土力學(xué)試驗，獲得了其應(yīng)力應(yīng)變變化特征，如圖4所示。

圖4 不同木質(zhì)素含量試樣力學(xué)曲線

分析圖4中兩圍壓下試樣應(yīng)變特征可知，木質(zhì)素含量不同，應(yīng)變曲線特征具有鮮明差異：當(dāng)木質(zhì)素含量為0%～1.5%時，試樣應(yīng)變呈應(yīng)變硬化性，只要應(yīng)變超過一定量值，則試樣發(fā)展成應(yīng)變快速發(fā)展、應(yīng)力緩慢上升的現(xiàn)象，圍壓40、120kPa下試樣分別在應(yīng)變3.1%、4.1%后進入該現(xiàn)象；當(dāng)木質(zhì)素含量為2%～3%時，試樣峰值應(yīng)力后具有應(yīng)力快速下降特征，短期內(nèi)應(yīng)變并未來得及快速增長，試樣峰值應(yīng)力前的彈性應(yīng)變占總應(yīng)變超過80%，特別是原狀土試樣(木質(zhì)素含量0%)應(yīng)力應(yīng)變曲線整體較緩，進入應(yīng)變硬化段后承載應(yīng)力并不高，而含量2%～3% 3個試樣分別在峰值應(yīng)力后，仍具有一定平緩應(yīng)力段，圍壓40kPa下三者試樣殘余應(yīng)力分別為149.2、204.9、279.8kPa。綜合應(yīng)變發(fā)展特征可知，木質(zhì)素含量會影響改性土應(yīng)變破壞特征，而圍壓作用對應(yīng)變發(fā)展的影響弱于木質(zhì)素含量；另一方面，較之原狀土，改性土試樣峰值應(yīng)力后的承載變形能力得到提高，有助于干渠承載及渠坡固結(jié)。

對比改性土承載應(yīng)力水平可知，同一圍壓下，木質(zhì)素含量愈高，則試樣應(yīng)力水平愈大，此種趨勢現(xiàn)象可取峰值應(yīng)力參數(shù)為宏觀對比。在圍壓40kPa下，原狀土試樣峰值應(yīng)力為60.9kPa，而木質(zhì)素含量0.5%、1.5%、3%試樣峰值應(yīng)力較之前者分別提高了1.04倍、2.74倍、7.4倍；同時，該圍壓下，木質(zhì)素含量0.5%～3% 6組試樣峰值應(yīng)力分布于123.9～512.1kPa，當(dāng)含量梯次遞增0.5%，試樣峰值應(yīng)力平均增幅為32.8%，而圍壓增大至120kPa后，6組試樣峰值應(yīng)力較之圍壓40kPa下同樣提高了32.8%～34.8%，且隨木質(zhì)素含量梯次變化，其峰值應(yīng)力平均增幅為33.2%，即圍壓增大，木質(zhì)素含量對試樣峰值應(yīng)力影響仍保持相對恒定，梯次變化下的促進幅度較為接近。

2.2 石灰含量

由于木質(zhì)素含量試驗組中石灰含量乃是固定參數(shù)，要分析石灰含量對改性土力學(xué)特征影響，需結(jié)合不同石灰含量下試樣力學(xué)特征，如圖5所示。

圖5 不同石灰含量試樣力學(xué)曲線

從圖5可看出，相同圍壓下，不同石灰含量試樣應(yīng)變走向特征保持一致，例如圍壓40kPa下，各試樣應(yīng)變均為應(yīng)變軟化特征，峰值應(yīng)力后，試樣均出現(xiàn)了殘余應(yīng)力段，且峰值應(yīng)變基本接近，為2.9%。圍壓增大至200kPa后，試樣應(yīng)變呈硬化特征，在應(yīng)變3.98%后，應(yīng)力長期的緩慢增長或穩(wěn)定不變，應(yīng)變卻變化較快，應(yīng)變硬化段試樣發(fā)生的應(yīng)變均接近8%，占各試樣總應(yīng)變的85%以上。從數(shù)據(jù)表現(xiàn)來看，石灰含量對試樣應(yīng)變影響較小，而圍壓作用會直接改變應(yīng)變發(fā)展趨勢[10]，即圍壓作用對改性土應(yīng)變影響強于石灰含量。

在石灰含量梯次變化過程中，改性土試樣應(yīng)力水平逐次遞增，但增幅在含量5%后減弱，同樣以峰值應(yīng)力參數(shù)為對比。在圍壓40kPa下，石灰含量0.5%～8% 6個試樣峰值應(yīng)力分布于244.1～537.6kPa，含量每增長1.5%，則試樣峰值應(yīng)力平均增大了17.7%，而含量5%～8%下試樣峰值應(yīng)力平均增長僅為6.9%。同樣現(xiàn)象在圍壓200kPa亦是如此，其峰值應(yīng)力較之圍壓40kPa下提高了29.2%～37.4%；隨含量梯次增長，峰值應(yīng)力平均提高了71.8kPa，增幅為16.2%，在含量5%～8%中峰值應(yīng)力分布于632.4～694.5kPa，平均增幅為4.8%。綜合分析可知，石灰含量會影響改性土承載應(yīng)力，但影響效應(yīng)局限于含量5%以內(nèi)，超過該含量后，承載應(yīng)力受之影響敏感性減弱。

3 改性劑成分對土體凍脹特征影響

干渠改良治理凍土不僅需要分析其承載力學(xué)水平，還要考慮其凍脹效應(yīng)，根據(jù)凍脹模擬試驗，獲得了改性土凍結(jié)過程中凍脹位移變化曲線，如圖6所示。

圖6 凍脹位移變化曲線

由圖6可看出，在不同木質(zhì)素含量試驗組中，隨凍結(jié)時間變化，試樣凍脹位移分為了2種類型：一種為“先快增后緩增”變化，轉(zhuǎn)折點位于凍結(jié)時間32h，此類型的木質(zhì)素含量分布于0.5%～1.5%，而另一種凍脹位移為持續(xù)穩(wěn)定遞增變化，在凍結(jié)時間0～120h內(nèi)，每8h內(nèi)凍脹位移增幅較穩(wěn)定，該類型試樣木質(zhì)素含量為2%～3%，凍脹位移平均增幅分布于6.9%～17.6%?？傮w上看，木質(zhì)素含量愈高，則試樣凍脹位移愈低，但在含量2%～3% 3個試樣之間，差幅較小，如含量2%試樣在凍結(jié)時間8～80h內(nèi)，凍脹位移分布為0.62～4.67mm，而含量2.5%、3%兩試樣在同凍結(jié)時間內(nèi)，凍脹位移較之前者分別僅減小了9.6%、20.5%?；谠囼灁?shù)據(jù)分析可知，通過物化改性，干渠凍結(jié)土凍脹效應(yīng)減弱，且控制木質(zhì)素成分在2%左右最宜。

相比之下，石灰含量對改性土凍脹影響較穩(wěn)定，各試樣凍脹位移曲線均保持一致，呈“快、慢增長”曲線特征。同時，石灰含量遞增，各試樣凍脹位移降幅較穩(wěn)定，如凍結(jié)時間40～80h內(nèi)，石灰含量0.5%試樣凍脹位移分布于11.48～14.43mm，而含量3.5%、5%兩試樣在該凍結(jié)時間內(nèi)凍脹位移分布于7.9～9.94、6.58～8.26mm，相比前者含量試樣，此兩試樣凍脹位移分別減少了31.1%、42.8%，差幅接近于梯次變化的平均降幅。由此可知，石灰含量對促進改性土抗凍脹作用較穩(wěn)定，保持合理的石灰含量即可確保試樣具有較好的抗凍脹能力[11-12]。

4 結(jié)論

(1)木質(zhì)素含量0%～1.5%與2%～3%時，試樣應(yīng)變分別呈硬化、軟化特征，圍壓作用不會改變木質(zhì)素對試樣應(yīng)變影響；木質(zhì)素含量愈高，則試樣應(yīng)力水平愈大。

(2)圍壓40、200kPa下，試樣分別具有“穩(wěn)定殘余應(yīng)力、較快應(yīng)變發(fā)展段”的顯著特征；石灰含量梯次遞增，試樣應(yīng)力提高，但在含量5%后增幅減弱。

(3)木質(zhì)素含量不同，差異體現(xiàn)在凍脹位移增長過程；木質(zhì)素含量愈高，則試樣凍脹位移愈低，且含量2%后差幅較小；不同石灰含量的試樣凍脹位移曲線呈“快-慢轉(zhuǎn)換增長”一致性特征。

(4)木質(zhì)素-石灰改良凍結(jié)粉土?xí)r，應(yīng)控制木質(zhì)素含量在2%、石灰含量5%最宜。