高寒地區膨脹土渠道邊坡穩定關鍵技術問題

李燕波

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

為緩解我國水資源時間、空間分布不均的矛盾，自20世紀90年代末我國修建了大量長距離引調水工程，渠道作為主要的水工建筑物之一，在國民經濟社會的發展中起到了關鍵作用[1-2]。國內外學者針對膨脹土渠道邊坡力學特性、劣化機理及改性等做了大量的研究。鄧銘江等[3]通過離心試驗及數值計算研究了渠道膨脹土邊坡的淺層破壞機制、滲水抽排系統及加固措施，認為邊坡破壞的決定性因素是淺層膨脹土開裂，其本質是土體持續失水造成了土顆粒間強粘結接觸向及弱粘結接觸的轉化導致的裂隙發育；朱銳等[4]通過濕干凍融耦合循環下膨脹性渠道基土的三軸固結排水剪切試驗研究了渠基膨脹土的力學特性變化，指出膨脹土應力-應變關系隨濕干循環和濕干凍融耦合循環次數的增加逐漸向一般硬化型往弱硬化型(弱軟化型)發展；蔡正銀等[5-6]指出干濕凍融循環次數的增加是膨脹土土體抗剪強度下降的主要原因，并揭示了高寒區膨脹土渠道濕干-凍融循環作用下的強度衰減與結構損傷雙重互饋破壞機制；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變，應力-應變曲線特性與凍融循環次數和含水率都有較大的關系，并隨著循環次數等增加趨于穩定；劉志文等[9]研究了膨脹土水泥改性擊實試驗、拌合工藝及碳化作用下土體的力學性質變化等。

綜上，目前對于膨脹土已有大量的研究，但針對高寒地區膨脹土渠道邊坡穩定運行分析及渠坡設計原則的研究較少，本文以實際工程為研究對象，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-堅硬的巖石，裂隙發育；中后部約90%的渠段為老第三系的砂礫巖、砂巖、泥質砂巖、泥巖等極軟巖，裂隙不發育，局部渠段有小褶皺。沿渠泥巖、砂質泥巖分布較廣，沿渠底分布總長約為42km，占渠道總長的31%，屬中-強膨脹巖。

2 工程運行及改造運行情況分析

該工程于2000年建成并投運，為季節性供水，每年4—9月份通水，其他時間停水檢修。第一個邊坡失穩的高峰期出現在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，邊坡失穩又呈現出上升趨勢，2014年全年滑坡總長1.35km，且多為新滑坡。實踐證明，僅對渠道進行換填在一定程度上降低了滑坡發生的頻率，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問題。

2016年，管理部門對全渠段進行了改造，改造后渠高增加至7.5m，渠道設計水深5.4～6.2m，采用薄層結構防滲，自上而下為預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，并在渠底設置了縱向排水和橫向排水，沿渠線設置了抽排集水井；針對膨脹性泥巖渠段完成了全斷面換填工作，在襯砌下方2.0m區域自上而下換填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

從工程設計角度分析，渠道設置有完善的防滲體系，且該工程地處高寒干旱地區，降雨少且地下水埋深大，渠道運行期間渠基應處于干燥狀態。但工程運行期間，渠道沿線121處水位觀測管(54處同時設置集水井)監測數據顯示，幾乎所有監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：①干燥，即監測管內始終無水；②基本干燥，即絕大多數觀測日監測管內均無水，極少數測得水位小于渠道水深10%；③干濕交替，即監測管內有水、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，即絕大多數觀測日監測管內均有水；⑤飽和，即全部觀測日監測管內均有水。統計結果見表1。

表1 防滲體下自由水賦存狀態統計表

為減少自由水賦存，避免干濕凍融循環引起膨脹土渠坡失穩破壞，該工程沿線集水井均采用自動化抽排作業，即當井內水位高于渠底縱排軸線高程2m時，開始抽水；井內水位低于縱排軸線高程0.8m時，停止抽水。定義4種狀態來描述自由水水位—渠道水位—抽排作業效果：①雙向正比例關系，即自由水水位、抽排水量隨渠道水位上升而上升或增大；②單項正比例關系，即自由水水位與渠道水位無關，但抽排水量隨自由水水位上升而增大，③單項反比例關系，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，無明顯規律。需要說明的是，全部54處同時設置集水井即水位觀測管的監測斷面中未出現自由水水位低且抽排水量小的情況。統計結果見表2。

表2 自由水水位—渠道水位—抽排作業效果統計表

上述統計及分析表明，約80%以上的防滲渠基斷面均處于干濕交替-飽和狀態，對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%呈雙向正比例關系的渠道斷面抽排效果較差，主要原因是縱排或橫排系統堵塞失效，且渠道滲漏量過大，從而導致抽排作業未取得預期效果。

3 干濕凍融循環膨脹土抗剪強度指標劣化分析

文獻[4]指出7次干濕凍融循環后膨脹土的黏聚力和內摩擦角分別下降了44.0%和11.7%左右，根據室內試驗測得的膨脹土試樣劣化指標見表3。

表3 室內試驗測得的膨脹土試樣劣化指標

為定量研究干濕凍融循環次數對膨脹土抗剪強度指標的影響，對上表中計列的黏聚力c、摩擦角ψ及循環次數N進行函數擬合，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。

為驗證函數的準確性，通過搜集不同干濕凍融循環次數滑坡渠段膨脹土體抗剪強度指標，對函數進行修正。真實測定的土體抗剪強度劣化指標見表4。

表4 真實測定的土體抗剪強度劣化指標

修訂的黏聚力c、摩擦角ψ及循環次數N擬合函數如下：

c=25.39N-0.17，R2=0.990。

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

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

4 渠道穩定性驗證

從工程造價和當地建筑材料的特點出發，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。以下通過計算不同厚度換填土并考慮膨脹土抗剪強度指標劣化的工況，驗證渠道邊坡的穩定性。計算采用STAB軟件，地震工況采用擬靜力法，并使用邁達斯軟件、采用強度折減法驗證計算結果的可靠性[10]。計算中使用的物理力學參數見表5、計算結果見表6。

表5 土體參數

表6 邊坡抗滑穩定安全系數計算結果匯總表

分析可知，白砂巖換填厚度與渠坡抗滑穩定安全系數和安全系數減小平均幅度均呈正比例關系，即隨著換填白砂巖厚度的增加，渠坡抗滑穩定安全系數絕對值和安全系數隨渠基土干濕凍融循環次數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。但對比方案1與方案5，方案1中各種工況渠坡的安全系數減小幅度遠大于方案5，且當渠基土經過5次干濕凍融循環后方案5中各工況的穩定系數已趨于穩定，下降速度明顯減緩。主要原因是砂礫石屬于非黏性土，其穩定的條件是土體的抗滑力大于滑動力，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一般在10-2量級和10-6量級，只換填砂礫石，渠道滲水雖然能快速的通過排水系統排出，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，造成安全隱患；只換填白砂巖，渠道滲水排出較慢，且渠坡的安全系數隨渠基膨脹土干濕凍融循環次數的增加而下降較快，也不利于工程長期運行安全。

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

5 結論與建議

(1)寒旱地區渠道防滲體下自由水的形成主要是渠道滲水，對于雙向正比例關系狀態的渠道斷面，即在渠道輸水期間抽排作業不能有效降低監測管水位的斷面，其縱橫排水失效且渠道滲漏嚴重，為避免破壞滲水動態平衡加劇干渠輸水損失、影響渠道運行安全，渠道輸水時應不進行抽排作業，渠道停水時盡快摸排檢修。

(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定性，在工程設計中應注意換填總厚度應大于凍土深度，以減少膨脹土凍融破壞；同時，還應保證換填土性質穩定，宜采用上層非黏性土、下層黏性土的方式，并將縱排設置于兩種土體之間。

受試驗設備和研究時間的限制，本文未逐年對渠基膨脹土抗剪強度指標劣化程度進行試驗分析，類似工程可參考本文結論并設置試驗段作進一步研究。