南水北调中线膨胀土（岩）地段渠道破坏机理和处理技术研究

李青云，程展林，龚壁卫，郭熙灵，包承纲

（1．长江科学院，武汉 430010；2．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 概 述

南水北调中线工程总干渠全长1 432 km，渠道沿线地质条件复杂，穿越膨胀土（岩）渠段累计长约386．8 km。膨胀性土（岩）分布区地貌形态多为丘陵，垄岗和山前冲洪积、坡洪积裙，渠道挖深以小于15 m为主，局部渠段挖深15～30 m，少数渠段挖深超过30 m。膨胀土（岩）因其具有特殊的工程特性，易造成渠坡失稳，对工程的安全运行影响很大，而且其处理难度、处理的工程量和投资也较大，因此，膨胀土（岩）的处理是南水北调中线工程的主要技术问题之一［1］。

早在20世纪70年代，在该地区修建引丹渠首引渠时，就在膨胀土地段发生过13处大滑坡，为此花费了许多精力、时间和大量资金进行治理，当时所采用的方法以刚性支挡为主。南水北调中线工程膨胀土（岩）渠坡规模更大、地质条件更复杂，必须研究更为有效的工程措施，才能确保渠道工程安全可靠地运行。

南水北调中线工程经过多年的勘探、规划、设计，完成了大量的前期工作，为工程的实施奠定了基础。在总体可研阶段，膨胀土（岩）渠坡的主要处理措施是换填非膨胀黏性土［2］。但在工程实施阶段，这种处理措施仍有论证、优化或改进的必要。在膨胀土地区往往缺乏换填用的非膨胀性黏性土，绝大多数情况下需要远距离取土，不仅成本高，而且取土将破坏大量农田，同时渠道开挖的膨胀土（岩）弃料也会占用农田，因此，研究新的渠坡处理措施以利用开挖的膨胀土弃料是非常必要的。此外，以往在膨胀土渠坡破坏机理、稳定性分析方法上尚缺乏合理、可靠的理论，对于膨胀土（岩）渠坡处理措施、施工质量控制、处理效果等方面的关键性技术问题也未进行过有针对性的系统研究，对于可研阶段提出的各种处理方案的合理性、经济性和可靠性缺乏比较，更缺乏大规模的现场施工检验。

鉴于此，科技部和国务院南水北调办公室在国家“十一五”科技支撑计划项目“南水北调工程若干关键技术问题研究与应用”中专门设立“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”课题，课题的任务是研究南水北调中线膨胀土（岩）渠坡破坏机理并提出膨胀土（岩）渠坡稳定性分析方法；研究膨胀土（岩）渠道如何进行处理并提出经济可行的处理方案，为南水北调中线工程提出更为可靠合理的解决方案，最大限度地降低工程对环境的影响。

课题牵头单位长江水利委员会长江科学院会同长江勘测规划设计研究院、南水北调中线干线工程建设管理局、河南省水利勘测设计研究有限公司、河海大学和南水北调工程建设监管中心联合进行了攻关研究。经过3年多的室内和现场试验研究工作，取得大量研究成果。目前，课题研究工作已近尾声。本文将对课题的研究内容、技术路线、取得的进展和主要结论进行较为系统的介绍。

2 研究现状

膨胀土是一种遇水膨胀、失水收缩，胀缩效应十分明显的特殊黏性土。膨胀土（岩）对工程的危害是当今岩土工程界急需解决的全球性技术难题之一。

国外从20世纪30年代开始注意到膨胀土的破坏现象，并进行了有关研究。我国的水利、公路、铁路等部门从20世纪60年代开始，对膨胀土的结构、矿物成分以及膨胀土分类和膨胀基本特性等方面进行了试验研究并取得了大量研究成果［3－8］。在以后的二三十年中，对膨胀土的强度、变形所开展的研究工作从未间断，但这些工作大多是基于饱和土的理论进行的，在反映膨胀土的非饱和特性方面存在明显的缺陷，如不能反映膨胀土干湿循环过程中的强度、变形的变化，因此也很难全面反映膨胀土土体的工程特性。20世纪90年代开始，随着非饱和土试验研究技术的发展，国际上兴起了非饱和土研究热潮，膨胀土作为其中比较典型的非饱和土，受到更多的关注，研究者注意到不能再将膨胀土作为一般黏性土看待［9，10］。

膨胀土（岩）边坡的破坏形式一般为渐进性浅层破坏，而目前膨胀土（岩）边坡稳定分析主要采用极限分析法、有限元法等［11－15］，在抗剪强度参数的选取上往往采用折减法，土的本构关系也基本沿用饱和土的本构关系，不能反映膨胀土湿胀干缩特性以及膨胀力产生的独特作用，也很难全面反映降雨、裂隙、膨胀特性等因素对边坡破坏的影响，因此，尚不能正确反映膨胀土（岩）边坡失稳的特殊性。为此，急需针对南水北调中线工程的实际，在膨胀土（岩）渠坡破坏机理的研究基础上，提出适合膨胀土（岩）特性的边坡稳定分析方法。

在膨胀土的工程处理方面，水利、公路、铁路等部门以往多使用掺石灰、固化剂等改变膨胀土的胀缩性、提高强度的方法［16－20］，但这些方法应用于渠道工程可能存在环保问题［21］；近年来，随着新技术在岩土工程中的运用，土工格栅、土工布（膜）等土工合成材料开始用于膨胀土路堤的回填、路堑的处理和渠道防渗等工程中。目前这些技术更多的是借鉴其它工程的经验，如果应用于南水北调中线工程，则需要通过专门的试验研究工作从理论上对这些技术进行合理的分析，同时，需要大规模现场试验去检验这些措施的可行性，并解决工艺问题，以便有良好的施工工艺做保证，同时还要做经济性分析，这些都是以往试验研究所缺乏的。

围绕上述需求，本课题将首先系统研究南水北调中线膨胀土（岩）的胀缩特性、强度和变形特性、地质结构的分带特征等问题；并研究分析适合于中线工程膨胀土（岩）的处理技术；其后，开展室内辅助性试验，比较各种措施的处理效果；在膨胀土渠坡破坏机理研究的基础上，提出适合膨胀土（岩）特性的边坡稳定分析方法；选择膨胀土（岩）代表性渠段进行现场试验，通过大规模现场试验，验证和比较各种处理方案的合理性，根据膨胀土（岩）特性及工程地质条件，提出膨胀土（岩）地段渠坡处理的设计原则、处理措施和推荐方案的施工工艺及质量检测方法，最后研究提出膨胀土（岩）渠坡施工控制方法，为南水北调中线总干渠大规模施工积累经验，以达到保证工程质量、保障工程安全运行和节省工程投资的目的。

3 研究内容和技术路线

3．1 研究内容

本课题分解为4个专题和若干子题，专题设置及相应的研究内容如下。

专题1：膨胀土（岩）体基本特性研究。主要研究南水北调中线膨胀土（岩）的裂隙特征及其分布规律、膨胀土（岩）的理化及胀缩特性、膨胀土（岩）的强度与变形特性和非饱和渗透特性等。

专题2：膨胀土（岩）渠坡破坏机理及稳定性分析方法研究。对南水北调中线膨胀土（岩）渠坡的破坏形态、破坏特征和破坏模式进行研究分析，研究膨胀土（岩）渠坡的破坏机理，提出适合膨胀土（岩）渠坡的稳定分析方法。

专题3：膨胀土（岩）处理技术研究。选择土工合成材料和其它加固和改性技术，进行南水北调中线膨胀土（岩）处理、加固效果的试验研究，分析各种加固、处理技术效果和适用条件，在此基础上选择若干种处理措施，开展大规模现场试验，验证比较各种膨胀土（岩）渠坡处理方案的合理性。

专题4：膨胀土（岩）渠坡的设计与施工研究。主要进行南水北调中线膨胀土（岩）现场鉴别方法、综合处理措施方案设计及相应的施工工艺、膨胀土（岩）渠坡施工控制指标及质量检测方法等内容的研究，最终为编制相关的设计与施工导则提供依据。

3．2 技术线路

课题研究综合采用了室内物理力学性试验、物理模型试验、数值模型分析和现场试验等多种研究手段。所采取的技术路线阐述如下：

（1）通过室内基本特性试验，系统研究了南水北调中线膨胀土（岩）物理、水理、力学特性，并提供数值模型分析参数和相关的设计参数；

（2）通过现场试验段裸坡试验区模拟运行工况试验、室内大比尺物理模型、离心模型试验等揭示了膨胀土（岩）边坡破坏的模式和过程，分析了边坡失稳机理和主要的控制因素。在此基础上，分别采用了非线性有限元、非连续变形分析方法（DDA）进行膨胀土（岩）渠坡破坏过程模拟，提出了适合膨胀土（岩）渠坡特点的稳定性分析方法；

（3）通过专项辅助性试验，研究了膨胀土（岩）开挖料的压实性能，水泥改性膨胀土，土工格栅加筋处理膨胀土和土工袋技术处理膨胀土的机理和效果；

（4）通过典型渠段现场试验的实施和运行工况的模拟试验，验证室内试验提出的处理措施，并制定相关的施工工艺、施工质量控制方法和控制标准。

在膨胀土（岩）渠坡破坏机理以及处理技术试验的研究中，分别采用了静力物理模型、土工离心模型、现场试验以及数值分析等手段，这些手段在影响因素、比尺关系、相似性等方面各有优缺点，研究中充分注意了各种手段的优点、局限性和手段间的互补性，并进行交互验证，因而获得较好效果，具体介绍如下：

3．2．1 现场试验

在中线工程渠线上，选择膨胀土（岩）的典型地段（河南新乡膨胀岩渠坡处理试验段、河南南阳膨胀土渠坡处理试验段），开挖与中线渠道设计断面接近一致的渠道，进行近似原型试验，其膨胀土（岩）性质、地质特点、自重应力以及环境因素等各种因素完全与渠道运行实际情况相同，试验重点是进行渠坡破坏模式和处理措施效果的验证试验。

3．2．2 室内物理模型试验

无论是小比尺还是大比尺的膨胀土（岩）边坡模型，其土质结构、边坡的几何特征和应力状况均无法与原型保持完全一致，但岩土体的膨胀性完全相似，而且土质和环境因素可控制，边界条件明确，这种试验主要用于观测膨胀性在边坡失稳中的作用，同时还可以进行处理措施的防护机理研究和效果对比。

3．2．3 土工离心模型试验

模型边坡和原型渠坡几何和应力均相似，但只能取扰动样进行试验，在环境因素控制方面有局限性，重点进行破坏机理模式和压重效果的模拟研究。

3．2．4 数值模型分析

在模型试验研究结果基础上，根据膨胀土（岩）特性及边坡失稳模式和机理，专门开发适合膨胀土（岩）边坡稳定计算的方法，并对模型试验结果、原型实验结果进行拟合，在不断完善的基础上，进一步进行相关处理措施对比分析和敏感性分析。

综上所述，课题通过数值模拟和物理模型试验进行了膨胀土（岩）渠坡破坏机理研究，提出了膨胀土（岩）渠坡稳定性分析方法，分析研究了膨胀土（岩）处理措施的效果，通过现场试验进行效果验证，同时对各种处理措施的施工工艺参数进行对比分析，并提出了完整方案。

4 课题所取得的成果

4．1 膨胀土（岩）主要特性和改性试验

南水北调中线干线工程涉及的膨胀土（岩）包括第三系膨胀岩和第四系膨胀土。膨胀土（岩）主要分布在陶岔（渠首） 北汝河段、辉县 新乡段、邯郸 邢台段，此外，颖河及小南河两岸、淇河 洪河南、南士旺 洪河、石家庄、高邑等地也有零星分布。

据最新的工程地质勘探，在中线工程总干渠渠线上，分布有膨胀岩的渠段长169．7 km，分布有膨胀土的渠段长279．7 km（部分渠段既分布有膨胀土，又分布有膨胀岩）。在膨胀岩渠段中，强膨胀岩渠段长34．2 km，中等膨胀岩渠段长58．73 km，弱膨胀岩渠段长76．79 km；在膨胀土渠段中，强膨胀土渠段长5．69 km，中等膨胀土渠段长103．5 km，弱膨胀土渠段长170．5 km。

4．1．1 膨胀土（岩）的物理水理性能

不同地域膨胀土（岩）的分布、时代、成因等存在一定的差异，南水北调中线典型地段的膨胀土（岩）基本特性见表1。

4．1．2 膨胀土（岩）的强度特征

以中、弱膨胀土（岩）为主，主要研究了原状土（岩）的天然强度，裂隙对强度的影响规律，含水量变化（包括天然、饱和2种含水量）对有效应力强度的影响规律，裂隙面强度特征，不同条件下强度参数的取值，饱和状态的应力应变关系特性等；同时进行了击实样不同含水量条件下的有效应力强度试验；开展了现场大型剪切试验，并与室内原状样试验和扰动样试验结果进行对比分析，分析了尺寸效应对参数的影响。

在上述实验研究基础上，提出了合理的计算模型参数和膨胀土岩边坡的设计参数取值原则。

表1 中线总干渠典型渠段膨胀土（岩）基本特性参数Table 1 Characteristic parameters of typical expansive soil（rock）of MRP

4．1．3 膨胀土（岩）的膨胀性

主要研究了膨胀土（岩）不同含水量、不同应力状态下的膨胀特性等问题。

（1）利用固结仪进行了不同起始含水量至饱和状态下，击实样及原状样膨胀率和膨胀力试验；

（2）利用三轴仪测定膨胀土（岩）在不同应力水平下的膨胀体变及轴向应变，研究了偏应力对膨胀变形的影响；

（3）通过实验研究了不同膨胀等级的膨胀土（岩）含水量和密度对膨胀土（岩）模量、线膨胀系数的影响。

上述研究结果成为渠坡的压重防护处理措施中厚度选择的主要依据之一。

4．1．4 膨胀土（岩）的渠坡稳定分析参数

进行了膨胀土岩原状样天然状态及饱和状态下的应力应变关系试验，并提出变形模量及泊松比等计算所需的参数。

（1）研究了膨胀土（岩）渠坡应力应变分析中的指标（包括邓肯模型参数）的实验和取值分析；

（2）研究了膨胀土（岩）扰动样的膨胀性参数，包括不同起始含水率、密度和上覆压力下膨胀土（岩）的线膨胀性系数和膨胀率。

4．1．5 膨胀土（岩）开挖料的压实性能及改性试验

（1）用非饱和土理论和实验研究了压实土体的持水性能和工程性状。

（2）膨胀土回填料的压实度控制问题：膨胀土（岩）回填压实度的控制有别于一般黏土，压得越密后期的膨胀量越大，其压实密度既不能太小又不能过高，因此，用膨胀性岩土作为填筑材料，填筑后的膨胀性能是一个十分关键的控制因素。为此，系统进行了不同起始含水率、不同压实密度条件下的膨胀性（膨胀力和膨胀变形）试验，根据试验结果分析提出了膨胀土（岩）压实度双指标控制的依据，为土工格栅、土工袋等处理措施中的填料碾压控制标准提供分析依据。

（3）纤维改性：在膨胀土中掺入一定量的人工合成纤维，可形成“真正的”加筋土。进行了大量的室内试验，研究了不同材料、不同形状和不同长度纤维对膨胀土的膨胀性约束和抗拉强度提高的效果。

（4）水泥改性：进行了一系列水泥改性膨胀土试验。通过改性后的自由膨胀率试验，确定了水泥的最佳掺量；通过胀缩特性试验，研究了水泥改性对降低膨胀潜势的效果；通过无侧限抗压强度、压缩等力学性质试验，研究了水泥改性对膨胀土强度软化、模量软化的抑制效果。

4．2 膨胀土（岩）渠坡破坏模式和机理

根据以往的观测，膨胀土边坡失稳主要有2种类型：浅层滑动和深层滑动。在实际工程中，浅层滑动较为多见，主要发生在浅层大气影响范围内（2～3 m左右），这类渠坡失稳模式是本文研究重点。深层滑动则主要由软弱结构面控制，可按照通常的边坡稳定问题处理，不是本文讨论的重点。

从新乡膨胀岩渠坡处理试验段、南阳膨胀土渠坡处理试验渠道开挖过程以及开挖后工况模拟过程出现的渠坡失稳的现象看，渠坡失稳主要是浅层滑坡，且可分为2种类型：

第一种类型为开挖过程中的即时滑坡。从滑坡勘探看，失稳原因是由膨胀土固有的裂隙面组成有利于滑动的产状而产生滑坡，此类滑坡主要由裂隙面控制，属重力作用下的失稳，这一点在南阳膨胀土试验段反映得非常明显，例如，中膨胀土试验段7区渠道开挖中发生滑动，就是沿已有裂隙面（实测内摩擦角小于10°）滑动的。

第二种类型为滞后性滑坡，即开挖后渠坡是稳定的，但经过人工降雨或者一个阶段的自然降雨后，渠坡发生了滑动，一般为从坡脚向坡顶发展的逐级牵引式滑动破坏。例如，在新乡膨胀岩试验段裸坡试验区，中、弱膨胀岩 4种不同坡比（1∶1．5，1∶2．0，1∶2．5和1∶3．0）的裸坡，经人工降雨后，有 2个边坡失稳；在南阳膨胀土试验段裸坡试验区，中膨胀土实验区2种坡比（1∶1．5，1∶2．0）的裸坡经人工降雨后均发生破坏，弱膨胀土坡比为1∶2．0的渠坡在人工降雨后也发生滑坡（见本专辑中彩色插页1：试验段膨胀土（岩）渠坡失稳现象图片）。

观测资料显示，膨胀土渠道坡脚部位的位移比坡肩部位的位移大，表明边坡的失稳先从坡脚开始发生，然后逐步向上牵引式发展。这类滑坡事先没有明显的滑动面，如果按照通常的稳定性计算方法和强度折减计算，这类边坡在重力作用下是稳定的，它们之所以失稳应该与膨胀土（岩）膨胀性有关。

为验证这种想法，在室内专门进行了大比尺（与原型渠坡的尺寸比为1∶10）膨胀土边坡物理模型试验。模型试验采用强膨胀土（岩）、中膨胀土（岩）的扰动样分层压实，对于扰动样，膨胀土体固有的裂隙性和超固结性均已消除，只有膨胀性保留，3个模型的试验结果显现了膨胀土渠坡在没有裂隙以及重力很小的情况下，人工降雨产生滑坡过程（见本专辑中彩色插页3：模型试验中膨胀土（岩）渠坡失稳现象）。

通过物理模型试验和膨胀土（岩）现场渠坡人工降雨试验的综合分析，认为膨胀土（岩）坡失稳机理是与重力和膨胀性共同作用有关的。渠坡稳定的主要影响因素包括膨胀土岩的强度变化、膨胀性大小及裂隙的发育程度等。水分状态的改变（增加）导致膨胀性（膨胀变形、膨胀力）和遇水强度降低（降雨入渗土体饱和度增加，吸力减小），裂隙产生和发展是滑坡产生的促进因素，因此，膨胀土（岩）渠坡失稳表现出浅层性、时间效应、雨水的诱发等特征。

上述2种类型的失稳模式，其机理和处理办法均不相同。第一种类型的浅层滑坡主要受裂隙控制，只要裂隙产状组合有利，开挖时在重力作用下即发生滑坡，其处理办法为局部挖除，回填压实；第二种类型的失稳模式在挖方段、填方均存在，是本课题研究的重点，膨胀土（岩）渠坡稳定分析以及处理措施实验研究主要是针对这类失稳模式进行的。

4．3 膨胀土边坡稳定性计算方法

4．3．1 主要思路

以往，膨胀土边坡稳定分析方法主要有刚体极限平衡法和有限元法。刚体极限平衡法是边坡稳定分析的常用方法，其原理简单，比较实用。但边坡稳定计算方法仅考虑重力的影响而没有考虑膨胀性的影响，该方法仅适用于常规黏性土，不能考虑膨胀土（岩）的工程特性和其特殊的边坡失稳的模式，计算结果与膨胀土（岩）边坡破坏的实际情况有很大差异，容易产生误导。例如，对于膨胀土边坡在坡比1∶5的情况下仍然滑坡就无法解释［11］。显然，膨胀土（岩）渠坡稳定分析中必须考虑膨胀性（膨胀力和膨胀变形）在其中起的作用。

在膨胀土（岩）渠坡失稳模式和机理分析基础上，本课题重点筛选出影响边坡稳定的含水量和强度等关键因素，最终提出了与温度场等效的湿度场来模拟膨胀土边坡的吸湿变形，并建立了2套适用于膨胀土（岩）的边坡稳定分析方法，简略介绍如下（详见本专辑中相关文章）。

4．3．2 基于非线性有限元的膨胀土（岩）渠坡失稳数值模拟

采用流固耦合的非线性有限元分析方法，对膨胀岩边坡降雨失稳现场试验进行了数值模拟研究，在ABAQUS平台上改进了边坡稳定分析技术，使之能考虑膨胀岩的膨胀性、裂隙性以及非饱和膨胀土（岩）的吸湿软化特性。建立了一套能考虑水分入渗的膨胀岩土边坡的稳定分析方法，该方法设定降雨前后边坡含水量为分布场，抗剪强度、密度等参数为含水量的函数，可分析评价膨胀岩土边坡在降雨情况下的稳定性。通过现场试验数据验证了方法的合理性和有效性。数值计算结果表明非饱和膨胀岩的吸湿软化特性是膨胀岩边坡渐进性破坏的主要原因，膨胀性进一步加剧了这种影响；大气影响带膨胀岩的风化、干湿循环影响的浅层裂隙，是膨胀岩边坡浅层滑动的根源。

4．3．3 基于 DDA的膨胀土（岩）渠坡破坏过程模拟

非连续变形分析方法（简称DDA）能很好地分析非连续体的变形、破坏过程和稳定性，目前在岩石边坡等稳定分析和破坏过程中应用广泛［22，23］。本课题结合膨胀土（岩）渠坡的破坏机理和模式以及膨胀土（岩）的裂隙特性、膨胀特性，建立了DDA模拟膨胀土（岩）渠坡的破坏过程的分析方法。该方法能够模拟膨胀土（岩）渠坡在吸湿膨胀和强度降低作用下的破坏过程。计算结果表明，膨胀土（岩）渠坡在吸湿膨胀和强度降低后发生浅层顺坡向滑动破坏，与工程实际破坏现象吻合，很好地拟合物理模型和现场试验中的膨胀土（岩）渠坡失稳过程和破坏形态。表明用于模拟膨胀土（岩）渠坡的破坏过程是合理适用的，为膨胀土（岩）渠坡的稳定性分析开辟了新途径。此外，用DDA分析了边坡坡比、强度降低、膨胀率对膨胀土（岩）渠坡稳定性的影响，得出了一些具有工程指导意义的结论。

4．4 渠坡处理措施及室内研究

4．4．1 膨胀土（岩）渠坡处理的思路

膨胀土（岩）渠坡的失稳破坏，主要源于水对膨胀土（岩）体的作用。失稳范围为大气影响带，一般为地表以下2～3 m以内。由于失稳是土体遇水的膨胀性和强度软化引起，那么就针对性地采用改性或者防护等措施来解决。

在膨胀土的工程处理方面，以往多使用掺石灰、水泥、固化剂等改变膨胀土的胀缩性、提高强度的方法［16－20］。近年来，随着新技术在岩土工程中的运用，土工格栅等土工合成材料开始被用于路堤的回填、路堑的处理和渠道防渗等工程中［21］。

在膨胀土（岩）渠坡防护方面，主要是两种思路，一方面，尽可能避免膨胀土与外界的水份交换，防止岩土体胀缩变形反复发生；另一方面，遇降水时能够迅速排除表面和岩土体中的水分。两者的出发点均是保持膨胀土岩渠坡岩土体水分状态尽可能的少波动。

本课题考虑到南水北调中线工程主要用途为城市供水，为避免水质污染，将优先采用物理改性和／或加筋方式来处理膨胀土渠坡，避免换填取土大量破坏农田，同时要考虑开挖出的膨胀土再利用的问题，以免废土弃料占用大量耕地，有利于当地生态环境的建设，因此，重点研究了压重防护综合措施，用以替代初步设计中的换填黏性土方案。所建议的措施包括不同的方案，如土工合成纤维改性膨胀土、土工格栅加筋膨胀土、土工袋等形成的柔性挡墙等。

4．4．2 压重防护综合措施的原理分析

膨胀土（岩）渠坡如果不发生与外界的水分交换，其膨胀性就显现不出来，则在现有坡比下是稳定的。但现有的任何防护措施都不可能绝对隔绝与外界的水分交换，因此，可行的思路是控制膨胀土（岩）边坡一定深度范围内的含水量变化不致过大，以使由此引起的膨胀性可以控制得住。采用边坡表层压重使下伏土体吸湿时膨胀性受到约束，其理论压重厚度从膨胀土（岩）的室内膨胀性试验得出，不同膨胀等级的膨胀土采用不同的压重厚度（膨胀性越强，所需压重越大，厚度越大），并综合考虑大气影响深度和施工因素确定处理厚度，形成现场实施方案，换填黏土就是典型防护和压重措施，工程实施中效果良好。本课题重点考虑就地处理回填膨胀土岩的措施，形成综合护措施，实现改性、防护、压重和柔性支护一体化的综合思路。

改性：破坏表层（大气影响深度范围内）岩土体组成成分或原有结构，通过加筋、加固或者包裹使表层土体膨胀潜能减小或受到抑制；

防护：对下伏岩土体的隔离防护作用，隔绝与水和大气的接触，避免膨胀土（岩）渠坡水分状态发生变化，进而减小下伏膨胀土（岩）胀缩变形和膨胀力；

压重：改性土或者换填土体对下伏岩土体起到压重作用，抑制其膨胀变形；

柔性支护：极端情况下（如局部渗漏或地下水位变化），下伏岩土体由于湿度变化而产生的膨胀变形和膨胀力，能够为加筋土层或者改性层所抵抗或吸收，形成柔性支护，进而使其对渠道结构物的影响控制在允许范围内。

根据以上的思路，主要考虑的膨胀土（岩）处理方案有：土工格栅加筋膨胀土（简称土工格栅），土工袋包裹膨胀土（简称土工袋），水泥改性膨胀土（简称水泥固化土），纤维加筋膨胀土（简称纤维土）。

4．4．3 处理措施的室内试验研究

为了选定处理方案，进行了多种类型的室内试验。其中土工格栅方案的性能试验包括拉拔试验、直剪试验、三轴试验、蠕变试验和物理模型试验。通过室内专项试验研究和解决了如下问题：

采用大型拉拔试验研究了不同形式土工格栅用于加筋膨胀土的界面特性，土工格栅内部受力、变形和强度发挥等对加筋效果的影响；

采用物理模型试验研究了土工格栅的形式（单向和双向格栅）、土工格栅铺设间距对加筋效果的影响，为现场实验方案提供依据；

采用物理模型试验研究了加筋对控制边坡变形的效果以及边坡变形标准；

此外，对土工袋性能也由河海大学进行了专项研究，上述研究成果已有专文介绍，不再赘述。

4．5 现场试验及工况模拟

4．5．1 现场试验简况

根据室内试验遴选了几种以土工合成材料为主的处理措施，为验证它们的效果，在中线工程渠线上进行了现场试验。现场试验重点是：观测渠道开挖过程中的变形（卸荷变形和胀缩变形）、应力和含水量的变化规律；对换填黏性土、土工格栅加筋、土工袋、复合土工膜等处理措施，通过现场碾压试验，研究各种处理措施的施工工艺、碾压控制参数，确定适宜的施工方法和检测标准；对不同的膨胀土（岩）工程处理措施的效果进行现场观测，获取渠坡处理后膨胀岩体内的应力、变形、含水量等指标；并对各种处理措施进行综合评价。

现场原型试验分2个试验段：新乡膨胀岩渠坡处理试验段、南阳膨胀土渠坡处理试验段。

4．5．2 膨胀岩试验段试验区选取与布置

膨胀岩试验段位于新乡潞王坟，渠段长1．5 km，主要为挖方段，坡高一般15～42 m。试验段上部泥灰岩以弱膨胀性为主，下部黏土岩以中等膨胀性为主，局部为强膨胀性。试验区累计长568 m，共布置8个试验区，每个实验区长度70 m左右，按初步设计中渠道设计断面欠挖2 m进行施工：

1区为强化破坏试验区。本区为不采取任何处理措施的裸坡试验区，设定不同坡比，进行渠道蓄水检修循环和降雨蒸发干湿循环的强化试验，重点研究不处理条件下膨胀岩渠坡的稳定状态以及渠坡的破坏形式和破坏机理。

2区至6区主要比较中膨胀岩地段不同措施以及处理层厚度方案。其中，2至5区一级马道以下重点研究换填黏性土、开挖料回填＋土工格栅加筋或土工袋以及有关坡脚局部改良土与其它处理措施结合等；一级马道以上重点研究喷护水泥砂浆＋复合土工膜防渗、喷护水泥砂浆、砌石拱、开挖料回填＋土工格栅加筋、土工袋等措施。6区为干坡试验区，一级马道以下不衬砌、不浸水，以模拟一级马道以上为中膨胀岩的工况。

7至8区主要比较弱膨胀岩地段简化处理的方案。

上述方案中，除裸坡以外，其余方案均考虑进行局部破坏性试验，模拟衬砌局部开裂及防渗失效和渠坡处理层开裂防护失效等情况下各种处理方案的效果。

对于试验区，将观测断面分为重点观测断面和一般观测断面。对重点观测断面，按不同深度、层位，全面进行含水量、应力、变形等指标观测；对于一般观测断面，以变形观测为主，辅以局部的应力和含水量的观测。现场观测主要包括：应力场、变形场、孔压场（正或负孔压）和气象条件（包括降雨量、蒸发量等）。另外，采用人工降雨手段模拟大气降雨，加速渠坡岩体的干湿循环过程，降雨量和雨强根据当地最不利的气候条件确定。

本试验段开挖时间：2007年6月26日；完成时间：2008年6月；模拟运行工况的观测时间：2008年6月至2010年6月。目前，各项试验和观测仍正在进行中。

4．5．3 膨胀土试验段试验区选取与布置

南阳膨胀土试验段是中线总干渠工程的一部分，位于陶岔 沙河南段南阳市境内，起点位于南阳市卧龙区靳岗乡孙庄东，终点位于南阳市卧龙区靳岗乡武庄西南，全长2．05 km。以中等、弱膨胀土为主，有填方区，半填、半挖区以及挖方区，地下水位埋藏较浅。

整个试验段分为3个试验区，分别为填方试验区、弱膨胀土挖方试验区和中膨胀土挖方试验区。其中填方试验区又分为2个亚区，弱膨胀土试验区分为4个亚区，中膨胀土试验区分为7个亚区，每区长80～120 m，布置了不同的试验方案。

弱膨胀土现场试验区桩号101＋400至101＋850，总长450 m，分为4个区。

I至III区为3个处理措施试验区。对一级马道以下渠道开展3种处理措施试验，对一级马道以上开展4种保护措施试验。Ⅳ区为裸坡试验区，长120 m。

I至III区分别研究换填非膨胀土（Ⅰ区）、水泥改性（Ⅱ区）、土工膜（Ⅲ区）处理的效果及施工工艺，其中换填非膨胀土方案作为其它方案的对比。

IV区重点研究弱膨胀土破坏机理、大气影响带形成规律、开挖渠道临时保护措施，试验区一侧坡比1∶1．5，另一侧 1∶2．0。

中膨胀土现场试验区分为桩号101＋950至102＋550，总长600 m，共分7个区，其中处理措施试验区长各80 m，裸坡试验区长120 m。

一级马道以下主要安排换填土（Ⅰ区）、水泥改性（Ⅱ区、Ⅴ区）、土工袋（Ⅲ区）、土工格栅（Ⅳ区）、土工膜＋砂垫层5种处理措施（Ⅵ区）等6种防护措施；对应在一级马道以上安排换填土、水泥改性、土工格栅、土工袋、砌石联拱、菱形格构、砼六方格等7种防护措施。其中换非膨胀土方案作为其它试验方案的对比方案。

填方渠道试验区桩号100＋550至100＋790，长240 m，分2个试验区，各长120 m。其中100＋550至100＋670为试验Ⅰ区，主要研究内坡外包水泥改性土措施；100＋670至100＋790为试验Ⅱ区。主要研究内坡外包土工格栅方案。外坡研究的主要措施有：闭合六边形砼方格植草、直接植草等方案。

本试验段开挖时间2008年12月1日，完成时间为2009年3月21日。模拟运行工况时间为2008年3月至2010年9月。目前，各项试验和观测仍正在进行中。

4．5．4 试验段的试验成果简述

现场试验段取得成果以下几个方面：

（1）开挖期观测和现场原位试验。对开挖卸荷过程的渠坡的变形和应力进行了全过程观测和分析；进行了开挖期边坡破坏形态和模式观测和分析；对室内研制的渠坡临时保护材料进行了现场试验；进行了大型剪切试验和旁压试验等原位试验。

（2）膨胀土（岩）渠坡破坏模式和机理分析。通过试验段布置的不同坡比的裸坡试验区人工降雨试验，研究了膨胀土（岩）的大气影响深度，观测和分析了渠坡破坏模式和机理。

（3）处理措施施工工艺试验。通过碾压试验，提出了各种处理措施的施工工艺、质量控制、设计要点等；提出了施工质量控制办法。

（4）运行工况模拟试验。处理方案确定和实施后，进行了各种工况模拟实验，包含：正常工况模拟（一级马道以下蓄水，一级马道以上人工降雨和自然降雨）下渠坡响应；极端工况模拟：局部破坏试验、衬砌完全破损后渠坡响应试验。根据观测数据，对比了各种处理措施与不处理的渠坡在环境因素下的响应；对比了现场试验前后的现场原位测试结果。以边坡的变形和应力观测数据为基础，结合渠坡稳定分析成果，研究渠坡变形应力随时间、气候环境、应力环境等因素的变化趋势，预测渠坡变形和稳定状态，在此基础上初步评价了渠坡处理措施的合理性和可靠性。

目前两个试验段的观测仍在进行中。下一步将根据根据现场试验结果，对各种处理方案，从施工方便性和经济合理性等方面进行综合评价，最后推荐出总干渠膨胀岩渠坡的处理方案，包含土工格栅、土工袋、水泥改性等的使用部位和具体方案参数等，为南水北调中线工程膨胀岩渠坡处理设计和大面积施工提供指导和借鉴。

5 结 语

本课题结合南水北调中线工程的实际，重点研究了膨胀土（岩）渠坡破坏模式和破坏机理，提出了适合膨胀土岩渠坡的稳定分析方法；研究了不同膨胀性等级渠坡的处理措施，并通过现场试验进行了措施效果的评价，提出了各种措施的施工工艺和质量控制标准。

通过室内和现场试验，物理模型和数值分析等综合手段的研究，得出了如下的重要成果：

（1）对南水北调中线工程典型地段的膨胀土（岩）进行了系统的矿化分析、膨胀性试验、非饱和强度及应力应变关系试验研究，获得了膨胀土（岩）的基本特性参数及变化规律，为渠坡稳定分析及处理方案综合评价奠定了基础。

（2）在室内进行专项辅助性试验，包括膨胀土（岩）改性试验、土工格栅加筋膨胀土、土工袋包裹膨胀土的物理模型试验，为膨胀土（岩）渠坡处理措施的选择和方案的制定提供科学依据。

（3）提出了膨胀土（岩）渠坡失稳的几种模式，分析了破坏机理和特点。根据现场试验和物理模型系统全面地揭示了膨胀土（岩）边坡的破坏机理和模式；弄清了哪些可以用常规方法解决（如开挖期沿已有的结构面或裂隙面破坏，这是重力作用下的破坏），哪些要采用针对性的方法解决（如开挖期是稳定性，边坡很缓，但在降雨后产生滑动的浅层滑坡，这是膨胀性和重力在起作用）。

（4）研究提出了符合膨胀土边坡特点的稳定性计算分析方法：针对膨胀岩渠坡的破坏模式和破坏机理，建立了膨胀岩吸湿膨胀模型，开发了非线性有限元和非连续变形分析2种渠坡稳定分析程序，其有效性和合理性在试验段工程中进行了验证。

（5）系统提出了膨胀土（岩）渠坡处理主要措施的施工工艺、质量控制以及设计和施工导则。对比了几种先进措施的处理效果，对施工工艺和质量控制标准进行了研究。

（6）通过人工降雨、自然蒸发、渠道蓄水、埋设注水花管等方法模拟了各种运行工况，对各种处理措施的效果进行了现场验证，在此基础上，进行了综合评价，推荐了各种处理方案的应用条件和范围。

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