湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式及稳定性

朱 洵，李国英，蔡正银，黄英豪，张 晨，陈 皓

湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式及稳定性

朱 洵，李国英，蔡正银※，黄英豪，张 晨，陈 皓

（南京水利科学研究院岩土工程研究所，南京 210024）

针对北疆地区膨胀土渠道因季节性通水导致的边坡失稳破坏问题，通过建立简化地质条件的离心模型试验，得到了湿干循环下膨胀土渠道边坡的变形及破坏特征，提出了由渠道通水、停水引起的湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式；在此基础上，利用GeoStudio软件分析了不同裂隙分布形式对膨胀土渠道边坡渗流特性及稳定性的影响。结果表明：运行过程中渠基膨胀土开裂是引起渠道边坡发生浅层失稳破坏的决定性因素；渠道因季节性通水造成的湿干循环作用下膨胀土渠道边坡破坏模式主要由“子土块”剥落破坏及“后缘张拉裂隙的扩展”2种破坏相互混合叠加构成。对比数值模型中不同后缘裂隙深度下渠坡的安全系数可知，当裂隙贯穿区深度为0.5 m时（工况1），对应的安全系数下降幅度约为60%，但此时的安全系数仍较大，渠坡可视为稳定；而当裂隙贯穿区深度继续增加至1 m时，渠道的安全系数下降幅度达到约74%，此刻的安全系数接近一级安全等级阈值（1.25），渠坡虽仍为稳定，但已经具备了失稳的可能。边坡的浅层破坏主要由“子土块”剥落模式决定，而后缘张拉裂隙的扩展对渠坡的失稳起到促进作用。此外，数值模拟结果还显示裂隙的存在加剧了坡面表层土体的孔压波动，易造成表层“子土块”的剥落。研究成果为进一步揭示季节性通水诱发的膨胀土渠道灾变提供了参考依据。

膨胀土；渠道；边坡；湿干循环；离心模型试验；破坏模式；稳定性

0 引 言

膨胀土因富含蒙脱石、伊利石等黏土矿物，对外部环境的变化非常敏感，具有多裂隙性和强胀缩性，造成其分布地区工程事故频发[1-2]。例如，位于北疆的长距离供水渠道工程，累计穿越膨胀土段约占总长度的32%；同时渠道地处季节性冻土区，为了减少冻胀破坏，采取季节性供水，即每年4—9月通水，剩余时间停水。渠道每年的通水、停水过程对渠基膨胀土形成了明显的湿干循环作用。在此环境作用下，膨胀土开裂明显，造成其工程性质的劣化，从而导致膨胀土渠道边坡发生滑坡破坏，严重影响了渠道的供水效率。因此，有必要对因渠道季节性通水诱发的膨胀土渠道边坡破坏进行研究。

目前，国内外学者通过现场监测、模型试验及数值模拟等手段对膨胀土边坡的破坏模式及稳定性问题进行研究。Ng等[3-4]对不同人工降雨强度下的膨胀土边坡进行原位监测后指出，降雨入渗造成边坡浅层土体抗剪强度降低的同时也将该区域土体的发生局部被动破坏；孔令伟等[5-6]通过现场监测发现膨胀土边坡的破坏特征主要为表层土体的开裂，而陡坡在大气作用下发生渐进性破坏。但对膨胀土边坡进行现场监测也具有较大的局限性，主要体现研究的周期长且费用相对较高，难以普遍采用。而土工离心模型试验因其特有的“应力等效”及“缩尺缩时”效应，已成为研究膨胀土边坡稳定较为理想的手段。陈生水等[7-8]利用离心模型试验对干湿循环作用下膨胀土边坡的稳定性进行研究，发现干湿循环作用导致边坡裂隙的逐渐发育，降低了土体抗剪强度的同时为水分入渗提供了良好的通道，最终诱发了边坡的渐进式破坏；Take等[9]研究了边坡在干湿循环条件下含水率周期变化引起的渐进累积破坏过程；唐少容等[10]通过离心模型试验还原了季冻区U形渠道的冻胀破坏特征，结果表明渠道结构的冻胀破坏模式以向上抬升为主，同时沿法向向衬砌结构中心收缩。但在离心过程中也存在模型尺寸效应及测试条件滞后等问题，未能全面的还原膨胀土渠坡破坏过程。而数值模拟因对复杂几何和应力条件处理具有高灵活性和强适应性等特点，常用作对现场及离心模型试验的细化分析，主要在模拟膨胀土边坡经历长期干湿循环[11]、降雨入渗[12]、冻胀破坏[13]及冻融劣化[14]等作用下的破坏中得到应用。但目前相关的数值模拟研究多集中在考虑膨胀土非饱和特性（如非饱和强度、渗流等）对边坡稳定的影响，对膨胀土基本特性的影响，特别是裂隙性对膨胀土边坡整体稳定性影响的研究明显不足[15-16]，其主要原因是对膨胀土边坡破坏机理的不明确，造成最终的数值模拟结果难以清晰地反映膨胀土边坡渐进破坏过程。

因此，本文选取北疆供水总干渠膨胀土渠段为研究对象，通过建立简化地质条件的离心模型试验，提出了由渠道通水、停水引起的湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式；结合数值模拟结果进一步揭示膨胀土渠道边坡的破坏机理，为后续揭示北疆地区膨胀土渠道的劣化过程和灾变机理提供基础。

1 膨胀土渠坡的破坏模式

1.1 现场概况

渠道为梯形断面，其中横断面渠深5 m，坡比1∶2，渠底宽4 m。渠道采取季节性供水，每年4—9月通水，其他时间停水。渠道每年的通水、停水过程对渠基膨胀土形成了明显的湿干循环作用。同时，渠道穿越区域地下水位极深，在考虑渠基土水分变化时可忽略地下水的影响。需要说明的是，渠道工程位于阿勒泰地区，冬季夜间最低气温可达-40.3 ℃，夏季平均气温为20 ℃，年平均降雨量约为200 mm，属温带大陆性气候[17]，渠基土实际也经历了明显的冻融循环作用，而本文仅考虑湿干作用对膨胀土渠坡的影响，关于湿干和冻融耦合的问题将另撰文讨论。

1.2 离心模型试验

离心试验在南京水利科学研究院60 GT离心机上进行。试验选用的模型箱尺寸为0.68 m´0.35 m´0.425 m（长´宽´高），结合现场渠道实际最终确定模型比尺= 50。考虑渠道剖面对称性，以渠道中轴线为界模型渠道的断面的尺寸为：渠高100 mm，渠底宽度130 mm，渠坡坡比1∶2，渠肩宽度270 mm，渠底土层厚度为200 mm。试验用土取自渠道工程现场，土样具体性质见文献[18]。模型渠道边坡按先分层击实，后按设计尺寸进行切削的方法制作；模型目标干密度为1.48 g/cm3，对应压实度为95%。通过对模型进行放水-开机-停机-排水的方法模拟渠道的通-停水过程，其中通过离心机旋转产生的机室内对流空气模拟渠道经历的停水干燥过程。

渠道每年4—9月通水，其他时间停水，经过换算得到渠道每年的通水时长约为124 d，停水时长则为216 d。将实际时间按模型比尺50进行缩尺，最终确定离心场下模型首先经历80 min的通水湿润过程，随后再转入124 min的停水干燥过程，对应的渠基土经历了1次湿干循环。模型施加的湿干循环作用直至渠坡产生破坏时停止。

图1a和1b分别离心场下膨胀土渠坡在经历3次湿干循环后的最终失稳形态及对应的变形情况。渠坡最终失稳形态较初始并无明显变化，仅在坡顶部分产生约7 mm的沉降，对应原型为0.35 m。观察不同循环次数对应的整体坡面破坏形态（见图1c），发现渠坡破坏形式以浅层土体剥落为主；随着循环次数的增加，坡面的剥落程度逐渐增大。同时剥落的土体在坡脚附近形成堆积，失稳区域滑动面较为明显，走向与渠坡基本一致。模型渠坡上部出现大量不规则的干缩裂隙且相邻裂隙间的连通程度较高，同时在坡肩附近出现几条贯穿坡面的横向裂隙，如图1c阴影部分所示，其中横向裂隙最大开度接近4 mm，对应原型为20 cm。结合渠道最终破坏形态，将这部分横向裂隙定性为由浅层土体向下滑动所造成的滑动区域后缘张拉裂隙，同时采用直尺对渠坡下部剥落土体的厚度进行量测，得到剥落土体的厚度约为10 mm，对应原型厚度为0.5 m。

注：WDs为模型经历的湿干循环次数。下同

1.3 破坏模式

膨胀土渠坡破坏与其内部裂隙存在直接关系。考虑本次研究的渠基土内摩擦角[18]明显大于渠坡倾角（坡比1∶2），渠坡在自身重力作用下抗滑力大于下滑力（尤其在通水期），故渠坡的安全系数较高，暂不具备失稳可能。但对离心模型试验结果进行分析后发现，膨胀土渠坡发生浅层破坏的原因可大致归纳为以下2点：1）浅层土体的剥落；2）滑动区域后缘张拉裂隙的生成和演化。

渠坡浅层土体的剥落（图2）：蔡正银等[19]通过试验发现沿深度方向土体的开裂程度存在较大差异，尤其在近边界条件一侧浅层土体（贯穿区1）的裂隙沿深度方向几乎为定值；同时裂隙间连通程度较高，浅层土体已被完全分割为多个“子土块”，造成其可较容易从土体表面剥离，即“子土块”已完全与其周围及底部土体脱离。同样，在Konrad等[20-21]的现场试验中也出现了类似的“子土块”剥落情况，这也从侧面验证了“子土块”剥落这种破坏模式的存在。渠坡“子土块”的剥落将导致其浅层土体上覆压力的降低，这也会加快渠坡的失稳。需要说明的是，由离心模型试验结果可知，渠坡浅层“子土块”剥落现象将贯穿渠坡破坏的全过程。

图2 湿干循环下膨胀土渠坡浅层“子土块”剥落

同样，湿干循环作用也将促进渠坡滑动区域后缘张拉裂隙的发育。由离心试验结果可知，破坏区域滑动面的走向与渠坡基本一致。周炳生等[22]基于膨胀土边坡危险滑面受裂隙面影响的基本特征，将滑坡体的主滑面方向简化为沿渠坡走向。这里将延续这种简化方法，结合蔡正银等[23]通过试验观测到的土体内部裂隙发育方向发生偏转这一现象，认为渠坡滑动区域后缘张拉裂隙在向渠坡深部传播的过程中传播路径会发生偏转并逐渐汇聚成滑动带，当汇聚程度达到某一阈值后上部土体沿着裂隙滑动带整体向下滑动，造成膨胀土浅层渠坡的最终破坏。

综上，北疆膨胀土渠坡在经历通、停水过程引起的浅层破坏可视为由上述2种破坏模式相互混合、叠加造成的。建设之初渠坡土体的完整度较高，高压实度下坡面可认为无初始裂隙，如图3a所示；随着渠道运行时间的增加，浅层土体在经历湿干循环作用下的逐渐开裂，表面生成的“子土块”逐渐开始剥落并在坡脚处形成堆积，同时裂隙沿竖直方向逐渐向坡体内部发育，如图3b所示；当裂隙的扩展深度到达坡面临界深度h后（见图 3c），其传播路径发生偏转，此阶段裂隙在渠坡浅层顺坡面方向逐渐连通贯穿，伴随着坡面“子土块”剥落程度的增加，如图3d所示；在渠道经历最后一次停水阶段，渠基土首先由于渠水位的降低及“子土块”剥落共同导致浅层土体上覆压力下降明显，同时在通水期浅层失稳区域土体内部裂隙发育程度较高，停水后浅层土体内部渠水通过裂隙形成的优先路径（优势流）流出土体并在坡脚汇聚[24]；此外，渠道浅层土体内部裂隙在本次干燥过程中也将再次扩展，最终在渠道内部形成一套平行于渠坡的裂隙滑动带（图3e）。渠坡浅层土体在上述效应的共同作用下沿着裂隙滑动带发生整体滑移，最终造成膨胀土渠坡的浅层破坏。

注:hc为临界深度。α为坡度。下同。

2 裂隙的数值实现

膨胀土渠坡裂隙的处理是本次数值模拟的关键。目前对含裂隙膨胀土渠坡进行数值模拟时，一般采用以下2种方法：1）把裂隙以实体单元的形式在模型中直接呈现，一般以实际裂隙分布为基准，通过裂隙率不变等前提条件对裂隙进行合理等效，等效后的裂隙在进行后续渗透性和强度赋值时通常按均质材料考虑[25-26]；2）不考虑裂隙的具体尺寸及分布，将裂隙对土体的影响通过土体孔隙结构、土水特征曲线及持水性的变化进行体现[27-29]。

基于现场膨胀土边坡的原位监测结果，詹良通等[4]将膨胀土边坡内部的裂隙划分为主裂隙和次生裂隙，其中主裂隙的开裂时间通常较早且深度较大，对坡体渗流场影响显著，而次生裂隙开裂时间较晚，受到早期形成裂隙的抑制，一般深度浅、延展长度短，但数目上却远大于主裂隙，对土体强度和渗透性的影响同样不可忽视。类似地，Fredlund等[28]也建议在对含裂隙膨胀土边坡进行数值模拟时，建议将主裂隙和次生裂隙分开考虑。

考虑到本研究的膨胀土渠坡在经历湿干循环后所呈现出混合型破坏模式，故在进行数值模拟时选择将模型裂隙分解成主裂隙和次生裂隙，如图4所示，具体的分解过程如下：

1）离心模型试验中，膨胀土渠坡坡面上部靠近坡顶位置出现1条明显的张拉裂隙（后缘裂隙），其开度和深度均明显高于其他浅层裂隙。故在模拟中将其视为主裂隙，深度则与北疆地区环境的影响深度（2 m）一致[17]，如图4所示。主裂隙一般位于坡面上部，与渠道正常通水水位基本一致（距渠底4 m），故本次模拟仅考虑主裂隙的位置距离渠底4 m这种情况。

2）将渠坡浅部存在次生细小裂隙等效为一种材料，该材料较初始无裂隙土体渗透性更高，而强度则降低明显。考虑到渠坡浅层的裂隙发育极为充分，无法从数量上直接定义，结合蔡正银等[19]在裂隙沿深度方向呈区域分布的研究成果，自坡面向下依次分为贯穿区（1）、渐变区（2）及无影响区（3），通过控制膨胀土渠坡浅层不同区域深度的方法来对次生裂隙的发育程度进行表征。同时假设“子土块”发生剥落这一过程仅在贯穿区（1）内发生。

注：h1对应裂隙贯穿区深度，h2对应裂隙渐变区深度，h3对应裂隙无影响区深度。下同

需要说明的是，图3c及图4中的裂隙临界深度（h）为贯穿区（1）及渐变区（2）之和，而北疆地区环境的影响深度即为裂隙竖向扩展的极限深度（hmax）。

3 数值模型及计算方案

3.1 模型尺寸设定及边界条件

结合Geostudio有限元计算软件中的Seep/W模块和Slope/W对湿干循环作用下北疆膨胀土渠坡的破坏进行模拟。与离心模型试验类似，本模型也取渠道剖面的一半进行模拟，其中渠坡高度为5 m，渠坡采用坡比为1∶2，渠底基土厚度定为10 m，具体尺寸可参考图 4。模拟渠水入渗过程中设置坡面固定压力水头为4 m，通水时间为150 d，停水速率则通过控制降水时间来进行模拟。

3.2 计算参数

吴珺华等[30]采用滤纸法分别对完整及含裂隙膨胀土的水分特征曲线（soil water characteristics curve，SWCC）进行测定，发现两者的分布形态大致相同。类似地，袁俊平等[26]在模拟降雨入渗对含裂隙膨胀土边坡稳定性影响时也采用类似的结论，即假设无裂隙土与含裂隙土的SWCC曲线模型参数取值一致。本模拟也沿用这一结论，即忽略裂隙对SWCC曲线形态的影响，在模型计算中过程中假设含裂隙土SWCC参数取值与无裂隙土相同。本研究土体的SWCC曲线按FX模型进行模拟：

式中表示土体的体积含水率，cm3/cm3；为饱和含水率，cm3/cm3；表示吸力，kPa；表示残余含水率对应的吸力，kPa；为与进气值有关的拟合参数，kPa；e 为自然对数（定值）；和均为拟合参数，分别影响高吸力状态下土体的孔隙分布及SWCC曲线形态。拟合的具体参数如下：= 112 kPa，= 1.06，= 0.23，= 10 kPa。

考虑到渠坡内部沿深度方向裂隙分布存在较大差异，这里仍采用殷宗泽等[31]推荐的分层法，对不同深度土体的抗剪强度及渗透系数进行赋值。针对本文中涉及的北疆地区膨胀土，笔者先期进行了湿干循环次数对膨胀土强度影响的研究[18]，发现循环次数对膨胀土强度造成了明显的衰减，具体表现为土体初始完整状态的抗剪强度指标（初始抗剪强度指标）最大，随着循环次数的增加，对应的抗剪强度指标逐渐趋于稳定，即达到最终抗剪强度指标。本文将膨胀土渠坡沿深度依次划分为贯穿区、渐变区及无影响区，分别对应裂隙完全发育、部分发育和无裂隙区域。其中无影响区土体的抗剪强度参考朱洵等[18]的初始抗剪强度指标，而渐变区则取初始和最终抗剪强度指标的均值；饱和渗透系数赋值方式与强度赋值方法相同，具体情况如表1所示。

表1 抗剪强度及渗透系数汇总

同时，考虑到离心模型试验中浅层土体的裂隙发育充分且含水率极低，若采用常规赋值方法将土体的最终抗剪强度指标直接赋于裂隙贯穿区，这将高估这部分土体的强度，造成最终模拟结果偏安全。参考Khan等[21]在模拟膨胀土边坡浅表层破坏时的方法，将贯穿区内出现的“子土块”剥落这一破坏过程近似视作砂土滑动问题，通过减小贯穿区内土体黏聚力指标的方法实现对“子土块”剥落现象的模拟。需要说明的是，为了对模型进行简化，这里仅考虑主裂隙对渠坡渗流特性的影响。

3.3 模拟方案

停水后膨胀土渠坡发生的浅层破坏主要由表层“子土块”的剥落（第1类）及滑动区域后缘张拉裂隙的扩展（第2类）这2类破坏模式共同引起，在模型中可通过对裂隙的贯穿区、渐变区及主裂隙深度的组合变化来实现。

参考蔡正银等[17]关于北疆地区环境边界最大影响深度的研究成果，确定模拟中渠坡含裂隙土的深度为2 m，即贯穿区（1）+ 渐变区（2）=2 m；随后，通过改变贯穿区（1=0.5、1、1.5 m），研究第1类破坏模式对膨胀土渠坡稳定性的影响；而渠坡的第2种破坏模式则由主裂隙深度控制，这里直接考虑最不利情况，即将外部环境最大影响深度2 m直接作为主裂隙的深度。渠道的水位下降速率由停水历时控制，根据2018年渠道水位监测资料，确定本次模拟的停水历时为12 d，通水时间为150 d。本次模拟的计算工况为3组，具体设置见表2。

表2 计算工况

4 结果与分析

4.1 模型验证

考虑到在对数值模型的材料进行赋值时使用了较多的假设，在分析模拟结果前，需校核模型的准确性。为此，进行离心模型试验前，在距离坡面20 mm的位置设置了K2和K3这2个微型孔隙水压力传感器（BWMK型，量程0~300 kPa，分辨率0.50 kPa），具体埋设位置如图 5所示。

注：D、M、U为3个断面。

图6为模拟渠道第3次通水过程中K2、K3位置离心模型试验与数值模拟结果的对比（由于离心模型试验中使用传统的膜片式传感器，仅能测正孔隙水压力，这里仅对上述2个测点的正孔隙水压力进行对比）。可见数值模拟得到的孔隙水压力-时程曲线趋势与离心模型试验结果较为吻合，但数值计算获得的孔隙水压力均小于试验结果，其中原因可能为：1）数值模型未考虑停水过程中土体的变形对其孔隙水压力的影响；2）模型为二维，而实际裂隙的演化是一个三维过程，这也会一定程度上低估土体内部孔隙水压力的最终结果。

图6 离心模型试验与数值计算结果对比

4.2 裂隙分布对孔隙水压力的影响

前述可知，膨胀土边坡的破坏多集中在浅层。故本次模拟重点关注浅层含裂隙土体在渠水入渗及停水期间的孔隙水压力变化。沿渠坡表面垂直向下依次设置了3层（U、M和D断面），共计9个测点，具体分布同样如图5所示。

不同工况下9个测点孔隙水压力随时间的分布规律类似，限于篇幅，仅列出U1、M1和D1测点对应的关系曲线，见图7。由图可知，随时间的增加，稳定运行期孔压大致呈现出先快速增加并到达峰值，后趋于平稳的变化规律；随后渠道进入停水干燥阶段，对应的孔压也将逐渐降低。但注意到，随着裂隙贯穿区深度的增加，不同位置测点的孔压响应存在明显差异，下面以U1断面的孔压响应为例进行说明（见图7a）：1）不同深度测点的孔压到达峰值的时间存在较大差异，这可归因于渠坡主裂隙的存在，导致渠水最先由主裂隙进入渠身并沿着裂隙边壁向U断面深部进行渗透，表现为U1位置孔压最先到达峰值；待渠道稳定运行期结束（150 d），发现工况1的孔隙水压力明显高于其他2个工况，且随着测点深度的增加孔隙水压力的增幅也逐渐增大，这说明裂隙贯穿区深度的增加将导致渠水进一步渗入渠坡深部，最终造成渠坡较深区域孔压的增大。

图7 裂隙贯穿区深度对膨胀土渠坡渗流特性的影响

随后渠坡进入停水过程，由于渠道的停水历时相对较长（停水历时为12 d），渠道内部渠水下降较为平缓，仅在近坡面区域测点（U1、M1和D1）出现孔压陡降的现象，其他位置孔压的下降则较为平缓。但对比3个断面的孔压下降幅度，发现在距离渠坡1.5 m的处的3个测点（U3、M3和D3），随裂隙贯穿区深度增加，对应的孔压下降幅度也逐渐增大，这说明在停水阶段，裂隙贯穿区深度（1）的增加主要对渠坡较深区域的土体产生影响，具体表现为U3、M3和D3测点孔压的下降。

综上，裂隙贯穿区深度（1）对膨胀土边坡渗流特性的影响主要体现在以下2个方面：1）裂隙贯穿区深度（1）的增加加剧了坡面表层土体的孔压波动，尤其在渠道稳定运行初期和停水水位下降期这一现象尤为明显；2）随着裂隙贯穿区深度（1）的增加，距离坡面较深位置土体更易受到渠水位波动的影响。前者主要对渠坡表层土体造成影响，易造成表层“子土块”的剥落；而后者则主要影响渠坡内部土体的稳定，使得渠坡浅层土体在后缘张拉裂隙的作用下更易发生破坏。

4.3 裂隙分布对渠坡稳定性的影响

《水利水电工程边坡设计规范》（SL386—2007）中规定，以边坡安全系数为评价指标，水利水电工程边坡可分为5个级别，具体划分如表3所示。考虑到本研究对象为北疆输水渠道，渠道的安全运行对沿线经济影响重大，故将其安全等级设定为1级，即渠坡整体的安全系数需高于1.25。

表3 边坡稳定性状态划分

图8为工况1~3自渠道开始停水30 d内的安全系数变化曲线。不同工况对应的安全系数-时间的变化规律类似，均表现出先快速降低，后趋于稳定的变化规律。在渠道稳定运行结束时刻（150 d），随着裂隙贯穿区深度的增加，对应的渠坡安全系数呈现处逐渐降低的趋势。由渗流分析可知，裂隙贯穿区越深，渠水入渗的范围越大，对应的土体由自然重度逐渐变为饱和重度，进而导致其滑动力矩增加，最终造成渠坡整体安全系数的降低；同时，裂隙贯穿区深度的增加也会导致土体的抗剪强度的降低[18]，同样也能造成安全系数的减小。

图8 裂隙贯穿区深度对膨胀土渠坡稳定性的影响

随着渠道进入停水过程，考虑到渠道的水位下降过程较为平缓（停水历时为12 d），可认为渠道在停水结束时刻安全系数达到最低，如图8所示。当裂隙贯穿区深度为0.5 m时（工况1），对应的安全系数由8.87下降至3.71，下降幅度约为60%，但此时的安全系数仍较大，渠坡可视为稳定；而当裂隙贯穿区深度继续增加至1 m时，渠道的安全系数由5.61降至1.36，下降幅度达到约74%，此刻的安全系数接近一级安全等级阈值（1.25），渠坡虽仍为稳定，但已经具备了失稳的可能。

注意到，模型中将主裂隙深度直接设置为2 m，即环境最大影响深度，这可视为将第2种破坏模式（浅层滑动区域后缘张拉裂隙的扩展）对渠坡稳定性的影响做了放大处理（最不利工况）。当裂隙贯穿区深度（1）为0.5 m，对应渠坡的安全系数始终较高；但贯穿区深度（1）增加至1 m时，安全系数急剧降低并最终进入失稳状态。这表明渠坡的浅层破坏主要由第1种破坏模式（“子土块”剥落）决定，第2种破坏模式（后缘张拉裂隙的扩展）对渠坡的破坏起到促进作用。

5 结 论

本文以北疆膨胀土渠道为研究对象，通过离心模型试验及数值模拟方法对湿干循环下膨胀土渠坡的破坏模式及稳定性进行了研究，得到如下结论：

1）渠道运行中渠基膨胀土开裂是引起渠道边坡发生浅层失稳的决定性因素，主要由渠坡浅层裂隙及后缘张拉裂隙体现。

2）离心模型试验中，渠道因水位升降造成的湿干循环作用下膨胀土渠坡破坏模式有别于传统的牵引式滑坡，主要由“子土块”剥落破坏及“后缘张拉裂隙的扩展”破坏构成，2种破坏模式相互混合、叠加。

3）裂隙的存在加剧了坡面表层土体的孔压波动，易造成表层“子土块”的剥落；随着渠坡裂隙深度的增加，距坡面较深位置土体更易受到渠水位波动的影响，使得渠坡浅层土体在后缘张拉裂隙的作用下更易发生破坏。

4）对比模型中不同后缘裂隙（主裂隙）深度情况下渠坡的安全系数，边坡的浅层破坏主要由“子土块”剥落模式决定，而后缘张拉裂隙的扩展对渠坡的失稳起到促进作用。

土体在脱水过程与吸水过程对应的SWCC是不同的，之间存在明显的滞后效应。但本研究主要侧重于对“子土块”剥落及“后缘张拉裂隙的扩展”这2种破坏模式进行模拟，故在土体取值过程中忽略了滞后效应对最终SWCC曲线形态的影响。在后续研究中将进一步细化土体SWCC曲线参数的取值。

[1] 陆定杰，陈善雄，罗红明，等. 南阳膨胀土渠道滑坡破坏特征与演化机制研究[J]. 岩土力学，2014，35(1)：189－196. Lu Dingjie, Chen Shanxiong, Luo Hongming, et al. Study of failure characteristics and evolution mechanism of canal slope of Nanyang expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(1): 189－196. (in Chinese with English abstract)

[2] 包承纲. 非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J]. 岩土工程学报，2004，26(1)：1－15. Bao Chenggang. Behavior of unsaturated soil and stability of expansive soil slope[J]. Chinese Journal of Geotechnical ngineering, 2004, 26(1): 1－15. (in Chinese with English abstract)

[3] Ng C W W , Zhan L T , Bao C G , et al. Performance of an unsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration[J]. Géotechnique, 2003, 53(2): 143－157.

[4] 詹良通，吴宏伟，包承纲，等. 降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测[J]. 岩土力学，2003，24(2)：151－158. Zhan Liangtong, Wu Hongwei, Bao Chenggang, et al. Artificial rainfall infiltration tests on a well-instrumented unsaturated expansive soil slope[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(2): 151－158. (in Chinese with English abstract)

[5] 孔令伟，陈建斌，郭爱国，等. 大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究[J]. 岩土工程学报，2007，29(7)：1065－1073. Kong Lingwei, Chen Jianbin, Guo Aiguo, et al. Field response tests on expansive soil slopes under atmosphere[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(7): 1065－1073. (in Chinese with English abstract)

[6] 李国维，李亚帅，袁俊平，等. 引江济淮工程河道边坡膨胀土开裂规律及影响因素[J].农业工程学报，2018，34(12)：154－161. Li Guowei, Li Yashuai, Yuan Junping, et al. Crack development rule of expensive soil and its influence factors in river slope of Project of Leasing Water from Yangtze to Huai River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(12): 154－161. (in Chinese with English abstract)

[7] 陈生水，郑澄锋，王国利. 膨胀土边坡长期强度变形特性和稳定性研究[J]. 岩土工程学报，2007，29(6)：795－799. Chen Shengshui, Zheng Chengfeng, Wang Guoli. Researches on long-term strength deformation characteristics and stability of expansive soil slopes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(6): 795－799. (in Chinese with English abstract)

[8] 王国利，陈生水，徐光明. 干湿循环下膨胀土边坡稳定性的离心模型试验[J]. 水利水运工程学报，2005，12(4)：6－10. Wang Guoli, Chen Shengshui, Xu Guangming. Centrifuge model test on stability of expansive soil slope under alternation between drying and wetting[J]. Hydro-science and Engineering, 2005, 12(4): 6－10. (in Chinese with English abstract)

[9] Take W A, Bolton M D. An atmospheric chamber for the investigation of the effect of seasonal moisture changes on clayslopes[C]// Proc Int Conf on Physical Modeling in Geotechnics. Rotterdam Netherlands: Balkema, 2002: 765－770.

[10] 唐少容，王红雨，潘鑫，等. U形混凝土衬砌结构冻胀性能离心模型试验研究[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：157－163. Tang Shaorong, Wang Hongyu, Pan Xin, et al. Frost heave performance of U-shaped canal concrete lining based on centrifuge model test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 157－163. (in Chinese with English abstract)

[11] 殷宗泽，徐彬. 反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析[J]. 岩土工程学报，2011，33(3)：454－459. Yin Zongze, Xu Bin. Slope stability of expansive soil under fissure influence[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(3): 454－459. (in Chinese with English abstract)

[12] Jun Zhang, Dallas N L, Narain Hariharan, et al. Prediction of climate specific vertical movement of pavements with expansive soils based on long-term 2D numerical simulation of rainwater infiltration[J]. Computers and Geotechnics, 2019, 115: 103172.

[13] 王羿，王正中，刘铨鸿，等. 基于弹性薄层接触模型研究衬砌渠道双膜防冻胀布设[J]. 农业工程学报，2019，35(12)：133－141. Wang Yi, Wang Zhengzhong, Liu Quanhong, et al. Double membranes cushion layout for preventing frost heave damage based on elastic thin contact model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 133－141. (in Chinese with English abstract)

[14] Mohammad Khan, Sahadat Hossain, Asif Ahmed, et al. Investigation of a shallow slope failure on expansive clay in Texas[J]. Engineering Geology, 2017, 219: 118－129.

[15] Zhang Jian, David Zhu, Zhang Shihua. Shallow slope stability evolution during rainwater infiltration considering soil cracking state[J]. Computers and Geotechnics, 2020, 117: 103285.

[16] Zeng Ling, Xiao Liuyi, Zhang Junhui, et al. Effect of the characteristics of surface cracks on the transient saturated zones in colluvial soil slopes during rainfall[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2019. doi: 10.1007/s10064-019-01584-1.

[17] 蔡正银，黄英豪. 咸寒区渠道冻害评估与处治技术[M]. 北京：科学出版社，2015.

[18] 朱洵，蔡正银，黄英豪，等. 湿干冻融耦合循环作用下膨胀土力学特性及损伤演化规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，2019，38(6)：1233－1241. Zhu Xun, Cai Zhengyin, Huang Yinghao, et al. Research on mechanical properties and damage evolution law of expensive soils under the cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(6): 1233－1241. (in Chinese with English abstract)

[19] 蔡正银，朱洵，黄英豪，等. 冻融过程对膨胀土裂隙演化特征的影响[J]. 岩土力学，2019，40(12)：4555－4563. Cai Zhengyin, Zhu Xun, Huang Yinghao, et al. Influences of freeze-thaw process on evolution characteristics of fissures in expensive soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2019, 40(12): 4555－4563. (in Chinese with English abstract)

[20] Konrad J M, Ayad R. Desiccation of a sensitive clay: Field experimental observations[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1997, 34(34): 929－942.

[21] Khan M S, Hossain S, Ahmed A, et al. Investigation of a shallow slope failure on expansive clay in Texas[J]. Engineering Geology, 2017, 219: 118－129.

[22] 周炳生，王保田，张海霞，等. 基于整体刚体平衡法的膨胀土边坡稳定分析[J]. 岩土力学，2016，37(增刊2)：525－532. Zhou Bingsheng, Wang Baotian, Zhang Haixia, et al. Analysis of expansive soil slope stability based on whole rigid body equilibrium method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(Supp.2): 525－532. (in Chinese with English abstract)

[23] 蔡正银，朱洵，黄英豪，等. 湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律[J]. 岩土工程学报，2019，41(8)：1381－1389. Cai Zhengyin, Zhu Xun, Huang Yinghao, et al. Evolution rules of fissures in expansive soils under cyclic action of coupling wetting-drying and freeze-thaw[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(8): 1381－1389. (in Chinese with English abstract)

[24] Puppala A J, Manosuthikij T, Chittoori B C S. Swell and shrinkage characterizations of unsaturated expansive clays from Texas[J]. Engineering Geology, 2013, 164: 187－194.

[25] 李雄威，孔令伟，郭爱国. 膨胀土堑坡雨水入渗速率的影响因素与相关性分析[J]. 岩土力学，2009，30(5)：1291－1296. Li Xiongwei, Kong Lingwei, Guo Aiguo. Effects and correlation analysis of infiltration velocity of expansive soil cut slope[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(5): 1291－1296. (in Chinese with English abstract)

[26] 袁俊平，蔺彦玲，丁鹏，等. 裂隙诱导各向异性对边坡降雨入渗的影响[J]. 岩土工程学报，2016，38(1)：76－82. Yuan Junping, Lin Yanling, Ding Peng, et al. Influence of anisotropy induced by fissures on rainfall infiltration of slopes[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38(1): 76－82. (in Chinese with English abstract)

[27] Li J H, Lu Z, Guo L B, et al. Experimental study on soil-water characteristic curve for silty clay with desiccation cracks[J]. Engineering Geology, 2017, 218: 70－76.

[28] Fredlund D G, Houston S L, Nguyen Q, et al. Moisture movement through cracked clay soil profiles[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2010, 28: 865－888.

[29] Qi S, Vanapalli S K. Hydro-mechanical coupling effect on surficial layer stability of unsaturated expansive soil slopes[J]. Computers and Geotechnics, 2015, 70: 68－82.

[30] 吴珺华，杨松. 滤纸法测定干湿循环下膨胀土基质吸力变化规律[J]. 农业工程学报，2017，33(15)：126－132. Wu Junhua, Yang Song. Changes of matric suction in expansive soil under drying-wetting cycles using filter paper method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 126－132. (in Chinese with English abstract)

[31] 殷宗泽，韦杰，袁俊平，等. 膨胀土边坡的失稳机理及其加固[J]. 水利学报，2010，41(1)：1－6. Yin Zongze, Wei Jie, Yuan Junping, et al. Mechanism of slope slide of expansive soil and reinforcement for the slope[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 41(1): 1－6. (in Chinese with English abstract)

Failure modes and slope stability of expansive soil canal under wet-dry cycles

Zhu Xun, Li Guoying, Cai Zhengyin※, Huang Yinghao, Zhang Chen, Chen Hao

(,,210024,)

Expansive soil is rich in clay minerals such as montmorillonite and illite and it is very sensitive to change of the environment. Aiming at the problem of slope instability and damage caused by seasonal water flow in expansive soil canals in northern Xinjiang, the deformation and failure characteristics of expansive soil canal slopes under wet and dry cycles were studied by establishing a centrifugal model test that simplified geological conditions. The failure mode of expansive soil canal slopes was caused by canal water flow and water stoppage; on this basis, the influence of different fissure distribution on seepage characteristics and stability of expansive soil canal slopes was analyzed by using GeoStudio software. The results showed that the cracking of the expansive soil in the canal foundation during the operation of the canal was the decisive factor for the shallow instability of the canal slope. In the centrifugal model test, the shallow damage caused by the expansive soil canal slope during the process of passing through and stopping the water was caused by the mixing and superposition of the 2 failure modes. At the beginning of construction, the integrity of the soil on the slope of the canal was high, and the initial slope had no initial cracks. With the increase of the canal operation time, the shallow soil underwent the wet-dry cycle effect. Under the gradual cracking, the "sub-soil blocks" generated on the surface gradually began to spall, and at the same time, the cracks gradually developed into the slope in the vertical direction when the depth of the cracks reached the slope. After the critical depth of the surface, its propagation path was deflected. At this stage, the cracks gradually passed through the shallow slope of the canal slope along the slope surface with the increase of the "soil mass" exfoliation degree on the slope surface. As shown in the canal during the last stage of water stoppage, the overburden pressure of the shallow soil firstly decreased due to the decrease of the water level of the canal and the exfoliation of the "sub-soil mass". The internal fissures in the soil were developed to a high degree. After the water was stopped, the internal canal water in the shallow soil flew out of the soil through the preferential path formed by the fissures and converged at the foot of the slope. This drying process was extended again, eventually forming a fissure parallel to the canal slope sliding band in the internal canals. Under the combined effect of the above effects, the shallow soil layer in the canal slope slid along the fissure slip zone, eventually causing the shallow failure of the expansive soil canal slope. The existence of cracks aggravated the pore pressure fluctuation of the surface soil on the slope surface, which easily caused the surface "sub-soil blocks" to peel off. With the increase of the crack depth of the canal slope, the soil deeper from the slope surface was more susceptible to the fluctuation of the canal water level, making the shallow soil on the canal slope more vulnerable to damage under the action of tension cracks at the trailing edge. Comparing the safety factor of the canal slope at different depths of the trailing edge cracks in the model, the shallow failure of the slope was mainly determined by the "sub-soil block" exfoliation pattern, and the extension of the trailing edge tension cracks promoted the slope instability.

expansive soils; canals; slope; wet-dry cycles; centrifuge model test; failure mode; slope stability

朱 洵，李国英，蔡正银，黄英豪，张 晨，陈 皓. 湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式及稳定性[J]. 农业工程学报，2020，36(4)：159－167. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.019 http://www.tcsae.org

Zhu Xun, Li Guoying, Cai Zhengyin, Huang Yinghao, Zhang Chen, Chen Hao. Failure modes and slope stability of expansive soil canal under wet-dry cycles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 159－167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.019 http://www.tcsae.org

2019-10-21

2019-12-10

国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项（2017YFC0405100）；国家自然科学基金项目（51879166、51709185）；中央级公益性科研院所基金基本科研业务费项目（Y319006，Y320010）；冻土工程国家重点实验室开放基金（SKLFSE201909）

朱 洵，博士后，主要从事环境岩土方面的研究工作。Email：18913013229@163.com

蔡正银，教授级高级工程师，主要从事土的基本性质与土工测试、土的本构理论、土工离心模拟技术方面的研究工作。Email：zycai@nhri.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.019

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1002-6819(2020)-04-0159-09