灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究

张西法

（费县许家崖水库管理中心，山东 临沂 273400）

不论是溢洪道、大坝等大型水工建筑，还是输水干渠、闸室等小型水工设施，考虑岩土体材料稳定性[1，2]，有助于提高水工设计水平，对后续水工建筑运营标准、运营能效提升均有帮助。李丽华等[3]、沈筠等[4]为研究岩土体材料力学特征，借助颗粒流PFC等离散元仿真方法，从模型微观特征、物理力学参数影响入手，开展了离散元模型的三轴模拟加载分析，评价了土体宏、细观应力、应变影响变化特征。邵应峰等[5]、胡再强等[6]基于室内试验方法和结果，分析了土体试样在冻融、干湿等不同物理作用或其他自身因素影响下[7]应力、应变变化过程，丰富了土体宏观力学基础试验研究成果。针对不良土体，钱健等[8]、韦富杰[9]通过物化改性、植物体改良等方法，对改良后土体力学、渗透等特性开展了对比分析，探讨了不同改性治理方法下土体承载能力与抗渗能力的变化。基于许家崖水库黄土体在木质素改性下力学特性，分析了木质素掺量、含水率等因素对土体宏观力学影响，并在相应衬砌结构中开展了冻胀仿真计算成果对比，为工程改良黄土体设计提供了依据。

1 试验方法

1.1 工程概况

许家崖水库是临沂地区重要的地表蓄水枢纽，借助温凉河充沛水资源拦坝蓄水建成，承担着地区农业灌溉、水力发电、防洪排涝、生态补水等重要任务，流域内水系分布如图1所示。

图1 许家崖水库流域内水系分布

从图1 可以看出，许家崖水库处于温凉河中下游，控制着温凉河、石井河汇入区河段流量，有助于梯级调节河道流量。工程资料表明，水库设计总库容为2.93 亿m3，控制河道集水面积超过580 km2，上、下游河道长度超过54 km，经一、二期规划建设，水库枢纽包括溢洪道、输水干渠、主、副坝以及发电厂房等水利设施。通过许家崖水库智慧水利监测系统，可以宏观呈现各类水工设施运营现状，实时控制各类水工设施运营效能，确保水库枢纽工程运营可靠性。许家崖水库作为与农业生产密切相关的枢纽设施，不仅设有引水隧洞等水力发电建筑，同时设有引水干渠等输水通道，与高桥、白彦等农业灌区干、支渠构建起立体式灌溉系统，面向农业生产年输供水量超过2800 万m3，惠及干、支渠长度超过150 km。从许家崖水库工程、下游输水干渠工程调查得知，在水库溢洪道消能池末端、泄洪闸基、灌区渠基等处，出现有分布较广的弱风化黄土体，其塌陷性以及固结性均不利于工程运营。水库管理部门考虑针对重点区域黄土体开展治理设计，为区域内黄土整治提供参照。

1.2 试验方法

为研究许家崖水库分布黄土治理设计，从引水干渠分布的渠基土取样，针对其开展治理设计，并分析其治理后渠道防冻胀效果。TSZ-3B 三轴力学试验设备如图2 所示，该试验设备轴向荷载精度为0.5%，最大轴荷为200 kN，剪切速率量程为0.001～4.8 mm/min，加载台面最大向上引伸高度为90 mm，台面内试样尺寸最大可为100 mm。该试验设备配置有LVDT 位移监测传感器和机器自身红外线测量装置，前者量程为-15～15 mm，精度可达0.01%，测量波动频率为0.01 Hz；后者测量装置量程较大，可为-25～25 mm，试验中常作为机器限位保护装置。不论是轴荷加载还是围压加载，加载系统均配置有活塞作动器，确保加载过程每一步序均处于可控状态。试验前，对所有试验设备进行了误差标定，以减少机器误差干扰。

图2 TSZ-3B三轴力学试验设备

鉴于黄土分布涉及溢洪道、输水干渠以及部分发电厂房，且现场原位测定表明许家崖水库黄土物理力学参数均较为接近，含水率差异性较大为13.5%～22%，渗透系数为3.6×10-5～7.8×10-5cm/s，土层厚度为1.8～4.6 m，本试验从输水干渠现场钻孔取样，获得黄土体原状土样，取样面位于高桥灌区桩号6+230处，土样所在渠面如图3所示。黄土体的治理分为物化改性与人工夯实等方法，从室内试验对比考虑，采用物化改性治理方案，通过原状土样与木质素的混合[10]，制作成木质素改良黄土体，探讨改良土样在输水干渠中的承载力以及抗冻胀效果。木质素与木质素改良黄土体试样分别如图4（a）—（b）所示，所有试样均与木质素混合重塑，经分层压实与含水率控制后，制作出满足试验要求样品。改良黄土试样击实特征曲线如图4（c）所示，最大干密度为1.62 g/cm3，较原状黄土体试样干密度整体水平有所提高。所有制备后试样在饱和桶内完成8 h 饱和后才可开始力学试验。

作为黄土体改良治理重要一环，木质素掺量控制较为关键。在击实试验中，共有多个木质素掺量样品，分布为1%～5%，而改良后土样含水率同样设定有14%、16%、18%、20%、22%5 组不同梯次方案，并设定有一组原状黄土试样（掺量0、含水率18%）。试验中，围压设定为120、240、360 kPa，各组试验参数详见表1。基于木质素改良方法下黄土体力学试验结果，对输水干渠衬砌结构冻胀特征开展对比分析。

表1 试验因素设计

2 木质素改良下黄土体力学特征变化

2.1 木质素掺量影响

基于两围压下典型试样力学试验结果，获得了木质素掺量影响下的试样应力应变特征，如图5 所示。从图5 可以看出，围压120、360 kPa 下，在各木质素掺量下，试样应力应变特征呈现一致性变化特征，前者围压下试样具有应变软化特征，在峰值应变3.6%后出现应力下降，降幅分布为34.3%～37.6%；而后者围压下试样在应变4.8%后出现长期的应变硬化，塑性应变占据了应变4.8%～16%后主导地位。由此对比可知，改变木质素掺量，不会影响改良黄土试样应变破坏特点，即木质素成分含量多或少，在同一围压下对试样应变的宏观破坏影响较弱，这决定了木质素成分可在整体提高应力水平中发挥作用[11，12]。

图5 木质素掺量对改良黄土试样应力应变特征影响

当围压为120 kPa 下，木质素掺量1%～5%试样峰值应力分布为274.8～733.97 kPa，而原状土试样峰值应力仅为133.5 kPa，在木质素掺量梯次递增时，其峰值应力平均增长了114.8 kPa，平均增幅为29.5%，木质素掺量1%～3%内，从原状土至掺量3%，试样峰值应力提高了333.6 kPa，而在掺量3%～5%梯次时，试样峰值应力的增幅为20.6%，量值增长了125.6 kPa，即木质素掺量对峰值应力的提高具有“饱和点”。当围压增大至360 kPa后，因试样峰值应力并不显著，故以应变15%处应力为宏观峰值应力，较之围压120 kPa 下，试样应力整体平均提高了1.04～1.1 倍，随木质素掺量梯次递增，其宏观峰值应力参数提高了230.4 kPa，平均增幅与围压120 kPa下较为接近，为28.8%。分析表明，围压提高，木质素掺量对试样改良效果仍具有较显著效果，但从工程治理考虑，控制木质素掺量在“饱和点”以下更为合理。

2.2 含水率影响

同理，基于含水率组试样力学试验，获得了含水率与木质素改良黄土力学特征关系如图6所示。从图6 可以看出，同一围压下不同含水率试样应力应变曲线特征具有差异性：围压120 kPa 下含水率14%～18%3 个试样应力应变呈现应变软化特征，在峰值应力后均具有一定降幅，分布为39.7%～48.5%，而含水率20%～22% 2 个试样分别在应变5.3%、5.1%后具有应变塑性强化特点，应变硬化特征较显著。同样的现象在围压240 kPa下亦是如此，即使改变围压，含水率对改良土体应力应变影响仍保持一致现象。总体上看，含水率较低时，改良土体具有应变脆性特点，峰值应力后会有下降段，而含水率较大时，由于水分、孔隙等非稳定因素占比超过了应变破坏主导地位，因而在塑性应变段具有长期稳定性。

图6 含水率与改良黄土试样应力应变特征关系

整体上看，含水率与改良土试样峰值应力为负相关关系，围压120 kPa下，含水率14%～22%试样峰值应力分布为250.5～741.7 kPa，随含水率梯次变化，峰值应力平均减少了122.8 kPa，降幅为26.8%；而围压增大至240 kPa 后，峰值应力分布平均提高了15%～60.7%，分布为288.1～986.4 kPa，受含水率梯次影响，该组围压下峰值应力平均减少了174.6 kPa，降幅为22.1%。从各含水率梯次方案峰值应力对比来看，围压120 kPa 下含水率14%增长18%时，峰值应力降幅依次为24.8%、26.6%，而在含水率20%～22%下降幅为27.5%、27.7%，与平均降幅相比差距较小；同样围压240 kPa 下也有此种现象。分析可知，改良黄土试样应力水平在含水率因素削弱影响下较为均衡，在含水率梯次变化过程峰值应力的降低较稳定。综合对比可知，围压增大，试样应力水平能提高，同时也会减弱含水率对改良土试样峰值应力削弱作用。

3 木质素改良下黄土渠基冻胀特性变化

基于高桥灌区桩号6+230 处渠道断面设计，开展改良黄土渠基下衬砌结构冻胀特征分析，简化部分附属渠坡面后的剖面如图7 所示。衬砌结构中，底板、坡板厚度均为8 cm，渠底面、坡面断面分别为2、2.5 m，地下水位位于渠底面下方1.6 m。在ABAQUS 中引入地基弹性梁本构模型，渠基土物理力学参数以掺量3%改良黄土设定，进而开展衬砌结构冻胀仿真特征分析。

图7 渠道剖面尺寸

基于同一木质素掺量3%下不同含水率改良黄土渠基的冻胀特征计算，获得了渠底板断面上冻胀位移变化特征，如图8所示。

图8 渠底板冻胀位移变化特征

从图8 可以看出，在渠底板断面上两侧渠坡脚处冻胀位移均为0，且整体上冻胀位移呈对称分布特征，峰值冻胀位移位于断面1 m 处，此规律在各含水率方案下均是如此，且总体上改良渠基土衬砌结构冻胀位移水平均低于原状渠基土方案。当渠基土含水率递增，冻胀位移值均提高，含水率14%方案下渠底板峰值冻胀位移为2.71 mm，而含水率18%、22%下峰值冻胀位移较前者分别提高了1.5、3.9 mm，增幅分别为55.5%、144.3%，随含水率方案梯次变化，峰值冻胀位移平均增长了0.98 mm，平均增幅25.1%。相比之下，在原状土渠基中，各含水率组试样峰值冻胀位移分布为4.1～20.5 mm，随含水率梯次变化，其峰值冻胀位移增幅为49.9%。原状土渠基中[13，14]，衬砌结构冻胀变化受含水率影响更为敏感，冻胀危害更大，即木质素改良黄土有利于提高黄土渠基衬砌结构抗冻胀能力。

4 结论

（1）木质素掺量不会影响改良土试样应力应变曲线特征，围压120、360 kPa下分别具有应变软化与应变塑性强化特征；木质素掺量愈多，改良土应力愈高，但增幅以掺量3%以下更显著，随木质素掺量梯次变化，围压120、360 kPa下试样峰值应力分别提高了29.5%、28.8%。

（2）同一围压下含水率不同，应力应变曲线具有差异性，含水率14%～18%与20%～22%改良土试样分别呈现应变软化、应变硬化特征；含水率与改良土峰值应力为负相关关系，随含水率梯次变化，围压120、240 kPa 下分别平均降低了26.8%、22.1%，降幅在各含水率方案间较为稳定。

（3）研究获得了渠底板冻胀位移在断面上呈对称分布特征，峰值冻胀位移位于断面1 m 处，改良土渠基衬砌结构冻胀位移低于原状土渠基，且后者受含水率影响敏感度高于前者。