高寒地区膨胀土渠道边坡稳定关键技术问题

李燕波

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

为缓解我国水资源时间、空间分布不均的矛盾，自20世纪90年代末我国修建了大量长距离引调水工程，渠道作为主要的水工建筑物之一，在国民经济社会的发展中起到了关键作用[1-2]。国内外学者针对膨胀土渠道边坡力学特性、劣化机理及改性等做了大量的研究。邓铭江等[3]通过离心试验及数值计算研究了渠道膨胀土边坡的浅层破坏机制、渗水抽排系统及加固措施，认为边坡破坏的决定性因素是浅层膨胀土开裂，其本质是土体持续失水造成了土颗粒间强粘结接触向及弱粘结接触的转化导致的裂隙发育；朱锐等[4]通过湿干冻融耦合循环下膨胀性渠道基土的三轴固结排水剪切试验研究了渠基膨胀土的力学特性变化，指出膨胀土应力-应变关系随湿干循环和湿干冻融耦合循环次数的增加逐渐向一般硬化型往弱硬化型(弱软化型)发展；蔡正银等[5-6]指出干湿冻融循环次数的增加是膨胀土土体抗剪强度下降的主要原因，并揭示了高寒区膨胀土渠道湿干-冻融循环作用下的强度衰减与结构损伤双重互馈破坏机制；陈永等[7-8]指出随含水率的增加膨胀土体积变形由冻缩融胀向冻胀融缩转变，应力-应变曲线特性与冻融循环次数和含水率都有较大的关系，并随着循环次数等增加趋于稳定；刘志文等[9]研究了膨胀土水泥改性击实试验、拌合工艺及碳化作用下土体的力学性质变化等。

综上，目前对于膨胀土已有大量的研究，但针对高寒地区膨胀土渠道边坡稳定运行分析及渠坡设计原则的研究较少，本文以实际工程为研究对象，研究成果以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某高寒地区渠道全长约136km，原渠高5m，加高后渠高7.5m，坡比1∶2，除尾部存在少数全填方渠段外，主要以挖方和半挖半填为主。渠道前段约4km地层为泥盆系和石炭系的中硬岩-坚硬的岩石，裂隙发育；中后部约90%的渠段为老第三系的砂砾岩、砂岩、泥质砂岩、泥岩等极软岩，裂隙不发育，局部渠段有小褶皱。沿渠泥岩、砂质泥岩分布较广，沿渠底分布总长约为42km，占渠道总长的31%，属中-强膨胀岩。

2 工程运行及改造运行情况分析

该工程于2000年建成并投运，为季节性供水，每年4—9月份通水，其他时间停水检修。第一个边坡失稳的高峰期出现在2001—2002年，分别滑坡397m和426m，主要集中在以紫红色、杂色泥岩为主的膨胀性软岩渠段；随后管理部门于2003—2006年开展膨胀性软岩的换填工作，换填渠段总长13.97km；自2009年起，边坡失稳又呈现出上升趋势，2014年全年滑坡总长1.35km，且多为新滑坡。实践证明，仅对渠道进行换填在一定程度上降低了滑坡发生的频率，尤其是换填后的2～3年效果较为明显，但并不能从根本上解决膨胀土渠道边坡失稳问题。

2016年，管理部门对全渠段进行了改造，改造后渠高增加至7.5m，渠道设计水深5.4～6.2m，采用薄层结构防渗，自上而下为预制六角混凝土板衬砌，3cm厚膜上砂浆，0.6mm厚两布一膜，3cm厚膜下砂浆，并在渠底设置了纵向排水和横向排水，沿渠线设置了抽排集水井；针对膨胀性泥岩渠段完成了全断面换填工作，在衬砌下方2.0m区域自上而下换填0.5m厚砂砾石、1.5m厚白砂岩，如图1所示。改造后渠道滑坡得到明显改善，尤其膨胀土渠段至目前尚未发生大面积滑坡。

图1 加高改造后渠道典型横断面图

从工程设计角度分析，渠道设置有完善的防渗体系，且该工程地处高寒干旱地区，降雨少且地下水埋深大，渠道运行期间渠基应处于干燥状态。但工程运行期间，渠道沿线121处水位观测管(54处同时设置集水井)监测数据显示，几乎所有监测断面渠基均不同程度的存在自由水。自由水赋存共有5中状态：①干燥，即监测管内始终无水；②基本干燥，即绝大多数观测日监测管内均无水，极少数测得水位小于渠道水深10%；③干湿交替，即监测管内有水、无水的观测日各占约50%，有水日测得水位小于渠道水深30%；④基本饱和，即绝大多数观测日监测管内均有水；⑤饱和，即全部观测日监测管内均有水。统计结果见表1。

表1 防渗体下自由水赋存状态统计表

为减少自由水赋存，避免干湿冻融循环引起膨胀土渠坡失稳破坏，该工程沿线集水井均采用自动化抽排作业，即当井内水位高于渠底纵排轴线高程2m时，开始抽水；井内水位低于纵排轴线高程0.8m时，停止抽水。定义4种状态来描述自由水水位—渠道水位—抽排作业效果：①双向正比例关系，即自由水水位、抽排水量随渠道水位上升而上升或增大；②单项正比例关系，即自由水水位与渠道水位无关，但抽排水量随自由水水位上升而增大，③单项反比例关系，即自由水水位始终较低，但抽排水量较大；④相互影响，即上述3种情况均包括，无明显规律。需要说明的是，全部54处同时设置集水井即水位观测管的监测断面中未出现自由水水位低且抽排水量小的情况。统计结果见表2。

表2 自由水水位—渠道水位—抽排作业效果统计表

上述统计及分析表明，约80%以上的防渗渠基断面均处于干湿交替-饱和状态，对于膨胀土渠基的安全造成巨大隐患。通过换填砂砾石、白砂岩，并增设纵横排、集水井可有效降低衬砌下自由水水位，但仍有约30%呈双向正比例关系的渠道断面抽排效果较差，主要原因是纵排或横排系统堵塞失效，且渠道渗漏量过大，从而导致抽排作业未取得预期效果。

3 干湿冻融循环膨胀土抗剪强度指标劣化分析

文献[4]指出7次干湿冻融循环后膨胀土的黏聚力和内摩擦角分别下降了44.0%和11.7%左右，根据室内试验测得的膨胀土试样劣化指标见表3。

表3 室内试验测得的膨胀土试样劣化指标

为定量研究干湿冻融循环次数对膨胀土抗剪强度指标的影响，对上表中计列的黏聚力c、摩擦角ψ及循环次数N进行函数拟合，分别为：

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。

为验证函数的准确性，通过搜集不同干湿冻融循环次数滑坡渠段膨胀土体抗剪强度指标，对函数进行修正。真实测定的土体抗剪强度劣化指标见表4。

表4 真实测定的土体抗剪强度劣化指标

修订的黏聚力c、摩擦角ψ及循环次数N拟合函数如下：

c=25.39N-0.17，R2=0.990。

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

通过对比可知，真实测定的黏聚力初期衰减更快，第2、3次循环平均衰减速度约为10%，衰减速度大于室内测定值；内摩擦角二者的趋势总体相同。

4 渠道稳定性验证

从工程造价和当地建筑材料的特点出发，该工程采用砂砾石+白砂岩的换填方式改造渠道，取得了较好的效果。以下通过计算不同厚度换填土并考虑膨胀土抗剪强度指标劣化的工况，验证渠道边坡的稳定性。计算采用STAB软件，地震工况采用拟静力法，并使用迈达斯软件、采用强度折减法验证计算结果的可靠性[10]。计算中使用的物理力学参数见表5、计算结果见表6。

表5 土体参数

表6 边坡抗滑稳定安全系数计算结果汇总表

分析可知，白砂岩换填厚度与渠坡抗滑稳定安全系数和安全系数减小平均幅度均呈正比例关系，即随着换填白砂岩厚度的增加，渠坡抗滑稳定安全系数绝对值和安全系数随渠基土干湿冻融循环次数增加而减小的平均幅度均呈增大趋势；从滑坡形式看，随着白砂岩换填厚度的增加，也从浅表层滑坡逐渐向深层滑坡变化。但对比方案1与方案5，方案1中各种工况渠坡的安全系数减小幅度远大于方案5，且当渠基土经过5次干湿冻融循环后方案5中各工况的稳定系数已趋于稳定，下降速度明显减缓。主要原因是砂砾石属于非黏性土，其稳定的条件是土体的抗滑力大于滑动力，且由于土体无黏性，故方案5滑坡形式为浅表层滑坡，且安全系数变幅相交方案1小；从土体渗透性分析，砂砾石和白砂岩的渗透系数一般在10-2量级和10-6量级，只换填砂砾石，渠道渗水虽然能快速的通过排水系统排出，但一旦遇到排水失效的情况，则膨胀土渠基长期处于浸水状态，造成安全隐患；只换填白砂岩，渠道渗水排出较慢，且渠坡的安全系数随渠基膨胀土干湿冻融循环次数的增加而下降较快，也不利于工程长期运行安全。

综上，方案3可充分利用砂砾石和排水系统快速排除渠道渗水，并利用白砂岩将渗水与膨胀土隔离开，并可将纵排设置于砂砾石与白砂岩之间，以确保渠道运行安全。

5 结论与建议

(1)寒旱地区渠道防渗体下自由水的形成主要是渠道渗水，对于双向正比例关系状态的渠道断面，即在渠道输水期间抽排作业不能有效降低监测管水位的断面，其纵横排水失效且渠道渗漏严重，为避免破坏渗水动态平衡加剧干渠输水损失、影响渠道运行安全，渠道输水时应不进行抽排作业，渠道停水时尽快摸排检修。

(2)换填+纵横排水管+集水井抽排的工程措施可有效提升膨胀土渠坡的稳定性，在工程设计中应注意换填总厚度应大于冻土深度，以减少膨胀土冻融破坏；同时，还应保证换填土性质稳定，宜采用上层非黏性土、下层黏性土的方式，并将纵排设置于两种土体之间。

受试验设备和研究时间的限制，本文未逐年对渠基膨胀土抗剪强度指标劣化程度进行试验分析，类似工程可参考本文结论并设置试验段作进一步研究。