膨脹土渠坡處理效果的離心模型試驗研究

程永輝，李青云，龔壁衛(wèi)，周正兵，吳宏偉

（1．長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2．香港科技大學工學院，香港）

1 概 述

南水北調工程是當今世界上規(guī)模最大的調水工程，包括東線、中線和西線［1］。南水北調中線工程是解決華北水資源危機的一項重大基礎設施，從丹江口水庫引水至北京、天津，輸水距離長達1 400余km，年均調水約95億m3。

南水北調中線工程大多采用明渠輸水，干渠渠坡或渠底涉及到膨脹土（巖）的渠段累計約340 km，工程地質條件復雜。膨脹土（巖）具有特殊的工程特性，易造成渠坡失穩(wěn)，對工程的安全運行影響很大，而且其處理難度、處理的工程量和投資也較大，因此，膨脹土（巖）的處理是南水北調中線工程的主要技術問題之一。

南水北調中線工程采用了全線自流的輸水方式，渠道內水深為3．8～8．0 m，自南向北逐漸減?。皇苎鼐€地區(qū)高差的影響，挖方段干渠挖深不同，在膨脹土（巖）地段最大挖深約30 m，分成多級邊坡，各級邊坡間設置了馬道；承擔輸水任務的渠道主要位于一級馬道以下，若一級馬道以下渠坡損壞或失穩(wěn)，將直接影響工程的供水安全，因此，膨脹土（巖）渠段一級馬道以下渠坡的穩(wěn)定是關鍵技術問題。

離心模型試驗技術是將模型置于特制的離心機中旋轉，使得1／n縮尺的模型在離心慣性力ng的空間中進行試驗；由于慣性力與重力等效，且ng的加速度不會改變工程材料的性質，使得模型與原型應力、應變相等，變形相似，破壞機理相同，與原型試驗等效。由于離心模型試驗規(guī)模小、試驗周期較短、投資少，故在巖土工程中得到了廣泛的應用，并逐漸成為了研究巖土工程問題最有效的試驗手段之一。

為研究南水北調中線工程膨脹土（巖）渠段一級馬道以下渠坡處理方案的可靠性和合理性，采用離心模型試驗技術對多種處理方案的效果進行了驗證。

2 膨脹土離心模型試驗研究進展

1994年，A．D．Gadre和 V．S．Chandrasekaran通過離心模型試驗研究了不同厚度膨脹土（印度黑棉土）的線膨脹率；試驗結果表明，隨著土層厚度的增加，膨脹量增加，但線膨脹率逐漸減小，1 g及ng試驗結果比較接近［2］。試驗成果證明，可以通過離心機對膨脹土的膨脹變形進行模擬。1995年，饒錫保等通過離心模型試驗研究了南陽盆地膨脹土邊坡開挖和輸水工況下的穩(wěn)定問題；試驗結果表明，在膨脹土未產生裂隙的情況下，1∶3和1∶2．4的邊坡是穩(wěn)定的［3］；由于此次試驗研究中邊坡開挖和渠道蓄水是在試驗前完成的，因此，模型與實際情況有一定的差異。1997年，王鷹、韓會增、韓同春等通過離心模型試驗對南昆線膨脹巖路堤的穩(wěn)定進行了研究；研究結果表明：在不被水浸濕的情況下，路堤高度在20 m內能保持整體穩(wěn)定；在最優(yōu)含水量、90%壓實度條件下，路堤被水浸濕，僅會產生表層破壞；而壓實度為80%時，受水浸濕后會產生崩潰性破壞；在干濕循環(huán)作用下，膨脹土路堤均會產生規(guī)模不同的坍塌，須采取防護措施［4］。當膨脹土（巖）材料作為工程填料時，合理的密度是關鍵問題。2005年，王國利、陳生水、徐光明等進行了干濕循環(huán)下膨脹土邊坡穩(wěn)定性的離心模型試驗，干濕循環(huán)是在1g下通過室溫靜置干燥和噴水濕化來實現；研究結果認為：初始狀態(tài)下穩(wěn)定性較好的膨脹土邊坡，在幾次干濕循環(huán)后，穩(wěn)定性大為降低，直至發(fā)生失穩(wěn)破壞。干濕循環(huán)引起的邊坡安全系數降低，在前2次干濕循環(huán)后比較明顯，經3次干濕循環(huán)后安全系數的降低趨緩［5］。由于模型是在1g下進行的干濕循環(huán)，未能模擬此過程中重力所起的抑制作用，因此，與原型邊坡的實際工況不一致，試驗成果有待進一步的驗證。2006年，徐光明、王國利、顧行文等利用離心機研究了雨水浸泡對膨脹性土邊坡穩(wěn)定性的影響；試驗結果為1∶1．1和1∶2兩種坡比的模型在100 g的加速度下，蓄水浸泡并排干后，僅觀測到蓄水引起沉降增大、而排水則導致沉降減小，并未出現明顯的側向位移。對于1∶1．1的模型停機后在1 g下保持55 mm左右積水浸泡2 d，再提高加速度至50 g時，邊坡產生了牽引式的淺層滑動，臨界邊坡高度為8 m；對于1∶2的模型停機后在1 g下保持12 mm左右積水浸泡2 d，再提高加速度至60 g時，邊坡產生了牽引式的淺層滑動，臨界邊坡高度為9．6 m［6］。筆者認為，邊坡破壞的主要原因是模型在1 g下進行了2 d的浸泡，表層土體無重力的約束作用（對應原型應有相應厚度土層的自重作用），產生自由膨脹，土體松散、軟化，強度降低所致，與原型規(guī)律是否一致，尚需進一步驗證。

分析上述研究成果可以得出，部分國內外學者已嘗試進行了膨脹土問題的離心模型試驗研究工作，并取得一定的有益成果，但由于膨脹土復雜的工程特性，在進行離心模型試驗時，盡可能采用與原型相似的模擬條件，所取得的成果會更有應用價值。

3 離心模型試驗方案

本項試驗研究工作是在香港科技大學的土工離心機上完成的。香港科技大學離心機建成于2001年，容量為 400 gt，旋轉半徑3．82 m，最大加速度150 g，配有四向機械手，可以實現多功能模擬［7］。

3．1 渠坡處理方案及工況模擬

根據南水北調中線工程可行性研究報告及現場試驗研究成果，一級馬道以下膨脹土（巖）渠坡采用了換填黏性土、土工格柵等處理方案。為驗證僅有襯砌方案的破壞特征、不同厚度換填黏性土方案的壓重效果、土工格柵處理方案的合理性和防護效果，共設計了4組離心模型試驗，試驗方案見表1。

表1 離心模型試驗方案Table 1 Centrifugemodeling test programs

渠道一級馬道以下渠坡在工程運行期間，一般包括常年輸水和檢修兩種工況，試驗中通過蓄水和疏干來模擬，所有過程均是在ng的環(huán)境中進行的。渠道實際運行過程中，可能會因為襯砌開裂、襯砌接縫密封失效等因素導致渠水發(fā)生滲漏，采用在襯砌板上按一定比例開孔的方法，模擬渠道漏水工況。為模擬高地下水位地段的地質條件，還設置了專門的地下水位模擬裝置。

表2 模型土體物理力學特性指標Table 2 Physical properties of soil in themodel

3．2 模型土料物理力學特性指標

試驗中涉及土體包括渠坡膨脹土、換填黏性土及膨脹巖3種材料，其物理力學特性見表2。

為保證試驗具有代表性，渠坡膨脹土采用南陽中膨脹土和邯鄲強膨脹土按10∶1混合而成，其自由膨脹率為80%。試驗控制干密度為15．3 kN／m3，結合離心模型試驗中加速度g上升階段固結沉降估算，干密度為15．45 kN／m3，含水量為22．8%。換填黏性土取自南陽膨脹土試驗段工程料場，根據室內擊實試驗結果，試驗控制干密度為16．5 kN／m3，含水量為21．5%。土工格柵方案填料為新鄉(xiāng)潞王墳膨脹巖試驗段工程的泥灰?guī)r，具有弱膨脹性，試驗控制干密度為 18 kN／m3，含水量為13．2%。

渠坡中膨脹土膨脹特性見表3。無荷膨脹率隨起始含水量增加而逐漸減小，膨脹力也是隨起始含水量的增加而變小；當含水量為22．8%左右時，無荷膨脹率為15．45%，膨脹力為84．3 kPa；滲透系數為6．89×10－7cm／s。

表3 渠坡中膨脹土脹縮特性Table 3 Swellshrink characteristics ofmedium expansive soil

3．3 渠道襯砌及土工格柵的模擬

渠道厚度10 cm的C20混凝土襯砌板彈性模量為25．5 GPa［8］，采用鋁合金板（彈模 E＝70 GPa）進行模擬，其抗彎強度相似關系如式（1），計算得鋁板厚度為1．05 mm。同時考慮鋁板與原型襯砌重量相似，計算得鋁板厚度為1．2 mm，為了兼顧考慮鋁板的抗彎曲和壓重，鋁板中間按一定間距鏤空，如圖1。根據原型襯砌分縫情況，鋁板分塊進行模擬。

式中，E為彈性模量，I為慣性矩，n為比尺。

圖1 鏤空的鋁板模擬混凝土襯砌Fig．1 Simulation of concrete lining with the hollow aluminum plate

現有2種方法來模擬原型土工格柵：①用同樣的土工格柵材料但是不一樣的尺寸［9－11］；②用相似的替代材料紗布模擬［12，13］。采用第一種方法進行模擬更符合實際情況，但有時會受到工藝和造價的影響，加工有一定困難；采用第二種方法很難保證自身材料特性的相似。

本次試驗采用第一種方法，選用小尺寸單向土工格柵進行模擬，比尺關系見表4［11］。

表4 土工格柵模擬的比尺關系Table 4 Scale of geogrid simulation

3．4 試驗模型設計及監(jiān)測

模型邊坡坡比為1∶2，分為兩級，一級馬道以下邊坡高度為9 m，一級馬道以上邊坡高度為20 m，蓄水深度為7 m，比尺為1∶70，典型模型設計斷面如圖2。試驗過程中，監(jiān)測了垂向變形、孔隙水壓力、土壓力以及土工格柵應變等的變化。

3．5 試驗過程

模型制作完成后，提高離心加速度至70 g，進行固結穩(wěn)定；然后在渠坡背后升高地下水位至渠頂位置；再次穩(wěn)定后，渠道內蓄水至設定水位，運行約58 h（原型32年）左右；最后，快速疏干蓄水并再次固結約15 h（原型約8 a）；試驗結束。整個模擬過程維持離心加速度恒定，完整模擬了原型的蓄水和檢修工況。

圖2 NSBDL2模型斷面圖Fig．2 Crosssection diagram of NSBDL2 model

4 試驗成果分析和討論

本次試驗研究完成的4組離心模型試驗沒有出現整體破壞。為比較各方案的處理效果，將4組試驗中LVDT3所觀測渠底板的垂向變形繪于圖3中。從試驗中孔隙水壓力的觀測結果和試驗后所測模型含水量分析，水下部分距渠道襯砌邊線3 m范圍內（垂直距離）土體含水量產生明顯變化，2 m范圍內基本處于飽和狀態(tài)。由于處理層材料不同，渠水入滲的深度也不同。4組試驗的渠坡位移如圖4（a）至圖4（d）所示。

圖3 渠底板垂向位移變化Fig．3 Changes in vertical displacement of channel floor

4．1 僅有襯砌方案的試驗結果

從圖3和圖4（a）中可以看出，若渠坡及渠底不進行處理，僅采用設置襯砌的方案，在襯砌開裂漏水或地下水位變化影響下部膨脹土含水量變化時，將產生較大膨脹變形。從試驗結果判斷至少有6 cm的隆起變形，在此作用下，襯砌將被徹底破壞，影響到輸水效果。本次試驗初始含水量為22．8%，如果初始含水量較低時，產生的膨脹變形更大，不排除產生整體破壞的可能。

4．2 換填黏性土方案的處理效果

從圖3、圖4（b）、圖4（c）中可以得出，當采用換填黏性土方案處理后，即使出現襯砌開裂漏水或地下水位影響下部膨脹土含水量變化時，并沒有膨脹變形產生，與NSBDL1相比，渠坡側向變形明顯減小，證明采用換填黏性土的方案是可行的。對于自由膨脹率為80%的中膨脹土來說，換填2 m與3 m對抑制膨脹變形作用影響不明顯。

4．3 土工格柵方案的處理效果

分析圖3和圖4（d），當采用土工格柵和弱膨脹性的泥灰?guī)r對表層2 m處理后，渠底板垂向變形最小，基本無膨脹變形產生，說明土工格柵約束了泥灰?guī)r的膨脹，處理層的重力作用抑制了下部膨脹土的膨脹，處理方案是可行的。

試驗模型從底部往上共鋪設6層土工格柵，底部第1層與第2層間距28．6 mm，其它層間距30 mm，第2層至第4層中間每層從渠道向至渠坡方向安裝3組應變計，各層編號為TL，TM，TH，層內編號依次為1，2，3。試驗過程中格柵應變的變化情況如圖5所示。

從圖5可以看出：土工格柵產生的最大拉應變約為1‰，位于中間層的中部；靠近渠坡一側的拉應變很小（0．25‰），靠近襯砌一側的拉應變約為0．7‰。由于土工格柵應變很小，在工程設計中，可適當降低對材料的要求，以節(jié)約工程投資。

圖4 渠坡位移變化矢量圖Fig．4 Changes in displacement vector of channel slope

4．4 存在問題及討論

（1）從試驗成果分析，當渠道蓄水后，渠坡土體產生了明顯的沉降變形，文獻［6］給出的變形曲線也是同樣的規(guī)律。初步分析，這可能與初始干密度有一定關系；針對具有超固結特性的膨脹土來說，采用擾動樣的模型與實際情況有一定差異，因此，在今后的試驗中應考慮超固結狀態(tài)的模擬。

（2）膨脹土（巖）的膨脹變形與起始含水量關系密切；在施工過程中，應盡可能保護好渠坡，減少其含水量的變化，以增加渠坡結構的安全性和可靠性。

圖5 加筋土工格柵應變的變化Fig．5 Change in strain of Greogridreinforeed

5 結 論

（1）南水北調中線工程膨脹土巖渠段一級馬道以下渠坡，若僅采用襯砌防護，將會產生較大的膨脹變形，影響渠道的安全和穩(wěn)定。

（2）采用換填黏性土的處理方案是可行的，對于自由膨脹率不大于80%的中膨脹土來說，換填2m厚度的黏性土即可達到防護的效果，再增加換填厚度的作用不明顯。

（3）采用土工格柵＋泥灰?guī)r的處理方案產生的變形量最小，可以起到較好的防護作用。

（4）土工格柵最大應變發(fā)生在中間層的中部位置，最大應變約為1‰，在工程設計中，可根據實際情況優(yōu)化格柵材料的參數要求，以節(jié)約工程投資。

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（編輯：曾小漢）