南水北調(diào)中線膨脹土工程問題研究與進展

龔壁衛(wèi)，程展林，，郭熙靈，李青云

(長江科學院 a.水利部巖土力學與工程重點實驗室;b.院長辦公室;c.流域水環(huán)境研究所，武漢 430010)

1 概述

南水北調(diào)中線工程總干渠全長約1 432 km，干渠沿線經(jīng)過膨脹土(巖)、黃土、易振動液化砂土等特殊土(巖)地區(qū)，渠道沿線工程地質(zhì)條件復雜。其中，總干渠明渠段涉及到膨脹土(巖)累計長度約386.8 km。膨脹土(巖)因其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(diào)中線工程的主要技術(shù)問題之一。

上世紀60－70年代，長江流域規(guī)劃辦公室(下簡稱長辦)下屬的勘察、科研等單位對中線工程的膨脹土進行了早期研究工作，對膨脹土的工程特性、試驗技術(shù)以及處理措施等取得了初步的認識。至上世紀80－90年代，為配合南水北調(diào)中線工程的可行性研究和初步設(shè)計，長江水利委員會(下簡稱長江委)組織設(shè)計、勘察和科研單位對南水北調(diào)中線工程膨脹土的基本特性等進行了廣泛的調(diào)查和試驗研究。長江科學院(下簡稱長科院)等單位還相繼在現(xiàn)場開展了“膨脹土渠坡變形和穩(wěn)定”、“降雨對膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響”等現(xiàn)場觀測和試驗研究，進一步分析和認識了膨脹土渠坡穩(wěn)定的影響因素。這些研究成果，對認識膨脹土(巖)問題和指導南水北調(diào)中線工程建設(shè)具有非常重要的意義。

2002年12月，國務(wù)院正式批復了南水北調(diào)中線工程總體規(guī)劃，提出先期實施東線和中線一期工程。2005年1月，長江委長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院完成了《南水北調(diào)中線一期工程可行性研究總報告》并提交水規(guī)總院評審，南水北調(diào)中線一期工程正式啟動。鑒于前期有關(guān)膨脹土工作的研究深度不足，2005年5月，水利水電規(guī)劃設(shè)計總院(下簡稱水規(guī)總院)在北京召開了“南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹土處理方案技術(shù)討論會”，會議討論了膨脹土渠坡處理措施設(shè)計上存在的問題，專家認為:經(jīng)過長期的論證、規(guī)劃，南水北調(diào)中線工程膨脹土(巖)渠段的工程問題及處理措施已取得階段性研究成果，基本思路是合適的，但在處理方案和措施的選擇上應進一步優(yōu)化。專家建議在諸如膨脹土渠坡破壞模式、膨脹土改性及其它處理措施的可能性、如何減少工程占地和環(huán)境影響等方面，盡快開展深入研究。此后，結(jié)合國家“十一五”科技支撐計劃的開展，南水北調(diào)中線工程膨脹土的研究進入了一個新的發(fā)展時期。

2 研究歷程

南水北調(diào)中線工程膨脹土問題研究曾經(jīng)歷過3個重要的時期。

2.1 1972－1985 年時期

上世紀70年代，長辦在興建引漢工程中，開始遇到膨脹土的工程問題。在陶岔引渠邊坡的開挖以及后續(xù)的施工過程中，相繼發(fā)生了13處不同規(guī)模的滑坡，膨脹土的渠坡穩(wěn)定問題開始受到各方的重視。當時，長辦的工程技術(shù)人員通過現(xiàn)場地質(zhì)勘探和少量的試驗，對膨脹土對水利工程的危害有了初步的認識，并初步分析了滑坡的原因，提出了以放緩渠坡、漿砌塊石拱壓腳、混凝土抗滑樁支撐、排水盲溝等措施配合使用的綜合處理方案，通過對13個滑坡采取不同工程處理措施，積累了膨脹土邊坡處理的經(jīng)驗。

1977年，長江水利水電科學研究院(長江科學院前身、下簡稱長科院)開始參與水利工程膨脹土試驗操作規(guī)程的修訂工作，通過在我國南方省市開展膨脹土調(diào)查，借鑒前蘇聯(lián)的試驗規(guī)程，初步制訂了水利系統(tǒng)膨脹土的試驗方法。在此后的一段時間，長科院對試驗規(guī)程中有關(guān)試樣尺寸、試驗儀器、試驗操作方法等多方面開展了系統(tǒng)的研究，為《土工試驗規(guī)范》的多次修訂工作提供了重要的研究成果。

1981年，長科院開始對膨脹土的膨脹壓力、自由膨脹率、膨脹變形、收縮試驗等試驗方法進行系統(tǒng)的研究。

在膨脹壓力的測試方法上，通過比較加荷平衡法、膨脹加壓法和加壓膨脹法等3種不同試驗的成果，認為加荷平衡法試驗操作更為可行，成果更為準確，因此，在規(guī)范的編制中建議了此種方法。同時，還分析了儀器本身變形對測定成果的影響，提出了儀器變形修正問題。在自由膨脹率試驗中，選用幾種類型土(蒙脫土、伊利土、高嶺土)進行比較試驗，得出自由膨脹率指標與黏土礦物成分的相互關(guān)系，并用純蒙脫土與高嶺土摻合進行試驗，測得蒙脫土含量與自由膨脹率的相互關(guān)系，為制定自由膨脹率試驗操作規(guī)程提供了較為可靠的資料。在膨脹變形試驗方法研究中，進行了試樣尺寸和不同接觸壓力的比較試驗，證明土的膨脹量與儀器設(shè)備條件及試驗操作方法有密切關(guān)系。這些研究成果，均反映到《土工試驗規(guī)程》的修訂工作中。

在這一時期，長科院還開始探索膨脹土的礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)等土質(zhì)學理論與脹縮機理。在膨脹土的黏土礦物成分及含量對抗剪強度影響方面，開展了較為系統(tǒng)的試驗研究工作。通過在室內(nèi)配制蒙脫土、伊利土和高嶺土等3種典型黏土的試樣，分別測定其抗剪強度，得出蒙脫土的強度最低，高嶺土強度最高的結(jié)論。在研究蒙脫土與其它黏土礦物的混合料試驗中，測得混合土的抗剪強度隨蒙脫土含量增加而降低，當蒙脫土含量超過20% ～30%以后，土樣的抗剪強度主要取決于蒙脫土。這些成果揭示了膨脹土強度偏低的本質(zhì)，為研究膨脹土的強度特性提供了基本資料，同時，對研究葛洲壩等工程泥化夾層(含蒙脫石黏土礦物)的工程性質(zhì)發(fā)揮了一定的作用。

2.2 1993－1995 年時期

南水北調(diào)中線工程膨脹土的研究工作始終是與中線工程的設(shè)計緊密聯(lián)系的。1985年以前，中線工程的工作重點是宏觀規(guī)劃，設(shè)計單位主要是針對各種調(diào)水規(guī)模進行規(guī)劃、設(shè)計，對調(diào)水渠道的線路進行方案比較論證，相關(guān)的科研工作也大多是圍繞線路的比選開展，主要任務(wù)是對膨脹土進行判別和基本特性測試，為地質(zhì)勘察提供試驗指標。1987年，長江委完成了《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃報告》，并最終在1997年完成了《南水北調(diào)中線工程總干渠總體布置》，明確了調(diào)水規(guī)模145億m3的方案和有關(guān)輸水總干渠的分段初步設(shè)計。在這一階段，配合設(shè)計工作，長科院在膨脹土的研究方面主要開展了渠道邊坡穩(wěn)定離心模型試驗和數(shù)值分析等。

膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定離心模型試驗，主要研究坡高為35 m的開挖邊坡，在坡比分別為1∶3.0和1∶2.4情況下的穩(wěn)定狀態(tài)。試樣取自河南南陽，為天然原狀無裂隙的弱膨脹土。試樣尺寸1 100 mm×300 mm×500 mm(長×寬×高)。試驗成果認為:在不經(jīng)歷干濕循環(huán)、無降雨影響的條件下，此類膨脹土渠坡是穩(wěn)定的。

膨脹土渠坡穩(wěn)定數(shù)值分析主要采用極限平衡法，分析程序采用REAME，分析方法為簡化Bishop法。根據(jù)總干渠工程地質(zhì)報告，將渠線工程地質(zhì)進行分類，對9至27段共19種類型土質(zhì)條件的渠坡進行邊坡穩(wěn)定復核。其中，涉及強膨脹土渠段約14 km。分析認為，對于強膨脹土渠坡，即使將邊坡放緩到1∶4.0，其安全系數(shù)仍不能滿足規(guī)范要求，因此，必須采取支擋或抗滑樁等必要的處理措施。

這一時期，主要是配合設(shè)計單位，完成總干渠膨脹土渠段設(shè)計中所遇到的邊坡坡比選定、處理措施比選等問題。

2.3 1997－2002 年時期

進入20世紀90年代以后，非飽和土理論研究得到了世界很多國家的重視。1987年在都柏林舉行的第9屆歐洲土力學及基礎(chǔ)工程會議上，Alonso以“土的特殊問題——非飽和土與很軟的土”為題在會上作了精采的發(fā)言，并引起與會者的廣泛關(guān)注。1992年，第7屆國際膨脹土會議在美國召開，會上，非飽和土力學成為會議的主題。此次會議以后，國際膨脹土會議由國際非飽和土會議所取代。具有里程碑意義的是，1993年由加拿大Saskatchewan大學D.G.Fredlund教授和Rahardjo博士合著的《非飽和土力學》一書的出版。1994年，由時任國際非飽和土學會主席D.G.Fredlund教授建議，在武漢召開了“中加非飽和土學術(shù)研討會”，會上發(fā)表了多篇應用非飽和土理論開展膨脹土、黃土的研究成果。其中，也包括鄂北崗地、刁南灌區(qū)膨脹土渠道的觀測以及處理措施等方面的研究成果。

1998年，第2屆國際非飽和土會議在北京召開，在這次會上，包承綱全面闡述了非飽和土的特性和膨脹土邊坡的穩(wěn)定問題，提出膨脹土作為非飽和土的典型代表，應采用有關(guān)非飽和土理論和研究方法進行研究。為此，文獻［1］以南水北調(diào)中線工程的膨脹土為研究對象，以現(xiàn)場觀測、室內(nèi)非飽和土試驗、數(shù)值分析等成果，從膨脹土非飽和滲透特性、非飽和強度特性以及降雨對渠坡穩(wěn)定的影響等方面，闡述了膨脹土邊坡破壞機理、渠坡穩(wěn)定分析方法和滑坡早期預報等問題。

在有關(guān)膨脹土邊坡的破壞機理方面，文獻［1］認為:膨脹土的裂隙性是導致邊坡滑動的關(guān)鍵因素，脹縮性和超固結(jié)性對穩(wěn)定的影響都是通過裂隙性來表現(xiàn)的。脹縮性是造成裂隙的內(nèi)在因素，而超固結(jié)性促進了裂隙的開展。因此，研究膨脹土的滑坡必然離不開對裂隙的調(diào)查研究及其發(fā)展預測。遺憾的是，當時所關(guān)注的裂隙，主要是大氣影響深度范圍以內(nèi)的、由干濕循環(huán)產(chǎn)生的“次生裂隙”。因此，文獻［1］特別強調(diào)了降雨沿“次生裂隙”入滲對膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響，認為:降雨入滲導致土體內(nèi)部吸力的降低、土體強度軟化，開挖卸荷導致邊坡內(nèi)應力場重分布及邊坡底部剪應力集中區(qū)的形成，并繼而導致渠坡的失穩(wěn)。在膨脹土邊坡滑坡早期預報方面，應及時監(jiān)測與分析降雨入滲引起的含水量場及吸力場變化和邊坡開挖卸荷引起的應力、位移場變化，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化預測邊坡穩(wěn)定。

在有關(guān)膨脹土的非飽和強度理論方面，文獻［1］提出采用土水特征曲線上相關(guān)的特征點，對Fredlund提出的抗剪強度的表達式進行簡化，從而將有關(guān)非飽和土強度理論在實際工程中進行運用。

2000年，長科院和香港科技大學聯(lián)合申請了香港基金局基金研究課題“非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定研究”。為此，2001年7月至2002年8月，長科院在湖北棗陽市大崗坡二級泵站，選取了一個高11 m的中膨脹土挖方邊坡，進行現(xiàn)場人工降雨模擬試驗和原位綜合監(jiān)測，同時，在室內(nèi)開展了膨脹土原狀樣的非飽和土強度、非飽和滲透特性等方面的試驗研究工作［2、3］。通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)研究，認為降雨入滲造成渠坡2 m深度以內(nèi)土層中孔隙水壓力和含水量大幅度增加，致使膨脹土體的抗剪強度由于有效應力的減少及土體吸水膨脹軟化而降低;同時，降雨入滲造成土體中水平應力與豎向應力比顯著增加，并接近理論的極限狀態(tài)應力比，以致軟化的土體有可能沿著裂隙面發(fā)生局部被動破壞，此破裂面在一定條件下(如持續(xù)降雨條件下)可能會逐漸擴展，最后發(fā)展成為膨脹土中常見的漸進式滑坡。此觀點延續(xù)了有關(guān)降雨引起膨脹土渠坡破壞機理的認識。

在這一時期，有關(guān)膨脹土的研究工作，主要強調(diào)了膨脹土的非飽和特性對邊坡穩(wěn)定的影響，在膨脹土的非飽和強度、非飽和滲透特性等方面進行了較為深入的研究。也正因為如此，在分析膨脹土邊坡破壞機理時，僅關(guān)注到降雨對大氣影響深度范圍以內(nèi)膨脹土土體強度的影響，而對于膨脹土膨脹性、膨脹土“原生”裂隙面的強度特性以及對邊坡穩(wěn)定的作用等尚未開展系統(tǒng)、深入的研究。

3 “十一五”期間膨脹土研究工作

3.1 項目申報階段

2005年5月，水規(guī)總院在北京召開了“南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹土處理方案技術(shù)討論會”，會議討論了膨脹土渠坡處理措施設(shè)計上存在的問題，明確了開展有關(guān)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗的必要性。與會專家認為:經(jīng)過長期的論證、規(guī)劃，南水北調(diào)中線工程膨脹土(巖)渠段的工程問題及處理措施已取得階段性研究成果，基本思路是合適的，但在初步設(shè)計階段，這些處理措施仍有優(yōu)化和細化的必要。與會專家建議對膨脹土(巖)的改性及其它處理措施的可行性、經(jīng)濟性及施工可操作性作進一步研究，同時認為，對渠水位以上的邊坡和渠水位以下邊坡的處理要有針對性，必要時可采取支擋、柔性結(jié)構(gòu)、加筋和植被保護等措施。會議建議應盡快開展有關(guān)室內(nèi)和現(xiàn)場的專項試驗研究。為此，長科院于2005年8月，向南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局(下簡稱中線局)提交了《南水北調(diào)中線工程總干渠膨脹土渠段現(xiàn)場試驗項目建議書》和《南水北調(diào)中線工程總干渠膨脹土渠坡處理現(xiàn)場試驗大綱》。2005年9月，中線局組織相關(guān)單位在鄭州召開了“南水北調(diào)中線工程總干渠膨脹土(巖)渠坡處理專家咨詢會”，會上分別由長江設(shè)計院和河南省設(shè)計院匯報了膨脹土(巖)試驗段的選址原則、典型渠段的地質(zhì)條件和具體試驗段選址建議，由長科院等4家單位匯報了現(xiàn)場試驗工作大綱。與會專家代表經(jīng)過2天的討論和交流，在現(xiàn)場試驗的整體思路、試驗目的、試驗段的選取及其代表性等方面取得了共識。與會專家和代表一致認為，膨脹土(巖)的處理是南水北調(diào)中線工程的主要技術(shù)難題之一，進行現(xiàn)場試驗研究是十分必要的，研究成果可為南水北調(diào)中線工程總干渠膨脹土(巖)渠坡處理找到安全可靠、經(jīng)濟合理的措施，也為工程設(shè)計的優(yōu)化提供依據(jù)，并建議現(xiàn)場試驗應按膨脹土段、膨脹巖段分別進行。

2005年10月，受中線局委托，長科院根據(jù)專家咨詢意見編制完善了《南水北調(diào)中線總干渠膨脹土(巖)渠坡處理現(xiàn)場試驗工作大綱》，并于12月在河南鄭州通過專家聽證會的形式征求了各方專家的意見，該工作大綱得到了與會專家的肯定，并認為選擇河南南陽作為膨脹土試驗段，河南新鄉(xiāng)作為中、弱膨脹巖試驗段，河北邯鄲渠段作為強膨脹巖試驗段是合適的，同時建議根據(jù)南水北調(diào)中線總干渠工程總體設(shè)計審批進展情況，分期開展膨脹土、巖渠坡處理試驗研究。

2006年11月，根據(jù)國務(wù)院南水北調(diào)建設(shè)委員會辦公室(下簡稱國調(diào)辦)發(fā)布的“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“南水北調(diào)工程若干關(guān)鍵技術(shù)研究與應用”需求，長科院聯(lián)合南水北調(diào)中線有關(guān)設(shè)計、科研、管理單位以及高等院校組成課題組，在前期開展的有關(guān)膨脹土(巖)試驗研究計劃基礎(chǔ)上，開始編制“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術(shù)研究”課題申請，并于11月17日通過了國調(diào)辦組織的專家評審。長科院作為課題的承擔單位，牽頭負責該課題的實施工作。至此，南水北調(diào)中線工程膨脹土問題研究成為國家“十一五”科技攻關(guān)的重要課題之一，被科技部正式立項。

自2005年下半年開始至2007年8月，長科院按照中線局、國調(diào)辦的要求，編制南水北調(diào)中線工程有關(guān)膨脹土(巖)試驗大綱、實施方案、實施細則、“十一五”科技支撐課題申報書、可行性研究報告等近20余份，參加了國調(diào)辦、中線局等上級單位組織的多次技術(shù)討論、試驗方案咨詢和評審、試驗段選址、試驗段設(shè)計和審查等工作，同時，在室內(nèi)先期開展了部分試驗工作，為盡快開展膨脹土(巖)的課題研究打下了一定的基礎(chǔ)。

3.2 課題研究過程

國家“十一五”科技支撐計劃課題“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術(shù)研究”于2006年12月正式立項。該課題由2個現(xiàn)場試驗段和部分室內(nèi)試驗研究構(gòu)成。根據(jù)任務(wù)分工，新鄉(xiāng)膨脹巖現(xiàn)場試驗段試驗研究工作由長科院、河南省水利勘測設(shè)計院(下簡稱河南院)和河海大學共同承擔，長科院全面負責新鄉(xiāng)膨脹巖試驗段的現(xiàn)場試驗和室內(nèi)研究工作;南陽膨脹土現(xiàn)場試驗段由長江設(shè)計院、長科院共同承擔，長科院負責膨脹土的基本特性和水泥改性土的室內(nèi)試驗研究，同時，還參與了南陽膨脹土試驗段的現(xiàn)場試驗、觀測等工作。

自2006年起，長科院開始在河南新鄉(xiāng)、南陽、河北邯鄲等地，對代表性的膨脹巖及膨脹土進行了大規(guī)模取樣，并開展了大規(guī)模室內(nèi)物理力學特性的研究工作;2006年至2007年，與河南院共同完成了膨脹巖試驗段的選址、膨脹巖渠坡處理措施的比選和分析，以及試驗段研究方案編制和審批工作。2007年9月，新鄉(xiāng)膨脹巖試驗段現(xiàn)場試驗工作正式開始。同年，長科院還配合長江設(shè)計院完成了河南南陽膨脹土試驗段選址，并完成了現(xiàn)場試驗方案、觀測儀器布置等現(xiàn)場試驗研究工作。

2008年，新鄉(xiāng)膨脹巖試驗段完成了全部試驗斷面的現(xiàn)場測試、儀器埋設(shè)、碾壓試驗、定期觀測等試驗觀測工作;完成了試驗 1 區(qū) 1 ∶1.5，1 ∶2.0，1 ∶2.5，1∶3.0四種坡度的人工降雨試驗;開展了土工袋、土工格柵處理方案的人工降雨試驗和觀測、測試;開展了不同巖性地層的現(xiàn)場滲透試驗和土工袋、土工格柵處理方案的現(xiàn)場滲透試驗;完成了試驗2區(qū)、3區(qū)、5區(qū)和8區(qū)一級馬道以下局部滲漏(注水)試驗。

2008年9月，南陽試驗段現(xiàn)場試驗工作正式啟動。課題組完成了處理措施的比選、試驗段研究方案編制和審批等工作。開始進行儀器設(shè)備埋設(shè)和現(xiàn)場觀測。開展了膨脹土地質(zhì)結(jié)構(gòu)分帶特征、裂隙分布、地下水分布及影響研究;完成了換填黏性土、水泥改性土、土工格柵等處理方案的碾壓試驗研究工作。同時，圍繞膨脹土、膨脹巖的特性，開展了大量的脹縮性、力學性質(zhì)、滲透性室內(nèi)試驗工作;通過大型靜力模型試驗、離心模型試驗研究了膨脹土渠坡的破壞機理;研究了膨脹巖土邊坡數(shù)值分析方法;并進行了膨脹土物理改性及化學改性的相關(guān)試驗研究。

2009年，長科院在室內(nèi)開展了大型靜力模型試驗和離心模型試驗研究，對膨脹土和膨脹巖的非飽和特性、干濕循環(huán)對強度的影響，創(chuàng)新性地開展了低應力下的力學強度參數(shù)試驗，利用CT三軸儀研究了面裂隙率與強度的關(guān)系，研發(fā)了考慮膨脹變形的非線性有限元計算方法及軟件，研發(fā)了非連續(xù)變形分析的膨脹土渠坡穩(wěn)定分析軟件，且對各類試驗成果進行了匯總分析。在新鄉(xiāng)膨脹巖試驗段進行了蓄水疏干工況模擬試驗研究，完成了觀測和資料分析工作，并對各種處理措施的效果進行了初步評價;南陽試驗段進行了大型人工降雨試驗，完成了大部分的觀測和資料分析工作，并對各種處理措施的效果進行了初步評價。

按原定計劃，2009年進行課題驗收。為了驗證本課題研究成果的長期可靠性，2個試驗段的觀測和研究工作均延長至2010年底，通過延長現(xiàn)場試驗的觀測周期，并輔以破壞性試驗，希望徹底查明不同處理措施的效果和長期性能。

2010年，新鄉(xiāng)膨脹巖試驗段各試驗區(qū)進行了開槽浸水強化破壞試驗工作，南陽試驗段進行了蓄水疏干工況模擬試驗研究。

對于鋼筋混凝土板，認為鋼筋與混凝土之間無相對滑移，視鋼筋混凝土板為宏觀均勻的正交各向異性材料，用X，Y，Z表示正交各向異性板的3個彈性主軸方向，則式(2)系數(shù)矩陣[C]可用X，Y，Z方向的工程彈性常數(shù)表示。E，G，μ分別為正交各向異性材料的3個彈性主軸方向的拉壓彈性模量，切變模量和泊松比。由正交各向異性材料分別在3個單向拉伸和3個純剪切應力狀態(tài)下的應力應變關(guān)系可推導出材料的柔度矩陣為：

同年，長科院開始全面總結(jié)室內(nèi)試驗以及2個現(xiàn)場試驗段的試驗研究工作，系統(tǒng)提出了膨脹土渠坡的2種破壞模式以及相應的穩(wěn)定分析方法;提出了膨脹土(巖)非線性強度及試驗方法;提出了裂隙面強度試驗和參數(shù)確定方法;提出了采用電導率進行膨脹土現(xiàn)場快速判別的方法。同時，還根據(jù)中線局要求，編寫了膨脹巖及膨脹土渠道施工技術(shù)規(guī)定。

經(jīng)過5年攻關(guān)，課題研究取得了豐富的研究成果:除編寫完成課題總報告1份，專題報告4份，子題報告31份外，還在國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文99篇，編寫專著3部，申請并獲批實用新型專利7項;申請發(fā)明專利7項。

4 膨脹土問題研究的最新進展

“十一五”科技支撐計劃課題“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術(shù)研究”以南水北調(diào)中線工程的膨脹土問題為工程背景，針對膨脹土(巖)邊坡穩(wěn)定的世界級難題，以國內(nèi)外最大規(guī)模的膨脹土(巖)渠道原型試驗為依托，運用地質(zhì)勘察、現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、大型靜力模型、離心模型試驗、數(shù)值分析等多種研究手段，有效地解決了膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定關(guān)鍵問題，在膨脹土的破壞機理、膨脹土的現(xiàn)場快速判別、膨脹土的強度指標及其試驗方法、穩(wěn)定分析方法以及處理措施等方面均取得了突破性的進展。

4.1 有關(guān)膨脹土邊坡的破壞機理

在“十一五”攻關(guān)以前，巖土工程界從膨脹土邊坡的破壞現(xiàn)象出發(fā)分析了邊坡的破壞機理，認為膨脹土滑坡具有淺層性、多發(fā)性和重復性，膨脹土邊坡破壞多由于干濕循環(huán)導致的土體強度衰減引起的。因此，對膨脹土邊坡的處理，以往的研究多關(guān)注如何防止膨脹土的強度衰減問題上。“十一五”課題研究期間，研究人員從現(xiàn)場試驗段的觀測資料中發(fā)現(xiàn)，有些膨脹土邊坡在開挖之后尚未經(jīng)歷干濕循環(huán)即開始發(fā)生變形或滑坡;有些膨脹土邊坡即使采取了一定厚度的保護層保護，仍然發(fā)生了滑坡;還有一些邊坡也確實在干濕循環(huán)以后發(fā)生了滑坡，但是，這些滑坡按照以往的計算理論和計算程序去分析很難與實際現(xiàn)象相符，說明對于膨脹土邊坡的失穩(wěn)機理在理論上尚有不清晰之處。為此，長科院首先針對膨脹土的破壞機理問題展開了攻關(guān)［4、5］。

針對膨脹土邊坡反復失穩(wěn)的問題，長科院在室內(nèi)建造了600 cm×280 cm×300 cm(長×寬×高)大型膨脹土渠坡模型，采用人工降雨和蒸發(fā)等試驗手段，模擬大氣環(huán)境變化。通過反復的試驗研究，終于在室內(nèi)再現(xiàn)了膨脹土邊坡破壞的過程，揭示了膨脹土邊坡失穩(wěn)的重要機理之一:膨脹變形作用下的邊坡破壞，同時，結(jié)合數(shù)值模擬分析，進一步論證了膨脹變形導致邊坡失穩(wěn)的過程。

在對地質(zhì)資料和現(xiàn)場變形觀測資料的研判中，研究人員發(fā)現(xiàn)，在一定深度范圍內(nèi)的土層裂隙呈現(xiàn)有一定規(guī)律性的傾向，當渠道的邊坡與地層中的裂隙傾向一致時，往往會發(fā)生順地層裂隙層面方向的滑坡。對比分析觀測資料，發(fā)現(xiàn)所有的滑坡均發(fā)生在裂隙密集的條帶內(nèi)，說明膨脹土層中裂隙的存在是滑坡的控制因素之一。為進一步驗證這一設(shè)想，長科院的研究人員在試驗段拆除過程中進行了現(xiàn)場開挖，結(jié)果證實了觀測資料和分析成果的可靠性。同時，通過開展原狀樣裂隙面的強度試驗，發(fā)現(xiàn)裂隙面的強度指標明顯低于裂隙兩側(cè)土體的強度，證明滑坡破壞的直接原因就是裂隙面強度偏低所致。至此，課題的攻關(guān)取得了關(guān)鍵性的研究成果:根據(jù)現(xiàn)場觀測和試驗研究、結(jié)合數(shù)值模擬等多種手段，首次明確提出了膨脹土邊坡的2種破壞機理［7］，即:裂隙強度控制下的邊坡滑動和膨脹作用下的邊坡滑動，并從力學機理上分別對這2種模式的破壞過程進行了系統(tǒng)的分析。該破壞模式的提出，重視了渠坡滑動時第一推動力的作用，強調(diào)了土體“首次滑動”的原因。該成果為膨脹土邊坡處理措施的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

4.2 膨脹土的現(xiàn)場快速判別

南水北調(diào)中線工程初步設(shè)計階段有關(guān)膨脹土的膨脹等級，主要是依據(jù)自由膨脹率進行劃分。受規(guī)定的工作深度影響，初步設(shè)計階段的地質(zhì)勘查只能大致給出不同渠段的強、中、弱膨脹性分類，實際施工開挖后，需要在現(xiàn)場及時地對開挖渠段巖土膨脹性進行快速判別，并通過實際判別結(jié)果調(diào)整設(shè)計處理方案。由于自由膨脹率試驗存在試驗時間較長、儀器操作不易、人為誤差較大等不足，因此，迫切需要研究適用于現(xiàn)場的快速測試和判別方法。

“十一五”期間，長科院的研究人員從膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)以及膨脹機理出發(fā)，分析了膨脹性與黏土礦物成分、陽離子含量以及導電性能的關(guān)系，提出在膨脹土的黏土礦物成分－陽離子交換量－自由膨脹率－導電率之間具有某種關(guān)聯(lián)的可能性。為驗證這一觀點，研究人員在室內(nèi)開展了大量的試驗研究工作。通過從野外不同地點取回各種膨脹土樣，在室內(nèi)進行土樣的界限含水率、黏土礦物成分、自由膨脹率以及電導率試驗，用試驗數(shù)據(jù)證實了土壤導電性與界限含水率、黏土礦物成分、自由膨脹率等均有良好的相關(guān)性，從而也證實了電導率與膨脹性的關(guān)系。由于電導率測試具有試驗儀器簡單、易于現(xiàn)場操作等特點，對于影響電導率測試結(jié)果的各種因素，也采用了規(guī)范試驗方法的方式給予解決，最終，提出了通過測定土壤的電導率來進行膨脹性快速判別的方法［6］。

4.3 膨脹土的強度及其試驗方法

“十一五”課題研究期間，長科院提出裂隙強度控制下的邊坡滑動破壞機理，為此，需要精確地測量膨脹土裂隙面上的強度指標。研究人員想盡一切方法，在現(xiàn)場和室內(nèi)進行試驗，最終，研究人員將儀器設(shè)備進行了改造，將CT掃描技術(shù)引進到膨脹土裂隙面的強度試驗中，成功地測量到裂隙面上的真實強度，解決了長期困惑設(shè)計人員的參數(shù)測試問題。

4.4 膨脹土的邊坡穩(wěn)定分析

膨脹土的邊坡穩(wěn)定分析，是膨脹土邊坡設(shè)計的基礎(chǔ)［7］。課題研究以前，膨脹土邊坡的穩(wěn)定分析方法和一般黏性土邊坡沒有區(qū)別，造成計算成果難以反映工程實際，也使得穩(wěn)定分析失去了對設(shè)計的指導意義。課題研究過程中，研究人員在認真分析了膨脹土的破壞機理以后，提出對于不同的破壞機理應采用不同的分析理論和分析方法，為此，長科院研究人員精心設(shè)計了一系列的室內(nèi)試驗方案，系統(tǒng)研究了膨脹土在吸濕膨脹過程的變形和力學響應，在大量試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運用力學和數(shù)學方法，分析歸納出反映膨脹土力學特性的數(shù)學模型，并將該數(shù)學模型引入有關(guān)分析程序，建立了考慮膨脹變形的邊坡穩(wěn)定的有限元分析方法。同時，基于裂隙強度指標和地質(zhì)勘察所獲取的裂隙空間分布特征，創(chuàng)新性地提出了反映裂隙空間分布的穩(wěn)定分析方法，提出了膨脹土渠道邊坡的處理原則和思路，從而從理論和實踐上系統(tǒng)、完整地解決了膨脹土邊坡的穩(wěn)定分析理論和方法，為有效解決南水北調(diào)中線工程膨脹邊坡穩(wěn)定問題奠定了基礎(chǔ)。

4.5 膨脹土的處理措施

通過在中線工程渠線上開展實體工程大規(guī)模的處理措施施工和效果驗證試驗。為強化環(huán)境因素對邊坡穩(wěn)定的影響，研究人員采用大型噴灑設(shè)施模擬大范圍的大氣降雨，并根據(jù)當?shù)氐挠炅俊⒂晷吞卣?，進行人工降雨試驗，通過預先埋設(shè)在邊坡土層中的各種儀器設(shè)備，觀測降雨期間土坡內(nèi)部的變形、含水量等觀測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，取得了大量寶貴的第一手觀測試驗資料，為邊坡破壞機理和處理效果分析奠定了基礎(chǔ)。此外，為研究不同處理措施的施工工藝和施工質(zhì)量控制方法，在現(xiàn)場進行了大型碾壓試驗，對設(shè)計擬采用的處理方案進行了施工技術(shù)研究，攻克了諸如土工格柵、土工袋等施工技術(shù)難關(guān)。

5 結(jié)語與展望

南水北調(diào)中線工程中的膨脹土問題，歷經(jīng)近50年的研究，從早期對膨脹土試驗方法的探索，到20世紀80－90年代對膨脹土問題全面基礎(chǔ)性的研究，再到“十一五”期間，以2個大型現(xiàn)場試驗段為工程背景的攻關(guān)課題，長科院為南水北調(diào)中線工程膨脹土問題的解決作出了巨大的貢獻，在有關(guān)膨脹土渠坡破壞機理、膨脹土的強度理論及試驗方法、渠坡穩(wěn)定分析理論及分析方法、膨脹土的判別等方面取得了重大突破，同時，還應該清醒地認識到，有關(guān)膨脹土的理論和工程實踐還有進一步深入研究的必要。

以往的工程經(jīng)驗顯示，膨脹土渠坡穩(wěn)定具明顯的時間效應，很多渠道在穩(wěn)定運行一定年限后，仍會發(fā)生渠坡失穩(wěn)，這可能與膨脹巖土體內(nèi)的裂隙發(fā)展和大氣降雨的長期作用有關(guān)。因此，有關(guān)膨脹土裂隙的成因，以及裂隙強度控制下膨脹性巖土體的強度演變規(guī)律、渠坡的長期穩(wěn)定性等問題尚有待進一步的研究。

此外，在有關(guān)膨脹土渠坡穩(wěn)定的處理措施方面，“十一五”課題立項時，人們普遍認為，膨脹土的邊坡失穩(wěn)主要為淺層的牽引式破壞，因此，在該課題的研究內(nèi)容中，處理措施主要是針對膨脹土的“淺層”破壞問題。“十一五”課題研究發(fā)現(xiàn):膨脹土邊坡不僅在受水增濕條件下會產(chǎn)生淺層失穩(wěn)，淺層失穩(wěn)的主要機理為土的膨脹變形;而且存在重力作用下的整體穩(wěn)定問題，整體穩(wěn)定受裂隙面強度控制。對于膨脹變形引起的渠坡破壞，采用換填土(包括換填非膨脹土、水泥改性土、土工格柵加筋、土工袋等)的處理措施可以有效地解決膨脹變形作用下的渠坡穩(wěn)定問題;而對于裂隙強度控制下的渠坡穩(wěn)定問題則需要采取抗滑樁、錨桿、混凝土框架梁等支擋加固措施，對支擋措施的穩(wěn)定分析方法以及加固效果等也是今后值得深入研究的課題。

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