季節(jié)性供水渠道邊坡穩(wěn)定性研究

朱 銳 ，黃英豪，張 晨，郭萬里，陳 皓

(1. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京210098)

輸水渠道是我國長距離調(diào)水工程的主要建筑物，部分渠道受現(xiàn)場復雜環(huán)境約束，為季節(jié)性供水。以北疆典型膨脹土渠道為例，每年春季通水，秋季停水，該渠道2015—2016年通水期約143 d （看作是濕潤過程），停水期約222 d （看作是干燥過程），渠道每年經(jīng)歷往復的干濕過程，造成了膨脹土渠道的損毀異常嚴重[1]。目前，對于干濕循環(huán)作用下膨脹土的基本特性和膨脹土邊坡的穩(wěn)定性問題已進行了大量研究。唐朝生等[2-3]對土體在干濕循環(huán)作用下裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律進行了詳細闡述和定量分析，提出了量度指標體系；呂海波等[4-5]對干濕循環(huán)作用下膨脹土的孔隙分布、裂隙拓展、強度特性進行了一系列研究，認為干濕循環(huán)會對膨脹土體顆粒間的連接作用產(chǎn)生永久性破壞，從而降低土體抗剪強度；陳生水等[6-7]通過離心模型試驗對膨脹土邊坡在干濕循環(huán)等作用下的穩(wěn)定性開展了研究，認為干濕循環(huán)過程是膨脹土邊坡破壞的根本原因。

此外，膨脹土渠道內(nèi)經(jīng)歷循環(huán)往復的水位升降過程，基于多年來的現(xiàn)場實際觀測可知，北疆膨脹土渠道邊坡在水位驟降期間常發(fā)生失穩(wěn)破壞。水位驟降期間邊坡的穩(wěn)定性一直以來都是研究熱點和工程難題，諸多學者對此進行了探索。時鐵城等[8-9]探討了庫水位驟降對于壩坡穩(wěn)定性的影響，認為庫水位的驟降會導致壩坡安全系數(shù)的降低，且排水速度越快，壩坡安全系數(shù)越低。賈官偉等[10-11]分別通過離心模型試驗探討了水位變化對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，認為邊坡內(nèi)水位的下降速度顯著滯后于邊坡外水位，由此產(chǎn)生指向邊坡外的滲流，是造成松散土質(zhì)邊坡發(fā)生多重淺層牽引式滑坡的重要原因。上述研究揭示了水位變化誘發(fā)壩坡、河堤、松散土質(zhì)邊坡等發(fā)生失穩(wěn)的原因，但針對水位驟降期間渠道邊坡穩(wěn)定性的研究則鮮見報道。

鑒于此，以北疆典型膨脹土渠道為研究對象，通過直剪試驗對渠基膨脹土的抗剪強度進行了研究，得到渠基膨脹土在不同干濕（WD）循環(huán)次數(shù)下的抗剪強度指標并捕捉其裂隙發(fā)育特征，進而展開定量分析。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值軟件計算渠道邊坡在水位驟降后的安全系數(shù)，探討不同干濕循環(huán)次數(shù)以及不同排水速率對于渠道邊坡穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果可為北疆膨脹土渠道的建設(shè)及維護提供一定的參考。

圖 1 顆分曲線Fig. 1 Grain-size distribution curve

1 直剪試驗材料與方法

試驗土料取自北疆供水工程現(xiàn)場，所取土料為中等脹縮等級的青色膨脹土，具有區(qū)域代表性。通過液塑限聯(lián)合測定儀等設(shè)備進行了一系列試驗，測得土體液塑限分別為61.3%和20.1%，自由膨脹率為74%，最大干密度為1.69 g/cm3，最優(yōu)含水率為18.8%，顆分曲線如圖1所示。

由于現(xiàn)場渠道淺層基土經(jīng)過多年換填施工，摻有一定的砂礫石雜質(zhì)，為更好地探究渠基土強度衰減機理，擬采用重塑試樣進行直剪試驗研究。此外，由于渠道季節(jié)性運行的特點，淺層渠基土經(jīng)歷往復的干濕過程，本質(zhì)上是土體含水率以恒定幅度變化的過程。土體濕化過程對應(yīng)飽和狀態(tài)，可用抽氣飽和法模擬；土體干燥過程對應(yīng)非飽和狀態(tài)，可通過自然風干過程來模擬。試驗共配制12組試樣，每組分別配制了4個平行樣。試驗中設(shè)計了統(tǒng)一的干濕循環(huán)幅度，即含水率為8%～23%，其中，8%為自然風干含水率，23%為飽和含水率，干密度為1.5 g/cm3的試樣記為S1，干密度為1.6 g/cm3的試樣記為S2，干濕循環(huán)次數(shù)均為5次。試驗過程如下：

（1）制樣。將土料碾碎過2 mm篩后，配制初始含水率為18.8%的土樣，將配制好的土樣用塑料袋密封靜置24 h，以便含水率均勻，再制備高20 mm、直徑61.8 mm的環(huán)刀試樣。

（2）干濕循環(huán)。制樣完成后將試樣進行抽氣飽和，完成后置于實驗室中自然風干（控制實驗室環(huán)境溫度和濕度分別為（25±1）℃和（50±5）%[12]），于每天同一時刻記錄試樣的質(zhì)量來計算其含水率，當相鄰的兩天試樣質(zhì)量變化不超過0.1 g時認為風干過程已完成，此時試樣含水率約為8%，誤差小于±0.3%。風干過程完成后通過數(shù)碼相機對環(huán)刀試樣進行圖像拍攝開展裂隙發(fā)育特征研究，且每次拍攝均在同一高度。至此視為完成一次干濕循環(huán)試驗。

（3）直剪試驗。將達到目標干濕循環(huán)次數(shù)的試樣進行抽氣飽和，隨后立刻放入應(yīng)變控制式直剪儀中，每組試樣分別在不同垂直壓力（100、200、300、400 kPa）下進行快剪試驗，剪切速率控制為1.2 mm/min，根據(jù)土工試驗規(guī)程[13]，控制最大剪切變形為4 mm。剩余的試樣則繼續(xù)進行如上步驟的干濕循環(huán)。如此循環(huán)往復，直到所有試樣全部完成直剪試驗為止。

另外，為了對裂隙進行定量分析，需對拍攝出的原始照片進行處理，將處理過程分為3個步驟：（1）原始圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；（2）灰度圖像經(jīng)過閾值分割轉(zhuǎn)化為二值圖像；（3）二值圖像去噪后得到僅包含裂隙的清晰圖像，典型試樣如圖2所示。

圖 2 試樣實拍Fig. 2 Photograph of specimens

2 直剪試驗結(jié)果

2.1 裂隙演化特征

為獲得試樣表面裂隙圖像構(gòu)成要素，選取表面裂隙率和裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)表征膨脹土試樣的裂隙演化過程[14]。其中，表面裂隙率為裂隙面積與總面積之比，從總體上反映了土體的開裂程度?；谕馏w裂隙網(wǎng)絡(luò)具有統(tǒng)計意義上自相似結(jié)構(gòu)的特點，選取盒分形維數(shù)法用于裂隙網(wǎng)絡(luò)分析，描述試樣表面裂隙的分布情況和復雜度[15-16]。

圖3為裂隙演化特征隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖3(a)可以看出，在第1次干濕循環(huán)后，試樣S1、S2的表面裂隙率均達到3.5%左右，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣S1、S2分別穩(wěn)定在約7.1%和7.3%?？梢哉J為，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣S1、S2的表面裂隙率均由快速增長轉(zhuǎn)變?yōu)橼呌诜€(wěn)定。從圖3(b)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)均呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢。當土體經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，試樣S1、S2的裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)分別為1.28、1.43，這表明干濕循環(huán)作用顯著促進了試樣表面裂隙的發(fā)育。

圖 3 裂隙演化特征隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig. 3 Curve of crack characteristics variation with wetting-drying cycles

2.2 抗剪強度指標

圖4(a)和4(b)分別為試樣S1、S2的抗剪強度值隨法向應(yīng)力的變化曲線?？梢钥闯?，隨著法向應(yīng)力的增長，試樣的抗剪強度值均顯著增大。在干濕循環(huán)過程中，土體結(jié)構(gòu)性破壞，試樣的抗剪強度值均隨之衰減。當干濕循環(huán)次數(shù)達到4次后，抗剪強度值衰減幅度逐漸減小，且趨于穩(wěn)定。相較于試樣S1的抗剪強度值，試樣S2明顯較高，可以認為干密度對土體的抗剪強度值有著顯著的影響。

圖 4 抗剪強度隨法向應(yīng)力的變化曲線Fig. 4 Curve of shear strength variation with normal stress

圖5為試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)增長的變化曲線。從圖5(a)可以看出：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣S1、S2的黏聚力均顯著衰減；在前3次干濕循環(huán)過程中，試樣黏聚力的衰減幅度較大，且干密度越大黏聚力衰減幅度越大；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣黏聚力逐漸趨于穩(wěn)定。從圖5(b)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣S1、S2的內(nèi)摩擦角均呈小幅度波動式衰減的趨勢，試樣S2的內(nèi)摩擦角始終略大于試樣S1。

圖 5 抗剪強度指標定量分析Fig. 5 Quantitative analysis results of shear strength parameters

為探索干濕循環(huán)作用下膨脹土的強度衰減機理，必須建立起抗剪強度指標與裂隙特征之間的關(guān)系。圖5(c)～(f)分別為黏聚力、內(nèi)摩擦角與裂隙率、分形維數(shù)之間的關(guān)系曲線。可以看出，隨著表面裂隙率和裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)的增加，試樣S1、S2的黏聚力均產(chǎn)生顯著的衰減，而其內(nèi)摩擦角均呈波動式衰減的趨勢。這表明干濕循環(huán)過程加劇了試樣土體裂隙的發(fā)育，土體由于裂隙的不斷拓展被分割成大小不一的塊體，導致試樣土體的結(jié)構(gòu)性不斷被破壞，膨脹土體顆粒間的膠結(jié)能力也由于裂隙的存在而削弱，進而引發(fā)黏聚力的下降和內(nèi)摩擦角的小幅衰減。對于不同干密度的試樣而言，其土體干密度越大，黏聚力和內(nèi)摩擦角的衰減速率越快、衰減幅度越大。分析結(jié)果均與上文一致，可以認為干濕循環(huán)作用造成的土體裂隙發(fā)育顯著削減了渠基膨脹土的抗剪強度指標。

3 數(shù)值模型的建立

數(shù)值模型采用SEEP/W模塊計算渠道邊坡在不同工況下的暫態(tài)滲流場，在此基礎(chǔ)上，將暫態(tài)孔隙水壓力分布用于渠道邊坡的極限平衡分析中（SLOPE/W模塊），從而得到不同計算工況下的渠道邊坡安全系數(shù)，并基于此評估該膨脹土渠道邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)[17]。

3.1 計算模型與邊界

計算模型基于北疆現(xiàn)場渠道斷面尺寸進行設(shè)定，考慮到渠道剖面的對稱性，取渠道剖面的一半進行模擬，具體尺寸如圖6所示。另外，所模擬渠道地處干旱地區(qū)，地下水位較深，建模時不予考慮，僅考慮渠道通、停水（水位升降）過程對渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，通過在G-F-E上設(shè)置隨時間變化的水壓力邊界函數(shù)模擬現(xiàn)場渠道內(nèi)水位上升-恒定-下降的過程，即由于水分入滲造成的渠道邊坡濕潤過程。參考文獻[18]的邊界條件設(shè)置，A-B、B-C、A-G設(shè)為透水邊界，C-D、D-E均設(shè)為不透水邊界。

此外，鑒于Morgenstern-Price法能夠較好地揭示土條間的相互作用力，未作簡化，故數(shù)值計算采用Morgenstern-Price法進行渠道邊坡的穩(wěn)定性分析。

圖 6 模型尺寸Fig. 6 Model size

3.2 模型參數(shù)

渠基膨脹土的力學參數(shù)由直剪試驗確定，如圖5所示。為最大程度探究渠道劣化過程中的穩(wěn)定性變化，數(shù)值模擬過程中選取強度衰減更為明顯的參數(shù)進行計算，即試樣S1的抗剪強度參數(shù)。此外，基于陳皓等[19-20]的研究可知，在不同干濕循環(huán)過程中，渠水入滲深度不一，圖7為離心模型試驗所得土體劣化區(qū)域隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化范圍，將不同干濕循環(huán)次數(shù)后的渠基膨脹土強度指標賦予相應(yīng)劣化區(qū)域，以探究渠道邊坡穩(wěn)定性變化過程。

圖 7 基于干濕劣化區(qū)域[19-20]提出的強度折減法Fig. 7 Strength reduction method based on wetting-drying areas[19-20]

土水特征曲線基于Fredlund-Xing模型進行擬合，計算參數(shù)參考文獻[21]中的研究。渠基土的滲透系數(shù)為各向同性，均不考慮干濕循環(huán)作用的影響，飽和渠基土的滲透系數(shù)為0.691 2 m/d，非飽和渠基土的滲透系數(shù)基于SWCC曲線自動估算。

3.3 計算工況

選取排水速率、干濕循環(huán)次數(shù)（運行年數(shù)）作為計算變量。其中，北疆現(xiàn)場渠道停水歷時一般為12～16 d左右，即水位下降速率約為0.33～0.25 m/d，故數(shù)值計算過程中分別設(shè)置排水速率及時間為0.50 m/d （8 d）、0.33 m/d （12 d）、0.25 m/d （16 d）、0.20 m/d （20 d），以探討排水時間對于膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性的影響，如圖8所示。將渠道每年的通停水過程視為一次完整的干濕循環(huán)，基于直剪試驗結(jié)果采用強度折減法（圖7）進行計算，探討干濕循環(huán)次數(shù)（渠道運行年數(shù)）對于膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖 8 水位下降示意Fig. 8 Diagram of water-level falling time

4 數(shù)值計算結(jié)果

在土質(zhì)邊坡水位驟降過程中，邊坡安全系數(shù)隨水位降低而逐漸減小，基于此，選取渠水位下降至0 m時的渠道邊坡安全系數(shù)進行對比分析。此外，根據(jù)規(guī)范[22]，以邊坡安全系數(shù)Fst為評價指標，邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)可分為以下4種：穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定，考慮到該膨脹土渠道邊坡是永久邊坡，且屬于重大工程，故Fst取1.35。

圖9和10分別為渠道邊坡安全系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)、排水時間的變化曲線，其中藍色虛線表示安全系數(shù)為1.35，紅色虛線表示安全系數(shù)為1.05。從圖9可以看出，在不同排水工況下，渠道邊坡安全系數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增長而降低。當排水時間為8 d時，渠道邊坡安全系數(shù)在1次干濕循環(huán)過后即低于1.35，當經(jīng)歷5次干濕循環(huán)作用后，其安全系數(shù)已略低于1.05；當排水時間為12和16 d時，渠道邊坡安全系數(shù)分別在2次和3次干濕循環(huán)后接近于1.35，而當5次干濕循環(huán)作用后，其安全系數(shù)分別為1.10和1.15；當排水時間為20 d時，渠道邊坡安全系數(shù)在3次干濕循環(huán)后略低于1.35，當5次干濕循環(huán)作用后，其安全系數(shù)為1.19。另外，從圖10可以看出，在不同干濕循環(huán)次數(shù)下，渠道邊坡安全系數(shù)均隨著排水時間的增長而升高。當干濕循環(huán)次數(shù)為0次和1次時，渠道邊坡安全系數(shù)均始終高于1.35；當干濕循環(huán)次數(shù)為2次和3次時，渠道邊坡安全系數(shù)分別在排水時間為8 d和8、12 d時低于1.35，但均顯著高于1.05；當干濕循環(huán)次數(shù)為4次和5次時，渠道邊坡安全系數(shù)均始終低于1.35，其中當排水時間為8 d、干濕循環(huán)次數(shù)為5次時，渠道邊坡安全系數(shù)已略低于1.05，但仍高于1.00。

圖 9 渠道邊坡安全系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig. 9 Curve of slope safety factors variation with wettingdrying cycles

圖 10 渠道邊坡安全系數(shù)隨排水時間變化曲線Fig. 10 Curve of slope safety factors variation with falling time

前已述及，渠道每年的通、停水過程視為一次干濕循環(huán)，可以認為干濕循環(huán)次數(shù)即為渠道運行年數(shù)，故將渠道邊坡在不同計算工況下的穩(wěn)定性狀態(tài)進行劃分，如表1所示。可以看出，隨著運行年數(shù)（干濕循環(huán)次數(shù)）的增加，渠道邊坡逐漸從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛痉€(wěn)定狀態(tài)和欠穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性呈逐年下降趨勢。因此，在計算膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定性時，需考慮渠基膨脹土由于干濕循環(huán)作用產(chǎn)生的強度衰減。此外，從表1還可看出，排水時間對于渠道邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，排水時間越長，渠道邊坡穩(wěn)定性越高。當排水時間為8和12 d時，渠道邊坡分別在運行第2年和第3年由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛痉€(wěn)定狀態(tài)，其中當排水時間為8 d時渠道邊坡在運行第5年由基本穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榍贩€(wěn)定狀態(tài)；當排水時間為16和20 d時，渠道邊坡在運行第4年均由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛痉€(wěn)定狀態(tài)。

表 1 膨脹土渠坡安全系數(shù)及穩(wěn)定性狀態(tài)Tab. 1 Safety factor and stability state of expansive soil canal slope

為保障該膨脹土渠道的安全、穩(wěn)定的運行，渠道邊坡需要保持穩(wěn)定狀態(tài)或基本穩(wěn)定狀態(tài)，基于此，建議該膨脹土渠道邊坡排水時間不少于12 d，診斷、維修間隔不長于5年。

5 結(jié) 語

（1）渠基膨脹土試樣表面的裂隙發(fā)育隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷加劇，并在一定干濕循環(huán)次數(shù)后逐漸達到穩(wěn)定，干密度為1.5和1.6 g/cm3試樣的最終裂隙率分別為7.1%和7.31%，裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)分別為1.28和1.43?；诖?，渠基膨脹土的強度顯著衰減，在5次干濕循環(huán)后，干密度為1.5和1.6 g/cm3試樣的黏聚力分別降低了36.5%和26.1%，內(nèi)摩擦角分別降低了48.2%和10.8%。

（2）隨著運行年數(shù)（干濕循環(huán)次數(shù)）的增加，渠道邊坡逐漸從穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榛痉€(wěn)定狀態(tài)和欠穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性呈逐年下降趨勢。基于直剪試驗和數(shù)值計算結(jié)果，建議該膨脹土渠道邊坡的診斷、維修間隔不長于5年。

（3）水位驟降期的排水時間對于渠道邊坡的穩(wěn)定性影響顯著，排水時間越長，渠道邊坡穩(wěn)定性越高?；跀?shù)值計算結(jié)果，建議該膨脹土渠道邊坡排水時間不少于12 d。