北疆長距離供水渠道滲漏險情模式與成因分析

仇巔，王羿

（1.新疆額爾齊斯河投資開發(fā)（集團）有限公司，烏魯木齊 830000；2.南京水利科學(xué)研究院巖土工程研究所，南京 210000）

1 工程概況及問題

北疆供水工程一期工程總干渠與南干渠總長約500 km，跨越多個地質(zhì)帶，平均凍深1.8 m，屬于高寒區(qū)[1]。工程區(qū)域內(nèi)渠道土質(zhì)飽和砂礫石、膨脹泥巖、風(fēng)積沙、低液限粉土、分散性流沙土和鹽漬化土等多種類型，渠道填筑類型包括填方（填方高度7～15 m）渠道、挖方渠道（挖方深度5～40 m）和半挖半填渠道，斷面形式有弧腳梯形和梯形兩類。渠道防滲結(jié)構(gòu)類型多樣，包括預(yù)制混凝土板+一布一膜復(fù)合防滲、全斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌+土工膜復(fù)合防滲、弧底現(xiàn)澆+坡面預(yù)制混凝土塊+防滲膜以及聚脲涂層、LEAC聚丙烯酸涂層等表面防滲涂料[2]。在排水體系方面，根據(jù)渠道土質(zhì)、挖填方形式和周邊地勢，設(shè)置有高填方區(qū)縱橫向排水管+豎井集水抽排設(shè)施、縱橫向排水管+橫向自流排水溝設(shè)施以及底部排水填筑料+橫向排水棱體自流排水設(shè)施。

經(jīng)過20余年的運行，北疆供水工程防滲體系出現(xiàn)不同程度的老化失效，排水體系也有不同程度的淤堵導(dǎo)致的排水效率下降，渠道滲漏情況逐年加劇導(dǎo)致基土水分變動劇烈[3]。對于不同的土質(zhì)，水分變化與寒區(qū)低溫雙重影響可能導(dǎo)致渠基土吸水膨脹、濕化軟化、凍融變形和固結(jié)沉降等變化，長期作用下土體物理力學(xué)性能和強度劣化是北疆供水渠道各類險情產(chǎn)生的本質(zhì)原因。系統(tǒng)梳理北疆長距離供水渠道沿線各類滲漏險情誘發(fā)因素、險情特征及產(chǎn)生機理，對于渠道安全運行管理及災(zāi)害防治具有重要意義。

2 北疆供水渠道沿線滲漏險情誘發(fā)因素分析

通過現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合歷年運管數(shù)據(jù)，可將北疆供水渠道沿線因滲漏產(chǎn)生的險情歸納為不均勻變形、襯砌結(jié)構(gòu)破壞、坡面裂縫、管涌、流土及滑坡等，險情誘發(fā)因素，包括外部防滲、排水體系失效及內(nèi)部膜后水位、不良土質(zhì)條件兩方面。

2.1 渠道滲漏險情外部誘因

2.1.1 輸水渠道防滲結(jié)構(gòu)破壞是滲漏險情源頭

北疆供水渠道防滲結(jié)構(gòu)由混凝土襯砌和下方土工膜共同構(gòu)成，此類防滲結(jié)構(gòu)存在較大的滲漏隱患，根據(jù)實際工程調(diào)研資料，襯砌與防滲土工膜的組合防滲結(jié)構(gòu)極易因土工膜施工破損、接縫不嚴和低溫老化等原因失去防滲能力。襯砌層尤其是預(yù)制混凝土襯砌板相較于現(xiàn)澆混凝土襯砌，具有變形適應(yīng)性好，易施工防裂縫的優(yōu)點。但是板間接縫砂漿強度不足，難以在長期水流沖刷和凍融作用下保持穩(wěn)定，因此，板間接縫砂漿脫落導(dǎo)致襯砌層完全喪失防滲能力。

2.1.2 渠道排水體系效率降低使?jié)B漏險情加劇

渠道排水體系是防滲結(jié)構(gòu)的補充，用于解決防滲結(jié)構(gòu)缺陷造成緩慢滲漏而引起的膜后水位升高問題。在防滲結(jié)構(gòu)與渠基之間還設(shè)置了透水墊層，與底部縱橫向排水棱體或排水管道相連。在北疆供水工程中，因渠道表面換填砂礫料排水墊層的施工，加之排水體系工作效率低，導(dǎo)致每年停水期嚴重破壞襯砌揚壓力浮托。另外，由于縱向排水體系的聯(lián)通，局部大量滲漏水經(jīng)由縱向排水體系向下游匯聚，在排泄不暢處水壓升高，造成該處的渠基繞滲，使得渠道的滲漏更加復(fù)雜。

2.2 渠道滲漏險情內(nèi)部誘因

2.2.1 膜后水位變動是滲漏險情荷載誘因

渠道膜后水位由渠水入滲到防滲結(jié)構(gòu)之后形成的防滲結(jié)構(gòu)與渠基土體之間的壓力水頭，將直接作為渠基土體入滲壓力，是渠基滲流浸潤線的直接影響因素。在渠道行水期，渠槽內(nèi)水位高，從而不斷補給膜后水位，渠基土內(nèi)孔隙水壓隨即不斷升高，浸潤線向渠基內(nèi)部延伸；在降水期和停水期，膜后水位較高，從而反滲進入渠道，但是由于防滲結(jié)構(gòu)阻滲，膜后水壓難以短時釋放，造成防滲結(jié)構(gòu)浮托、隆起變形，尤其混凝土襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生大面積破壞。

2.2.2 渠道不良土質(zhì)劣化是滲漏險情直接誘因

北疆供水渠道跨越多個地質(zhì)單元，渠堤及基礎(chǔ)常見不良土質(zhì)包括膨脹性土、分散性土、凍脹敏感性土和鹽漬土等，均存在遇水后物理力學(xué)性質(zhì)突變的特性。在不良土質(zhì)中，膨脹性、分散性和凍脹敏感性同時存在，諸如北疆長距離供水工程中，膨脹泥巖遇水膨脹脫水干縮開裂，同時飽水后產(chǎn)生崩解形成流沙態(tài)，渠坡穩(wěn)定性喪失。北疆供水渠道沖擊平原地區(qū)分布的低液限粉土細顆粒含量高，具有較強的隔水性、難固結(jié)，因此，一旦水體入滲后水分難以快速排出，造成渠基內(nèi)部的土體軟化變形；同時由于細顆粒的毛細作用，地下水快速上升至土體表面，蒸發(fā)后形成鹽漬化，導(dǎo)致孔隙率增大，土體固結(jié)度逐漸減小，形成強度喪失的欠固結(jié)態(tài)土。以上不良土質(zhì)在滲漏這一外在環(huán)境因素影響下，產(chǎn)生不均勻變形、裂縫、管涌、流土和滑坡等多種災(zāi)害的發(fā)生。

3 北疆供水渠道滲漏險情特征及機理分析

渠道防滲結(jié)構(gòu)破壞、排水缺陷、膜后水位變動和不良土質(zhì)滲水劣化構(gòu)成了輸水工程滲漏險情的誘發(fā)因素，渠道的結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)的災(zāi)害破壞特征并不相同。

3.1 滲漏-不均勻變形險情

渠道不均勻變形表現(xiàn)因渠道形式、環(huán)境作用、土質(zhì)和襯砌類型等方面因素的影響而呈現(xiàn)不同破壞特征。根據(jù)渠道填筑形式，將其分為填方渠道、挖方渠道和半挖半填渠道3類；環(huán)境作用分為溫度和水分兩類；土質(zhì)因素較為復(fù)雜，包括黏土、粉土、砂土、膨脹土、鹽漬土等多種類別。

填方渠道，在渠道運行過程中，由于渠道滲漏水的長期作用，渠堤浸潤線以下土體軟化、抗剪強度降低、鹽分或細顆粒流失等原因，產(chǎn)生較大的沉降和坡面向內(nèi)塌陷。從整體上表現(xiàn)為填方渠堤沉降同時坡面行水位以下內(nèi)凹，行水位以上外凸的不均勻變形。在停水期凍結(jié)作用下，由于渠底水分無法疏干，凍脹變形較為嚴重，因此，表現(xiàn)為渠底鼓脹。

挖方渠道，由原地面下挖而成，組成渠坡的土體為卸荷狀態(tài)，可能產(chǎn)生裂隙，因此，壓實度和防滲性能均低于填方渠道。此外，由于滲漏水出流受限，渠基浸潤線高，坡面土體孔壓升高，有效應(yīng)力降低和抗滑力下降，因此，挖方渠道行水期坡面整體下滑，渠頂拉裂；坡面土體上部下凹，下部隆起，帶動襯砌起伏變形。在凍結(jié)期，渠基水分難以排出，較多聚集于渠道中下部和底部，且凍脹量大，導(dǎo)致襯砌嚴重破壞。

渠道滲漏-不均勻變形屬于滲漏險情最初表現(xiàn)，是渠道不均勻變形的起點，不均勻變形的發(fā)展又是渠坡裂縫開展、集中滲透破壞（管涌、流土）、失穩(wěn)滑坡等更加嚴重災(zāi)害的誘發(fā)因子。

3.2 滲漏-變形-裂縫險情

輸水渠道裂縫是其他險情的先兆，有些裂縫可能發(fā)展為滲透變形，引起滑坡險情。按其走向可分為橫向裂縫、縱向裂縫、龜紋裂縫，其中以橫向裂縫和滑坡裂縫危害性較大。

輸水渠道長期運行過程中因滲漏導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要過程有：

1）入滲水長期作用下渠堤基礎(chǔ)地質(zhì)條件、物理力學(xué)性質(zhì)在浸潤線上下產(chǎn)生差異；基礎(chǔ)邊界條件變化，填土高差懸殊，壓縮變形不相同，土壤承載能力差別大，引起不均勻沉陷裂縫。

2）渠堤與跨渠橋梁或過水涵洞等混凝土建筑物結(jié)合處，由于結(jié)合不良，在不均勻沉陷以及滲水作用下引起裂縫。

3）填筑料采用膨脹性泥巖或低液限粉土等細顆粒含量高的不良土質(zhì)，引起干縮或冰凍裂縫。

3.3 渠道滲透破壞險情

根據(jù)北疆輸水渠道運行現(xiàn)狀調(diào)研成果，為了能夠在現(xiàn)場更加直觀地從滲透破壞險情的特征及表象上識別險情，將主要滲透破壞現(xiàn)象歸結(jié)為管涌型、流土型、集中滲漏型、散浸型、頂托型5種主要模式。

結(jié)合北疆供水渠道調(diào)研情況，易發(fā)生管涌的部位主要存在于總干渠與南干渠戈壁灘區(qū)域，渠道及建筑物地基中存在風(fēng)化砂礫巖透水層，渠堤采用砂礫巖、戈壁料等無黏性土填筑。在部分平原沖擊扇渠道挖方段部分渠道為下方粗砂、表面粉砂層的雙層地基，也會發(fā)生相應(yīng)的管涌破壞。

北疆供水渠道流土的易發(fā)渠段分布在接近尾部的平原沖擊扇區(qū)域，出險部位：（1）平原沖擊扇地區(qū)渠道及建筑物地基中存在出露的細砂、粉細砂、粉土地層。（2）采用建筑物外側(cè)粉質(zhì)土、粉細砂填筑的填筑體。

北疆供水渠道集中滲漏主要發(fā)生在渠道與排洪涵、跨渠交通橋橋墩結(jié)合部以及渠道自身內(nèi)部裂縫或孔洞處。不均勻沉降、變形等外因?qū)е碌慕ㄖ锝Y(jié)合面脫開，相鄰填筑土層滲透性差異大、土與混凝土結(jié)合面呈非整合結(jié)合狀態(tài)或結(jié)合部填土不密實導(dǎo)致接觸面集中滲漏，以及其他原因?qū)е碌呢灤┩ǖ赖榷际羌袧B漏發(fā)生的前期誘因。

北疆供水渠道散浸是最常發(fā)生的險情，在運行期持續(xù)高水位情況下，滲水異常從背水側(cè)堤坡較高位置出逸，造成大面積坡面出水。散浸渠段均為填方或半挖半填，渠堤由透水性較好的風(fēng)化砂礫巖填筑，一般地基下方具有泥巖構(gòu)成的隔水層，導(dǎo)致滲漏水無法快速下滲而從渠坡背后出逸。渠堤外坡面的散浸危害主要是導(dǎo)致坡腳軟化，降低渠道外坡的邊坡穩(wěn)定，導(dǎo)致邊坡局部失穩(wěn)。

北疆供水渠道頂托型破壞發(fā)生于降水期，頂托破壞現(xiàn)象的發(fā)生主要是由于某一土層或結(jié)構(gòu)體承擔(dān)的地下水頂托力過高而發(fā)生失穩(wěn)破壞。結(jié)合輸水渠道特點，其易發(fā)部位有：（1）渠道襯砌、防滲體下方排水不暢，而渠道水位大幅度快速下降。（2）排水體出口處排水反濾體排水功能失效或排水功能大幅度下降，排水反濾體承擔(dān)過大的水頭等。

3.4 滲漏-滑坡險情

北疆供水渠道滲漏滑坡險情發(fā)展過程包括滲漏—不均勻變形—內(nèi)外坡拉裂—滑坡，滲漏—滲透破壞—滑坡，滲漏—揚壓力頂托—內(nèi)坡滑坡三大類型。

滲漏—不均勻變形—內(nèi)外坡拉裂—滑坡險情常見于戈壁灘泥巖段渠道。首先，渠堤產(chǎn)生因不均勻變形的橫向裂縫，裂縫處土體抗剪強度喪失，裂縫處集中滲流附加拖曳力成為附加滑動力，導(dǎo)致填方渠堤滑坡潰決。

滲漏-滲透破壞-滑坡險情常發(fā)生于平原沖擊扇區(qū)域無黏性粉土和分散性土渠道。滲透破壞造成的細顆粒大量流失、坡腳掏蝕等破壞，直接破壞渠堤出逸點附近或坡腳土體整體結(jié)構(gòu)，由渠堤下方的坍塌進而引發(fā)整體潰決。

滲漏-揚壓力頂托-內(nèi)坡滑坡險情常見于挖方分散性土、膨脹性土渠道水位降低的運行工況下。由于渠基內(nèi)水外滲且渠槽水位下降產(chǎn)生的卸荷作用，迎水面渠坡下滑力增加。同時具有分散性、膨脹性的渠基土遇水后強度幾乎喪失形成流沙態(tài)，導(dǎo)致渠坡坡腳首先破壞，進而引起渠坡整體滑塌。

4 結(jié)論

北疆供水渠道建成后經(jīng)過20余年運行，防滲、排水體系均已產(chǎn)生不同程度的老化，渠道運行期滲漏不斷加劇，致使險情頻發(fā)。通過現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合工程運行管理資料分析，梳理北疆供水渠道滲漏險情誘發(fā)原因，包括防滲結(jié)構(gòu)破壞、排水體系效率降低、膜后水位變動和渠道不良土質(zhì)等。

因工程地質(zhì)跨度大、渠道結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、運行工況多變，北疆供水渠道的滲漏險情出險模式和致險機理復(fù)雜。將工程沿線典型頻發(fā)險情劃分為不均勻變形、襯砌破壞、裂縫、滲透破壞及滑坡等類型，針對不同險情類型和致險機理進行了梳理分析，為工程管理和處置提供了支撐。