北疆供水一期工程膨脹性渠坡滑動(dòng)破壞機(jī)制與穩(wěn)定分析

趙凌峰，張凌凱

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆，烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆，烏魯木齊 830052)

新疆地處亞歐大陸腹地，水資源時(shí)空分布不均，嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為緩解水資源供需矛盾，北疆地區(qū)修建了一批長距離調(diào)水工程。如北疆供水一期工程，地處季節(jié)性凍土區(qū)，年平均地溫3.4℃，最低氣溫可達(dá)-40.3℃，夏季平均氣溫20℃，冬季平均氣溫-20℃，為減少渠道凍脹破壞，采用每年4 月～9月份通水、其余時(shí)間停水的運(yùn)行方式[1]。該工程穿越膨脹土渠段約占總渠道的32%，特殊的自然環(huán)境與典型的通水、停水運(yùn)行方式對膨脹性渠基土形成了明顯的干濕交替和凍融循環(huán)作用，膨脹土發(fā)生表層裂隙、力學(xué)性質(zhì)劣化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致渠坡發(fā)生滑動(dòng)破壞，嚴(yán)重影響渠道供水效率。

在濕干-凍融循環(huán)作用下，膨脹土的邊坡破壞現(xiàn)象呈現(xiàn)出往復(fù)性、多發(fā)性和長久性的特點(diǎn)[2-3]，且膨脹土邊坡的失穩(wěn)狀態(tài)常常表現(xiàn)出有別于黏性土邊坡的破壞模式，具有明顯的滯后性和由淺層破壞向多層逐級后退的牽引性等特點(diǎn)[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場觀測、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段對膨脹土邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究，認(rèn)為降雨與地下水入滲[7-9]、裂隙發(fā)展土體開裂[10-11]、軟弱結(jié)構(gòu)面是膨脹土邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的主要誘因[12]。同時(shí)，膨脹土的多裂隙性、強(qiáng)脹縮性[13]導(dǎo)致土體對外部環(huán)境變化十分敏感，在歷經(jīng)干濕交替、凍融循環(huán)作用下內(nèi)部水分發(fā)生變化，土體結(jié)構(gòu)整體性受到破壞，變形強(qiáng)度及滲流特性影響較大[14-15]。膨脹土渠道又因其并非單一的閉場系統(tǒng)，而是復(fù)雜的多物理場耦合系統(tǒng)[16]，其耦合循環(huán)作用下膨脹土劣化機(jī)理具有有別于膨脹土邊坡的特性。長江科學(xué)院基于南水北調(diào)中線工程，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、離心機(jī)模型和數(shù)值模擬等多種手段，分析了膨脹變形對渠坡失穩(wěn)的影響[17-19]。南京水科院基于北疆供水一期工程，提出濕干-凍融耦合循環(huán)邊界條件，結(jié)合濕干-凍融離心機(jī)模型試驗(yàn)，得出渠道主要劣化模式為淺層土體強(qiáng)度衰減、表面裂隙發(fā)展并伴有土體崩解剝落的特征[16,20-21]。

上述研究表明：濕干-凍融循環(huán)造成淺層膨脹土邊坡抗剪強(qiáng)度降低和裂隙發(fā)展等因素，是渠道發(fā)生淺層滑坡及后退式牽引性破壞的主要誘因，因此對北疆供水一期工程膨脹土渠道滑坡段采取了一系列改造措施。首先進(jìn)行了淺層土體換填、渠底形式改造和排水體系設(shè)置；后因沿線用水需求增加，以及白砂巖換填層易受渠道滲水發(fā)生結(jié)構(gòu)性軟化等原因，在原有改造基礎(chǔ)上進(jìn)行了渠坡加高和使用戈壁料置換白砂巖的再次改造。目前，對于膨脹土渠坡滑動(dòng)破壞物理機(jī)制的研究仍處于滯后狀態(tài)，一系列改造措施對提高輸水效率和改善渠坡穩(wěn)定性等機(jī)理的研究也尚不全面，鄧銘江等[22- 23]從換填料性質(zhì)、膜后水位和排水井抗滑保護(hù)范圍角度對前期渠道改造進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出排水體系降低膜后水位是提高渠坡穩(wěn)定性的主要原因，但還未分析施工改造后渠道幾何形狀變化、運(yùn)行時(shí)期特性、排水井對渠坡位移限制等對渠坡穩(wěn)定性的影響。為從根本性、長期性的角度提出渠坡抗滑的治理措施，則還需對上述問題進(jìn)行深入探究。

基于此，本文首先對膨脹土、白砂巖和戈壁料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究，分析在渠道運(yùn)行條件下，各渠基土的強(qiáng)度特性變化規(guī)律。采用有限元數(shù)值仿真手段，探究渠道在濕干-凍融循環(huán)條件下改造前后不同工況、不同運(yùn)行時(shí)期的穩(wěn)定性變化規(guī)律，揭示膨脹土渠坡滑動(dòng)破壞的物理機(jī)制。

1 工程概況

新疆輸水渠道膨脹土主要為老第三系的砂礫巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖等極軟巖，局部渠段有小褶皺，沿線泥巖、砂質(zhì)泥巖分布較廣，均屬中～強(qiáng)膨脹土，極易受濕干-凍融循環(huán)發(fā)生淺層蠕變破壞(圖1(a)[16])和深層結(jié)構(gòu)破壞(圖1(b))，累計(jì)已超過30 km。

圖1 典型膨脹土渠道破壞Fig.1 Typicalexpansive soil channel failure

渠道進(jìn)行改造前，渠坡高度為7.5m，渠頂為2m 厚白砂巖，下部全為中-強(qiáng)膨脹土，典型渠道斷面如圖2(a)所示。由于膨脹土受濕干-凍融循環(huán)作用，膨脹土強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，渠道滑坡時(shí)有發(fā)生。為此，對破壞段進(jìn)行了前期改造施工，具體措施如下：①對渠坡表層2m 厚的膨脹土進(jìn)行置換，上層置換為0.5 m 厚碎石層，下層置換為1.5m厚白砂巖；②在渠底和沿線設(shè)置排水措施，先將渠道滲水集中至渠底，再利用橫向排水收集至排水井進(jìn)行抽排，排水井材料為鋼筋混凝土，外徑為3m，距離渠沿14.5m，沿渠道縱向500m 間距設(shè)置；前期改造后弧形底典型渠道斷面如圖2(b)所示。

改造后發(fā)現(xiàn)，白砂巖受到渠水滲透后，具有較強(qiáng)的黏性，極易發(fā)生滑動(dòng)破壞[24]，同時(shí)，隨著渠道沿線用水需求的增加，在前期改造的基礎(chǔ)上再次改造，將白砂巖使用戈壁料置換，并將渠坡高度加高2 m，后期改造弧形底典型渠道斷面如圖2(c)所示。

圖2 北疆輸水渠道典型斷面/m Fig.2 Typical section of water conveyance channel in northern Xinjiang

為分析改造前后渠道運(yùn)行情況，應(yīng)用FLAC3D有限元軟件建立了渠道邊坡簡化模型，三種不同形式渠道模型如圖3所示：Z軸方向?yàn)榍栏叨确较?，渠底以下深度土層深度?4.5m；Y軸方向?yàn)榍揽v向，計(jì)算范圍為100m；X軸方向?yàn)榍罊M向，計(jì)算范圍為38m，建立的渠道簡化模型網(wǎng)格尺寸為1 m。在有限元計(jì)算中，渠道模型采取Mohr-Coulomb彈塑性模型，穩(wěn)定性計(jì)算采用強(qiáng)度折減法[25]。

圖3 膨脹土渠道模型Fig.3 Expansive soil channel model

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[26]規(guī)定，邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定4種狀態(tài)，北疆供水一期工程渠道邊坡設(shè)計(jì)安全等級為一級(Fst=1.35)，渠坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分如表1所示。

表1 渠坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分Table1 Stable state division of channel slope

2 渠基土的強(qiáng)度特性

2.1 膨脹土強(qiáng)度特性

在北疆供水一期工程總干渠選取典型膨脹性泥巖，泥巖屬于中～強(qiáng)脹縮等級的黃色膨脹土，具有較好的代表性。通過室內(nèi)土工基本試驗(yàn)，獲得北疆膨脹土基本物理性質(zhì)，見表2。

表2 膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table2 Basic physical properties index of expansive soil

為了探究濕干-凍融循環(huán)對土體強(qiáng)度指標(biāo)的影響，首先對耦合循環(huán)的邊界進(jìn)行了設(shè)置，如表3所示。在濕潤階段，采用抽氣飽和法進(jìn)行抽氣8 h，飽水24 h 處理，保證土樣飽和度在95%以上；干燥階段，采用低溫(50℃)烘干法將土樣烘干至風(fēng)干含水率ωD=8.1%；凍結(jié)階段和融化階段均在GDJ/YH-225L高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱(圖4)中進(jìn)行，溫度和持續(xù)時(shí)間分別對應(yīng)-20 ℃、48 h 和20℃、48 h；試驗(yàn)共進(jìn)行10次濕干-凍融循環(huán)。

表3 濕干-凍融耦合循環(huán)邊界設(shè)置Table3 Wet-dry-freeze-thaw coupling cycle boundary setting

圖4 高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱Fig.4 high and low temperature-hum idity alternating test chamber

采用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀對受不同濕干-凍融循環(huán)的試樣開展固結(jié)快剪試驗(yàn)，分析膨脹土在耦合作用下的抗剪強(qiáng)度c、φ和 彈性模量E的衰減規(guī)律。試樣的初始干密度 ρd0為1.6g ·cm-3(壓實(shí)度為95%)，選取軸向應(yīng)變1%時(shí)刻所對應(yīng)的偏應(yīng)力增量σ1.0%與軸向應(yīng)變增量 ε1.0%的比值作為土樣的彈性模量，即E=σ1.0%/ε1.0%[27-28]。

圖5為濕干-凍融循環(huán)下試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量衰減變化曲線。由圖可知，黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E在受1次耦合循環(huán)后衰減最為劇烈，衰減率分別為22.3%、18.5%和21.8%，在10次耦合循環(huán)后趨于穩(wěn)定。衰減速率隨循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)出逐漸下降、最后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，這是由于濕干-凍融循環(huán)積累作用后試樣表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，消弱了顆粒間的膠結(jié)作用。

圖5 濕干-凍融循環(huán)下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和彈性模量衰減變化Fig.5 Variation of shear strength index and elasticmodulus attenuation under wet-dry-freeze-thaw cycles

為了預(yù)測耦合循環(huán)次數(shù)N對膨脹土抗剪強(qiáng)度c、φ和 彈性模量E的影響，對圖5中變化規(guī)律進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)擬合效果良好，具體擬合函數(shù)關(guān)系式如下：

利用強(qiáng)度折減法對渠道在濕干-凍融循環(huán)下穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常只對土體抗剪強(qiáng)度進(jìn)行衰減來反映土體劣化過程，卻忽略了土體物質(zhì)特性彈性模量衰減變化[29]，本文將充分考慮膨脹土渠坡劣化規(guī)律，對膨脹土的抗剪強(qiáng)度c、φ值和彈性模量E根據(jù)所處的環(huán)境，按照式(1)～式(3)進(jìn)行折減；其中設(shè)置膨脹土自然密度 ρ=1.84 g/cm3，飽和密度 ρsat=2.18 g/cm3。

2.2 白砂巖強(qiáng)度特性

試驗(yàn)材料選用輸水渠道典型白砂巖，天然狀態(tài)下土料并非砂顆粒，而是自然集結(jié)成塊體。通過對白砂巖在ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀開展固結(jié)快剪試驗(yàn)，得到的抗剪強(qiáng)度值如表4所示。制樣壓實(shí)度由85.5%增大到95.0%時(shí)，黏聚力c由15.6 kPa增加到42.3 kPa；內(nèi)摩擦角φ則基本不變，保持在33°左右。

表4 白砂巖抗剪強(qiáng)度值Table4 Shear strength valuesof white sandstone

為探究白砂巖在干濕交替、凍融循環(huán)下的強(qiáng)度變化，鄧銘江等[23]為此開展了三軸CD試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為干濕/濕干-凍融循環(huán)不是強(qiáng)度變化的主要因素。但從工程實(shí)際表現(xiàn)來看，白砂巖遇水急劇軟化，強(qiáng)度衰減嚴(yán)重。為此，對不同含水率狀態(tài)下白砂巖試樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度值如表5所示。由表可知，含水率的升高導(dǎo)致白砂巖c值明顯降低，φ值降低幅度很小，表明白砂巖吸水軟化效應(yīng)顯著。飽和狀態(tài)下，白砂巖的內(nèi)摩擦角和黏聚力都減少，黏聚力下降的幅度相較內(nèi)摩擦角較大，由此可見，飽水作用對白砂巖黏聚力劣化效應(yīng)顯著，而對內(nèi)摩擦角劣化效應(yīng)較小。

表5 不同含水率下白砂巖抗剪強(qiáng)度值Table5 Shear strength value of white sandstone under different water content

綜上所述，干濕交替、凍融循環(huán)條件下對白砂巖抗剪強(qiáng)度c、φ值劣化效應(yīng)未展現(xiàn)出相關(guān)規(guī)律性，而飽水狀態(tài)下白砂巖強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，故認(rèn)為白砂巖強(qiáng)度在渠道運(yùn)行中只會因渠道滲水處于飽水狀態(tài)下而衰減。在渠道邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，對處于膜后水位上的白砂巖c值取平均值21 kPa，而膜后水位以下c值取飽和值3.7 kPa；白砂巖內(nèi)摩擦角變化不顯著，定義φ值為32.5°；自然密度 ρ=1.89 g/cm3，飽和密度 ρsat=2.26 g/cm3。

2.3 戈壁料強(qiáng)度特性

北疆供水渠道總干渠穿越戈壁地區(qū)，其間廣泛分布著戈壁料，戈壁料土體顆粒粒徑較大，屬于壓縮性較小、透水性大承載力高的粗粒土[30]。為了解和掌握戈壁區(qū)粗粒土填料的物理力學(xué)特性和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，對戈壁料開展了基本物理試驗(yàn)和室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)。

通過顆粒篩分試驗(yàn)，測定戈壁料的粒組含量如表6所示?？梢钥闯?，戈壁料粗粒組(＞0.075mm)含量為96.25%，而細(xì)粒(＜0.075 mm)含量僅有3.75%。在粗粒組中，戈壁料砂粒含量占總質(zhì)量的30.18%，而礫石占66.07%，其中細(xì)礫又占總質(zhì)量的42.54%，故戈壁料為細(xì)圓礫土。

表6 戈壁料粒組含量Table6 Gobigranule group content

通過對填料在不同相對密實(shí)度Dr下在XJ-1型大型直剪儀進(jìn)行室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)，獲得抗剪抗剪強(qiáng)度如表7所示?？芍瓯诹系酿ぞ哿值和內(nèi)摩擦角φ值均隨相對密實(shí)度Dr的增大而增大，當(dāng)相對密實(shí)度Dr達(dá)到0.95時(shí)黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值達(dá)到最大值。

表7 戈壁料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table7 Indicatorsof shear strength of Gobimaterial

從戈壁料的粒組含量可以看出，粗粒徑顆粒含量為66.3%，細(xì)粒徑顆粒含量為33.7%，屬于粗粒徑土，具有良好的滲透性。當(dāng)渠道滲水后，戈壁料的大粒徑能有效地將滲水排入渠底的滲排體系中，故認(rèn)為戈壁料的強(qiáng)度在渠道運(yùn)行狀態(tài)下不會因渠道滲水而產(chǎn)生濕干-凍融循環(huán)影響。在渠道邊坡穩(wěn)定性計(jì)算中，選取戈壁料在相對密實(shí)度為0.95的強(qiáng)度指標(biāo)：c=23.8 kPa，φ=38.6°，自然密度 ρ=2.16 g/cm3。

3 不同工況下渠坡穩(wěn)定性分析

3.1 通水期渠坡穩(wěn)定性分析

供水渠道在每年的4月下旬至9月中旬屬于通水期，自4月中下旬始，供水渠道逐漸增大輸水量，在歷時(shí)20 d 后水位將升至最高運(yùn)行水位6m，由于滲漏現(xiàn)象的存在，膜后水位也伴隨著運(yùn)行水位的升高而逐漸發(fā)展。為探析渠坡膜后水位抽排前后的賦存情況，渠道管理部門對2017年未經(jīng)過滲水抽排典型渠道段和2018年加強(qiáng)滲水抽排作業(yè)后同一渠段膜后水位進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。歷經(jīng)數(shù)月的通水后，2017年未經(jīng)滲水抽排膜后水位高達(dá)6m 左右，與最高運(yùn)行水位齊平。而2018年經(jīng)過滲水抽排作業(yè)后，膜后水位降至2 m以下，且有約1/2里程處在1 m 以下。

圖6 典型渠道段膜后水位監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Monitoring resultsof water level behind membrane in typical channel section during water flow period

由于渠道地處北疆寒旱區(qū)，降雨稀少，且地下水位較深，膜后水位主要由渠內(nèi)滲水產(chǎn)生，為了簡化計(jì)算，在進(jìn)行通水期數(shù)值模擬計(jì)算中，不設(shè)地下水邊界條件，并分析最不利狀態(tài)。將未經(jīng)滲水抽排渠坡膜后水位設(shè)置為6m，經(jīng)過滲水抽排作業(yè)膜后水位設(shè)置為2 m，渠底至膜后水位的土體屬于飽和土體狀態(tài)，并按照飽和度進(jìn)行土體重度分析，建立渠道邊坡滲水孔隙水壓力分布簡化模型如圖7所示。

圖7 渠道斷面孔隙水壓力分布簡化模型Fig.7 Pore water pressure distribution model of channel cross section during water flow period

供水渠道在通水期時(shí)，渠坡在自身的抗滑能力基礎(chǔ)上，還存在著渠水作用在渠坡結(jié)構(gòu)面上的靜水壓力，對渠坡穩(wěn)定性有一定影響。渠坡結(jié)構(gòu)面單位體積上靜水壓力分布函數(shù)如下所示[31]：

式中：pw為靜水壓力； γw為水體的容重；HZ為水頭；Z為位置高程。

為了模擬渠道內(nèi)水位對渠坡的作用，在有限元計(jì)算中加入作用于渠坡結(jié)構(gòu)面的初始側(cè)向壓力，并按照靜水壓力分布函數(shù)進(jìn)行梯度設(shè)置，從而對改造前后渠坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。通過有限元軟件模擬，通水期改造前后渠坡穩(wěn)定性系數(shù)受膜后水位影響及濕干-凍融循環(huán)年限增加膨脹土渠坡穩(wěn)定性變化如圖8所示。

在通水期間，渠道水位長期保持在渠道高度的3/4處，為探究渠道水位是否能對渠坡穩(wěn)定性起積極作用，以及渠內(nèi)靜水壓力對渠坡位移的限制作用，以北疆供水一期工程運(yùn)行渠道為背景，選取了改造前后渠運(yùn)行了10年后位移云圖進(jìn)行分析對比，如圖9所示。

由圖8、圖9所示，在通水期間，渠坡在濕干-凍融循環(huán)和膜后水位的耦合作用下，渠坡改造前后的穩(wěn)定性變化呈現(xiàn)如下4大特點(diǎn)：

圖8 通水期濕干-凍融循環(huán)渠坡穩(wěn)定性系數(shù)變化Fig.8 Change of slope stability coefficient of wet and dry circulation channel during water flow period

圖9 通水期渠坡位移云圖Fig.9 Cloud map of canalslope displacement in water-flow period

1)通水期間，渠內(nèi)水位作用在渠坡結(jié)構(gòu)面上的靜水壓力極大地限制了渠坡滑動(dòng)位移的發(fā)展，對渠坡穩(wěn)定性提升具有顯著的影響，未經(jīng)過改造的渠坡即使存在6m 膜后水位經(jīng)10次濕干-凍融循環(huán)仍能保持在極限平衡狀態(tài)之上(Fs＞1.05)，這與渠坡常在停水期發(fā)生失穩(wěn)破壞而罕見于通水期的工程實(shí)際相符合。

2)通水期渠水對于渠坡穩(wěn)定性的改善，是由于作用在不穩(wěn)定土體面上靜水壓力的法向分力增加了土體沿滑動(dòng)面的抗滑力，同時(shí)沿土體面的切向分力又減少了土體沿滑動(dòng)面的下滑力，兩者作用增大了渠坡的抗位移穩(wěn)定性。

3)經(jīng)過先后改造后，渠道渠底的形式、淺層渠基土不易受濕干-凍融循環(huán)衰減的特性能充分發(fā)揮其作用，使其在歷經(jīng)10次濕干-凍融循環(huán)仍能保持渠坡處于一級安全穩(wěn)定狀態(tài)，能夠減少對渠道的周期性修復(fù)。

4)在渠道運(yùn)行時(shí)，大粒徑的碎石層產(chǎn)生的較大的滲透性將渠水不斷的滲入渠坡內(nèi)部，雖能通過滲水抽排作業(yè)及時(shí)將滲水排走，但渠水對白砂巖的軟化作用無法避免，使其抗剪強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，前期改造穩(wěn)定性提升效果折減明顯。

3.2 停水期渠坡穩(wěn)定性分析

供水渠道在每年10月份至來年3月份屬于停水期，自9月份中下旬，供水渠道逐漸降低通水運(yùn)行水位，期間總歷時(shí)12 d～16 d，緩慢降低通水運(yùn)行水位能有效降低水位變化對渠坡的擾動(dòng)作用[32]，對渠坡穩(wěn)定性影響較小，可以近似忽略。同時(shí)，北疆供水渠道所屬阿勒泰地區(qū)，每年10月份底進(jìn)入冬季，日平均溫度將會降低至0 ℃以下，故渠坡內(nèi)滲水外排僅1個(gè)月的時(shí)間，此時(shí)膜后水位來不及外排便會因環(huán)境負(fù)溫而凍結(jié)，膜后水位還將保持在較高的水位。因此，在進(jìn)行計(jì)算中，設(shè)置滲水抽排前后膜后水位賦存情況與通水期保持一致，同時(shí)忽略渠水凍結(jié)的體積膨脹變形引起的土體抗剪強(qiáng)度變化。

圖10為停水期改造前、后，渠坡穩(wěn)定性系數(shù)受膜后水位影響，及濕干-凍融循環(huán)年限增加膨脹土渠坡穩(wěn)定性變化。可知，在未經(jīng)過濕干-凍融循環(huán)時(shí)，有/無膜后水位改造前后的渠坡都處于相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài)，其中無膜后水位時(shí)后期改造施工穩(wěn)定性系數(shù)略低原有渠坡狀態(tài)。經(jīng)過濕干-凍融循環(huán)后，無膜后水位下先后改造的弧形底渠道較改造前有相當(dāng)大的提升，分別提升28%、18.5%，即使經(jīng)過了10次濕干-凍融循環(huán)，改造后弧形底渠坡依然處于極限平衡狀態(tài)之上(Fs＞1.05)，未改造前早在第7次循環(huán)就已處于極限平衡狀態(tài)；而有膜后水位的情況時(shí)，渠坡改造前渠坡歷經(jīng)3次循環(huán)就處于不穩(wěn)定狀態(tài)，且改造后的渠坡歷經(jīng)六七次循環(huán)也處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

在經(jīng)過10次濕干-凍融循環(huán)后，改造前、后的渠坡穩(wěn)定性都有很大程度的衰減。為了進(jìn)一步探究分析渠坡改造前、后，渠道結(jié)構(gòu)形式變化、渠基土材料以及膜后水位變化等因素對其穩(wěn)定性的具體情況，對渠坡位移情況進(jìn)行探究，如圖11所示。

由圖10、圖11可知，停水期渠坡穩(wěn)定性受濕干-凍融循環(huán)和膜后水位耦合影響較通水期更為顯著，渠坡改造前、后的穩(wěn)定性變化呈現(xiàn)以下4大特點(diǎn)：

圖10 停水期濕干-凍融循環(huán)渠坡穩(wěn)定性系數(shù)變化Fig.10 Change diagram of slope stability coefficient of wetdry-freeze-thaw circulation channel during water cut-off period

圖11 停水期渠坡位移云圖Fig.11 Cloud map of channel slope displacement during water cut-off period

1)在無靜水壓力作用時(shí)，渠坡改造后能有效提升渠坡穩(wěn)定性，是因?yàn)楦纳魄赖撞康奶菪涡问綖榛⌒涡问?，以及換填了極易受濕干-凍融循環(huán)影響的淺層膨脹性渠基土，緩解了渠底受自重影響的受力沖擊以及淺層膨脹土極易受濕干-凍融劣化的物理特性。

2)渠坡存在渠后滲透浸潤面后，改造前、后渠坡穩(wěn)定性較無浸潤面都有一定的降低，由于改造前渠道未設(shè)置排水措施，膜后水位無法及時(shí)排出，導(dǎo)致渠坡自重增加，土體有效應(yīng)力降低，在未考慮渠基土受滲水產(chǎn)生的膨脹性下渠坡位移量增大、穩(wěn)定性降低；改造后的渠道能有效降低渠后滲水，延緩了渠坡破壞周期，位移量較未排水降低1/2，渠坡穩(wěn)定性提升明顯。

3)后期改造較前期改造在穩(wěn)定性系數(shù)以及渠坡位移量上，均表現(xiàn)出劣于前期改造的情況，這是由于后期改造提升了渠坡高度2m，根據(jù)戈壁料平均重度2.26 kN/m3估算，渠頂增加了45.2 kPa的自重壓力，從而導(dǎo)致渠坡穩(wěn)定性提升略低于前期改造。

4)渠坡膜后水位反映了渠道實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，改造前后的膨脹性渠坡在歷經(jīng)10次濕干-凍融循環(huán)后，渠坡安全穩(wěn)定性系數(shù)均處于不穩(wěn)定狀態(tài)(Fs＜1.05)，這與渠坡常在春、冬季停水期間發(fā)生滑動(dòng)破壞的實(shí)際相一致。

4 渠道改造措施效果分析

4.1 渠基土強(qiáng)度特性分析

由上述渠基材料強(qiáng)度特性試驗(yàn)結(jié)果可知，渠道典型膨脹土受濕干-凍融影響顯著，抗剪強(qiáng)度c、φ值及彈性模量E隨著濕干-凍融循環(huán)次數(shù)的增加衰減明顯。停水期時(shí)，當(dāng)渠道運(yùn)行歷經(jīng)8 次濕干-凍融循環(huán)后，渠坡安全穩(wěn)定性系數(shù)會低于極限平衡狀態(tài)(Fs=1.05)，渠坡即將或已經(jīng)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。使用換填料白砂巖、戈壁料對淺層土體進(jìn)行置換能有效緩解渠基土受濕干-凍融循環(huán)影響，原因在于：

前期改造換填料白砂巖，其抗剪強(qiáng)度c、φ值在濕干-凍融循環(huán)條件下與循環(huán)次數(shù)之間未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系[23]。但在飽和狀態(tài)下，白砂巖的黏聚力衰減劇烈，由干燥狀態(tài)下的23.7 kPa 衰減至3.7 kPa。在通水期，無法避免的渠坡滲流使得前期改造抗滑效果削減嚴(yán)重，需使用戈壁料進(jìn)行再次換填。后期改造換填料戈壁料，因其土體顆粒粒徑較大、表層松散，屬于壓縮性較小、透水性大承載力高的粗粒土，能及時(shí)將渠道滲水排出，故不易受濕干-凍融影響以及飽和狀態(tài)影響，具有良好的強(qiáng)度穩(wěn)定性。

4.2 渠底形式改造分析

由停水期渠坡位移云圖(圖11)可知，歷經(jīng)相同的濕干-凍融循環(huán)次數(shù)，改造前渠坡穩(wěn)定性系數(shù)都低于改造后，且最大相差了28%；同時(shí)渠坡位移量降低明顯，最大降幅達(dá)44%。渠坡改造后，弧形底渠坡較改造前梯形渠底穩(wěn)定性提升顯著，原因在于：

1)改造前梯形斷面受到潛在滑動(dòng)面的影響產(chǎn)生切向滑動(dòng)力，使渠底混凝土襯砌在中部所受應(yīng)力為最大拉、壓應(yīng)力。又因渠坡與渠底之間為鉸接形式，渠底混凝土底板受兩側(cè)渠坡傳遞的切向滑動(dòng)力。使得混凝土底板成為壓彎構(gòu)件，從而削弱了混凝土板的承載能力，出現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)降低、位移量增大的現(xiàn)象。

2)改造后的弧形渠底形式，兩側(cè)渠坡的切向滑動(dòng)力與弧形底板的曲軸是相切的，改變了底板的受力形式，使作用在底板上的軸向壓力增大，從而減小渠道底板中部所受拉應(yīng)力值。使得可以充分利用混凝土材料抗壓性能好而抗拉性能差的特點(diǎn)，提高渠坡穩(wěn)定性。

4.3 滲水速排改造分析

滲水速排改造增加了橫向排水管和豎向排水井，豎向排水井的主要作用是將滲水抽排，降低膜后水位，緩解渠道滲水對渠坡穩(wěn)定性的影響。通過對通水期、停水期渠坡有/無膜后水位進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，得出浸潤面的存在，使得浸潤面下土體呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，在增加土體自重的同時(shí)也降低了渠基土的強(qiáng)度指標(biāo)，渠坡穩(wěn)定性受其影響較大。而利用豎向排水井滲水抽排作業(yè)后，能夠明顯提升渠坡穩(wěn)定性，將膜后水位降至2m 后渠坡穩(wěn)定性系數(shù)提升了28.6%。

實(shí)際上，豎向排水井的作用實(shí)際上又相當(dāng)于抗滑樁，且豎向排水井對于坡體的抗滑作用與豎向排水樁布置位置有相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)。在設(shè)計(jì)施工中從滲水抽排的角度，將排水井布置在距渠頂14.5m 處，方便滲水收集與抽排。但因?yàn)檫h(yuǎn)離渠坡潛在滑動(dòng)面，對渠坡穩(wěn)定性作用影響較小，豎向排水井因并未直接參與渠坡滑動(dòng)變化，豎向排水井樁側(cè)沒有產(chǎn)生受力情況且也未對渠坡位移產(chǎn)生限制作用，排水井模型節(jié)點(diǎn)承受位移量僅為4.82mm，作用效果甚微，如圖12所示。

圖12 渠坡位移和排水井位移矢量云圖Fig.12 Cloud image of drainage slope displacement and force bearing of drainagewellafter reconstruction

為探究排水井的位置對渠坡的抗滑作用，共設(shè)計(jì)了9套計(jì)算方案：方案1是排水井處于原始位置，方案2～方案9則是將排水井往靠近渠坡的方向移動(dòng)，每次隔2 m 向前移動(dòng)1次，方案示意圖如圖13所示。

圖13 改造后渠坡排水井設(shè)置方案示意圖/m Fig.13 Schematic diagram of drainage well setting after modification

為了表征排水井對渠坡的保護(hù)范圍，本文依據(jù)三維計(jì)算樁前渠坡位移影響范圍來判定，將渠道設(shè)置為歷經(jīng)10年濕干-凍融循環(huán)影響的不利狀態(tài)；排水井設(shè)置為彈性模型，橫截面面積為7.065m2，長10 m，設(shè)置材料屬性為Es=30 GPa，泊松比ν=0.2，密度為2.4 g/cm3。排水井保護(hù)范圍選取方案9渠坡位移及矢量云圖來說明，排水井抵抗渠坡位移作用可分為強(qiáng)影響區(qū)(4.5 m)、中影響區(qū)(15 m)和弱影響區(qū)(32m)，將強(qiáng)影響區(qū)樁前位移影響范圍定義為排水井對渠坡保護(hù)范圍，此時(shí)單樁的保護(hù)范圍為4.5m×10m=45m2，如圖14所示。強(qiáng)、中、弱影響區(qū)對渠坡位移抵抗效用分別為52.5 cm、35 cm 和17.5 cm，下降幅度分別為75%、50%和25%，呈現(xiàn)出規(guī)律性遞減。但單樁樁-土效應(yīng)作用有限[33-34]，為繼續(xù)探究排水井對渠坡穩(wěn)定性的提升，需縮減渠道三維模型至排水井抗滑弱影響區(qū)內(nèi)，設(shè)置三維渠坡模型為縱向長度為30m 對各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

圖14 方案9渠坡位移及矢量云圖Fig.14 Scheme9 displacement vector cloud chart of canal slope

排水井布置位置對渠坡穩(wěn)定性系數(shù)及作用保護(hù)范圍變化如圖15所示。在各設(shè)計(jì)方案中，當(dāng)排水井設(shè)置在渠坡中段(方案9)時(shí)，對渠坡穩(wěn)定性提升最大、作用保護(hù)范圍最廣，此時(shí)的排水井完全充當(dāng)了抗滑樁的作用，且完全作用在渠坡滑動(dòng)面上，對渠坡位移和潛在滑動(dòng)面起到了一定的限制作用，提升穩(wěn)定性效用顯著。因此，為了充分利用其抗滑樁作用，并同時(shí)兼顧排水需求，還需進(jìn)一步的在渠坡中段加裝設(shè)置透水管樁，來提高排水抗滑性能。

圖15 排水井布置抗滑作用變化Fig.15 Variation of anti-skid action of drainage well arrangement

5 結(jié)論

本文以北疆供水一期工程為研究背景，通過室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算分析，探究了渠道在不同工況、不同運(yùn)行時(shí)期下渠坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，可得出以下結(jié)論：

(1)膨脹土受濕干-凍融循環(huán)影響，土體顆粒間膠結(jié)作用減弱，抗剪強(qiáng)度c、φ值以及彈性模量E衰減嚴(yán)重，在經(jīng)10次循環(huán)后趨于穩(wěn)定；白砂巖c值隨含水率的增加劣化明顯而φ值基本不變；戈壁料抗剪強(qiáng)度受濕干-凍融循環(huán)影響較小，且能彌補(bǔ)白砂巖遇水軟化的強(qiáng)度缺陷，具有良好的強(qiáng)度穩(wěn)定性。

(2)通水期間數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，多次濕干-凍融循環(huán)后渠坡在各工況下均未發(fā)生滑動(dòng)破壞。原因在于，作用在渠坡結(jié)構(gòu)面上的靜水壓力法向分力增加了渠基土沿滑動(dòng)面的抗滑力；切向分力又減少了渠基土沿滑動(dòng)面的下滑力，提高了渠坡抗位移穩(wěn)定性?？陀^上揭示了膨脹土渠坡“停水期滑動(dòng)破壞，通水期運(yùn)行良好”實(shí)際現(xiàn)象的物理本質(zhì)。

(3)停水期間數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，膨脹土渠坡在此階段發(fā)生滑動(dòng)破壞，與實(shí)際工況“春、冬季停水時(shí)期滑坡災(zāi)害頻發(fā)”相一致，原因在于膨脹土性能衰減、白砂巖遇水軟化以及膜后水位引起孔隙水壓力變化三者的共同作用。通過淺層土體置換、受力結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降低膜后水位能有效緩解渠坡土體受多重耦合作用的影響，提升渠坡穩(wěn)定性。

(4)改造后，排水井現(xiàn)有位置起到的抗滑作用基本可以忽略，排水井未能直接參與渠坡滑動(dòng)變化。如若移至渠坡中段，改善穩(wěn)定性效果最佳，保護(hù)范圍提升為45m2，穩(wěn)定性系數(shù)較排水井原位上升44.3%。但在現(xiàn)有排水體系中，還缺乏渠坡中部滲水處置作用效果，故兼顧抗滑與排水作用的抗滑措施是寒旱區(qū)膨脹性渠坡穩(wěn)定性防治研究進(jìn)一步探索的方向。