灌區(qū)渠基土改良下力學(xué)試驗(yàn)及凍脹特征研究

張西法

（費(fèi)縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400）

不論是溢洪道、大壩等大型水工建筑，還是輸水干渠、閘室等小型水工設(shè)施，考慮巖土體材料穩(wěn)定性[1，2]，有助于提高水工設(shè)計(jì)水平，對(duì)后續(xù)水工建筑運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營(yíng)能效提升均有幫助。李麗華等[3]、沈筠等[4]為研究巖土體材料力學(xué)特征，借助顆粒流PFC等離散元仿真方法，從模型微觀特征、物理力學(xué)參數(shù)影響入手，開展了離散元模型的三軸模擬加載分析，評(píng)價(jià)了土體宏、細(xì)觀應(yīng)力、應(yīng)變影響變化特征。邵應(yīng)峰等[5]、胡再強(qiáng)等[6]基于室內(nèi)試驗(yàn)方法和結(jié)果，分析了土體試樣在凍融、干濕等不同物理作用或其他自身因素影響下[7]應(yīng)力、應(yīng)變變化過程，豐富了土體宏觀力學(xué)基礎(chǔ)試驗(yàn)研究成果。針對(duì)不良土體，錢健等[8]、韋富杰[9]通過物化改性、植物體改良等方法，對(duì)改良后土體力學(xué)、滲透等特性開展了對(duì)比分析，探討了不同改性治理方法下土體承載能力與抗?jié)B能力的變化?；谠S家崖水庫黃土體在木質(zhì)素改性下力學(xué)特性，分析了木質(zhì)素?fù)搅?、含水率等因素?duì)土體宏觀力學(xué)影響，并在相應(yīng)襯砌結(jié)構(gòu)中開展了凍脹仿真計(jì)算成果對(duì)比，為工程改良黃土體設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 工程概況

許家崖水庫是臨沂地區(qū)重要的地表蓄水樞紐，借助溫涼河充沛水資源攔壩蓄水建成，承擔(dān)著地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、防洪排澇、生態(tài)補(bǔ)水等重要任務(wù)，流域內(nèi)水系分布如圖1所示。

圖1 許家崖水庫流域內(nèi)水系分布

從圖1 可以看出，許家崖水庫處于溫涼河中下游，控制著溫涼河、石井河匯入?yún)^(qū)河段流量，有助于梯級(jí)調(diào)節(jié)河道流量。工程資料表明，水庫設(shè)計(jì)總庫容為2.93 億m3，控制河道集水面積超過580 km2，上、下游河道長(zhǎng)度超過54 km，經(jīng)一、二期規(guī)劃建設(shè)，水庫樞紐包括溢洪道、輸水干渠、主、副壩以及發(fā)電廠房等水利設(shè)施。通過許家崖水庫智慧水利監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以宏觀呈現(xiàn)各類水工設(shè)施運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，實(shí)時(shí)控制各類水工設(shè)施運(yùn)營(yíng)效能，確保水庫樞紐工程運(yùn)營(yíng)可靠性。許家崖水庫作為與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的樞紐設(shè)施，不僅設(shè)有引水隧洞等水力發(fā)電建筑，同時(shí)設(shè)有引水干渠等輸水通道，與高橋、白彥等農(nóng)業(yè)灌區(qū)干、支渠構(gòu)建起立體式灌溉系統(tǒng)，面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年輸供水量超過2800 萬m3，惠及干、支渠長(zhǎng)度超過150 km。從許家崖水庫工程、下游輸水干渠工程調(diào)查得知，在水庫溢洪道消能池末端、泄洪閘基、灌區(qū)渠基等處，出現(xiàn)有分布較廣的弱風(fēng)化黃土體，其塌陷性以及固結(jié)性均不利于工程運(yùn)營(yíng)。水庫管理部門考慮針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域黃土體開展治理設(shè)計(jì)，為區(qū)域內(nèi)黃土整治提供參照。

1.2 試驗(yàn)方法

為研究許家崖水庫分布黃土治理設(shè)計(jì)，從引水干渠分布的渠基土取樣，針對(duì)其開展治理設(shè)計(jì)，并分析其治理后渠道防凍脹效果。TSZ-3B 三軸力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備如圖2 所示，該試驗(yàn)設(shè)備軸向荷載精度為0.5%，最大軸荷為200 kN，剪切速率量程為0.001～4.8 mm/min，加載臺(tái)面最大向上引伸高度為90 mm，臺(tái)面內(nèi)試樣尺寸最大可為100 mm。該試驗(yàn)設(shè)備配置有LVDT 位移監(jiān)測(cè)傳感器和機(jī)器自身紅外線測(cè)量裝置，前者量程為-15～15 mm，精度可達(dá)0.01%，測(cè)量波動(dòng)頻率為0.01 Hz；后者測(cè)量裝置量程較大，可為-25～25 mm，試驗(yàn)中常作為機(jī)器限位保護(hù)裝置。不論是軸荷加載還是圍壓加載，加載系統(tǒng)均配置有活塞作動(dòng)器，確保加載過程每一步序均處于可控狀態(tài)。試驗(yàn)前，對(duì)所有試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了誤差標(biāo)定，以減少機(jī)器誤差干擾。

圖2 TSZ-3B三軸力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備

鑒于黃土分布涉及溢洪道、輸水干渠以及部分發(fā)電廠房，且現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定表明許家崖水庫黃土物理力學(xué)參數(shù)均較為接近，含水率差異性較大為13.5%～22%，滲透系數(shù)為3.6×10-5～7.8×10-5cm/s，土層厚度為1.8～4.6 m，本試驗(yàn)從輸水干渠現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣，獲得黃土體原狀土樣，取樣面位于高橋灌區(qū)樁號(hào)6+230處，土樣所在渠面如圖3所示。黃土體的治理分為物化改性與人工夯實(shí)等方法，從室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比考慮，采用物化改性治理方案，通過原狀土樣與木質(zhì)素的混合[10]，制作成木質(zhì)素改良黃土體，探討改良土樣在輸水干渠中的承載力以及抗凍脹效果。木質(zhì)素與木質(zhì)素改良黃土體試樣分別如圖4（a）—（b）所示，所有試樣均與木質(zhì)素混合重塑，經(jīng)分層壓實(shí)與含水率控制后，制作出滿足試驗(yàn)要求樣品。改良黃土試樣擊實(shí)特征曲線如圖4（c）所示，最大干密度為1.62 g/cm3，較原狀黃土體試樣干密度整體水平有所提高。所有制備后試樣在飽和桶內(nèi)完成8 h 飽和后才可開始力學(xué)試驗(yàn)。

作為黃土體改良治理重要一環(huán)，木質(zhì)素?fù)搅靠刂戚^為關(guān)鍵。在擊實(shí)試驗(yàn)中，共有多個(gè)木質(zhì)素?fù)搅繕悠罚植紴?%～5%，而改良后土樣含水率同樣設(shè)定有14%、16%、18%、20%、22%5 組不同梯次方案，并設(shè)定有一組原狀黃土試樣（摻量0、含水率18%）。試驗(yàn)中，圍壓設(shè)定為120、240、360 kPa，各組試驗(yàn)參數(shù)詳見表1。基于木質(zhì)素改良方法下黃土體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)輸水干渠襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特征開展對(duì)比分析。

表1 試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)

2 木質(zhì)素改良下黃土體力學(xué)特征變化

2.1 木質(zhì)素?fù)搅坑绊?/h3>

基于兩圍壓下典型試樣力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，獲得了木質(zhì)素?fù)搅坑绊懴碌脑嚇討?yīng)力應(yīng)變特征，如圖5 所示。從圖5 可以看出，圍壓120、360 kPa 下，在各木質(zhì)素?fù)搅肯?，試樣?yīng)力應(yīng)變特征呈現(xiàn)一致性變化特征，前者圍壓下試樣具有應(yīng)變軟化特征，在峰值應(yīng)變3.6%后出現(xiàn)應(yīng)力下降，降幅分布為34.3%～37.6%；而后者圍壓下試樣在應(yīng)變4.8%后出現(xiàn)長(zhǎng)期的應(yīng)變硬化，塑性應(yīng)變占據(jù)了應(yīng)變4.8%～16%后主導(dǎo)地位。由此對(duì)比可知，改變木質(zhì)素?fù)搅?，不?huì)影響改良黃土試樣應(yīng)變破壞特點(diǎn)，即木質(zhì)素成分含量多或少，在同一圍壓下對(duì)試樣應(yīng)變的宏觀破壞影響較弱，這決定了木質(zhì)素成分可在整體提高應(yīng)力水平中發(fā)揮作用[11，12]。

圖5 木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)改良黃土試樣應(yīng)力應(yīng)變特征影響

當(dāng)圍壓為120 kPa 下，木質(zhì)素?fù)搅?%～5%試樣峰值應(yīng)力分布為274.8～733.97 kPa，而原狀土試樣峰值應(yīng)力僅為133.5 kPa，在木質(zhì)素?fù)搅刻荽芜f增時(shí)，其峰值應(yīng)力平均增長(zhǎng)了114.8 kPa，平均增幅為29.5%，木質(zhì)素?fù)搅?%～3%內(nèi)，從原狀土至摻量3%，試樣峰值應(yīng)力提高了333.6 kPa，而在摻量3%～5%梯次時(shí)，試樣峰值應(yīng)力的增幅為20.6%，量值增長(zhǎng)了125.6 kPa，即木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)峰值應(yīng)力的提高具有“飽和點(diǎn)”。當(dāng)圍壓增大至360 kPa后，因試樣峰值應(yīng)力并不顯著，故以應(yīng)變15%處應(yīng)力為宏觀峰值應(yīng)力，較之圍壓120 kPa 下，試樣應(yīng)力整體平均提高了1.04～1.1 倍，隨木質(zhì)素?fù)搅刻荽芜f增，其宏觀峰值應(yīng)力參數(shù)提高了230.4 kPa，平均增幅與圍壓120 kPa下較為接近，為28.8%。分析表明，圍壓提高，木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)試樣改良效果仍具有較顯著效果，但從工程治理考慮，控制木質(zhì)素?fù)搅吭凇帮柡忘c(diǎn)”以下更為合理。

2.2 含水率影響

同理，基于含水率組試樣力學(xué)試驗(yàn)，獲得了含水率與木質(zhì)素改良黃土力學(xué)特征關(guān)系如圖6所示。從圖6 可以看出，同一圍壓下不同含水率試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線特征具有差異性：圍壓120 kPa 下含水率14%～18%3 個(gè)試樣應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征，在峰值應(yīng)力后均具有一定降幅，分布為39.7%～48.5%，而含水率20%～22% 2 個(gè)試樣分別在應(yīng)變5.3%、5.1%后具有應(yīng)變塑性強(qiáng)化特點(diǎn)，應(yīng)變硬化特征較顯著。同樣的現(xiàn)象在圍壓240 kPa下亦是如此，即使改變圍壓，含水率對(duì)改良土體應(yīng)力應(yīng)變影響仍保持一致現(xiàn)象?？傮w上看，含水率較低時(shí)，改良土體具有應(yīng)變脆性特點(diǎn)，峰值應(yīng)力后會(huì)有下降段，而含水率較大時(shí)，由于水分、孔隙等非穩(wěn)定因素占比超過了應(yīng)變破壞主導(dǎo)地位，因而在塑性應(yīng)變段具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖6 含水率與改良黃土試樣應(yīng)力應(yīng)變特征關(guān)系

整體上看，含水率與改良土試樣峰值應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系，圍壓120 kPa下，含水率14%～22%試樣峰值應(yīng)力分布為250.5～741.7 kPa，隨含水率梯次變化，峰值應(yīng)力平均減少了122.8 kPa，降幅為26.8%；而圍壓增大至240 kPa 后，峰值應(yīng)力分布平均提高了15%～60.7%，分布為288.1～986.4 kPa，受含水率梯次影響，該組圍壓下峰值應(yīng)力平均減少了174.6 kPa，降幅為22.1%。從各含水率梯次方案峰值應(yīng)力對(duì)比來看，圍壓120 kPa 下含水率14%增長(zhǎng)18%時(shí)，峰值應(yīng)力降幅依次為24.8%、26.6%，而在含水率20%～22%下降幅為27.5%、27.7%，與平均降幅相比差距較??；同樣圍壓240 kPa 下也有此種現(xiàn)象。分析可知，改良黃土試樣應(yīng)力水平在含水率因素削弱影響下較為均衡，在含水率梯次變化過程峰值應(yīng)力的降低較穩(wěn)定。綜合對(duì)比可知，圍壓增大，試樣應(yīng)力水平能提高，同時(shí)也會(huì)減弱含水率對(duì)改良土試樣峰值應(yīng)力削弱作用。

3 木質(zhì)素改良下黃土渠基凍脹特性變化

基于高橋灌區(qū)樁號(hào)6+230 處渠道斷面設(shè)計(jì)，開展改良黃土渠基下襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特征分析，簡(jiǎn)化部分附屬渠坡面后的剖面如圖7 所示。襯砌結(jié)構(gòu)中，底板、坡板厚度均為8 cm，渠底面、坡面斷面分別為2、2.5 m，地下水位位于渠底面下方1.6 m。在ABAQUS 中引入地基彈性梁本構(gòu)模型，渠基土物理力學(xué)參數(shù)以摻量3%改良黃土設(shè)定，進(jìn)而開展襯砌結(jié)構(gòu)凍脹仿真特征分析。

圖7 渠道剖面尺寸

基于同一木質(zhì)素?fù)搅?%下不同含水率改良黃土渠基的凍脹特征計(jì)算，獲得了渠底板斷面上凍脹位移變化特征，如圖8所示。

圖8 渠底板凍脹位移變化特征

從圖8 可以看出，在渠底板斷面上兩側(cè)渠坡腳處凍脹位移均為0，且整體上凍脹位移呈對(duì)稱分布特征，峰值凍脹位移位于斷面1 m 處，此規(guī)律在各含水率方案下均是如此，且總體上改良渠基土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹位移水平均低于原狀渠基土方案。當(dāng)渠基土含水率遞增，凍脹位移值均提高，含水率14%方案下渠底板峰值凍脹位移為2.71 mm，而含水率18%、22%下峰值凍脹位移較前者分別提高了1.5、3.9 mm，增幅分別為55.5%、144.3%，隨含水率方案梯次變化，峰值凍脹位移平均增長(zhǎng)了0.98 mm，平均增幅25.1%。相比之下，在原狀土渠基中，各含水率組試樣峰值凍脹位移分布為4.1～20.5 mm，隨含水率梯次變化，其峰值凍脹位移增幅為49.9%。原狀土渠基中[13，14]，襯砌結(jié)構(gòu)凍脹變化受含水率影響更為敏感，凍脹危害更大，即木質(zhì)素改良黃土有利于提高黃土渠基襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹能力。

4 結(jié)論

（1）木質(zhì)素?fù)搅坎粫?huì)影響改良土試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線特征，圍壓120、360 kPa下分別具有應(yīng)變軟化與應(yīng)變塑性強(qiáng)化特征；木質(zhì)素?fù)搅坑?，改良土?yīng)力愈高，但增幅以摻量3%以下更顯著，隨木質(zhì)素?fù)搅刻荽巫兓?，圍?20、360 kPa下試樣峰值應(yīng)力分別提高了29.5%、28.8%。

（2）同一圍壓下含水率不同，應(yīng)力應(yīng)變曲線具有差異性，含水率14%～18%與20%～22%改良土試樣分別呈現(xiàn)應(yīng)變軟化、應(yīng)變硬化特征；含水率與改良土峰值應(yīng)力為負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨含水率梯次變化，圍壓120、240 kPa 下分別平均降低了26.8%、22.1%，降幅在各含水率方案間較為穩(wěn)定。

（3）研究獲得了渠底板凍脹位移在斷面上呈對(duì)稱分布特征，峰值凍脹位移位于斷面1 m 處，改良土渠基襯砌結(jié)構(gòu)凍脹位移低于原狀土渠基，且后者受含水率影響敏感度高于前者。