0.   引言

中国是一个水资源严重短缺的国家,且水资源时空分布不均,呈现出南丰北缺、东多西少的显著特点。为了调节水资源的地域分布,国家相继修建了一大批长距离调水工程^[1]。其中,北疆输水渠道缓解了乌鲁木齐、克拉玛依等地区水资源短缺的问题,是名副其实的生命线工程^[2]。

北疆输水渠道为季节性供水,在渠道渗漏的区域,渠基土会经历“湿干”循环；北疆冬季气温低,最低温度可达-20℃,渠基土会经历“冻融”循环^[3-4]。渠道多年运行结果表明,膨胀土渠段滑坡频发,每年需要耗费大量的人力物力进行维修,主要原因在于膨胀性渠基土性质不稳定,在“湿干”循环、“冻融”循环作用下强度衰减,最终导致滑坡^[5-7]。为了解决这一难题,建管部门对渠道进行了改造,主要包括如下两条改造措施：①对渠坡的膨胀土进行换填,表层换为0.5 m厚碎石层,中间层为1.5 m厚白砂岩,内部依然为膨胀土；②在渠底设置排水设施,先将渠道渗漏的水集中到渠底,然后通过渠道沿线布置的竖向排水井进行抽排,避免渗水堆积造成对渠基土的劣化。

渠道改造前后,渠坡稳定性是否得到显著提高,目前尚无系统研究。首先,根据监测资料,改造前渠基土每年都会经历明显的干湿循环作用,导致渠道内部的膨胀土强度发生不可逆转的衰减,引起边坡稳定性系数的下降。其次,渠道在供水末期水位逐渐降低至0,在水位下降过程中,渠坡稳定性如何变化,是需要探索的问题。最后,渠道改造前大多数断面都存在不同高度的膜后水,改造后设置了排水系统,需要考察膜后水的存在对于渠坡稳定性的影响。

基于此,本文首先白砂岩开展了系列室内试验研究,测试了其强度指标在“干湿”循环、“冻融”循环条件下的变化规律,在此基础上分析了渠道改造措施对渠坡稳定性的影响,为渠道的建设和管理提供参考。

1.   渠基土的强度特性

1.1   渠道换填改造方案

渠道换填之前,渠道总高度为7.5 m,上层为1.9 m厚白砂岩,下部都为膨胀土,典型断面如图1（a）所示。由于渠水入渗导致膨胀土强度衰减,渠道滑坡时有发生,因此,管理部门对渠坡进行了改造。主要包括两条措施：①将渠坡表层膨胀土置换为0.5 m厚碎石层和1.5 m厚白砂岩,如图1（b）所示。②在渠底设置排水设施,及时对渗水进行抽排,避免渗水堆积造成对渠基土的劣化,如图1（b）所示。

图  1  北疆输水渠道断面图

Figure  1.  Sectional view of canal in North Xinjiang

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1.2   膨胀土强度特性

在室内单元试验中,“湿润”阶段是在常温下将初始状态的试样装在三瓣模中抽气饱和2 h,再浸泡12 h使试样达到饱和状态；“干燥”阶段为了使试样快速达到含水率w_D（渠基土在自然风干状态下的含水率,约为最优含水率的0.7倍）,采用在温度设定为60℃的烘箱中烘干,通过实时监测含水率实现；“冻结”阶段则以-20℃冻结为准,-20℃基本可以反映北疆地区冬季的平均温度；“融化”阶段以20℃状态下自然融化24 h为标准。则“湿干冻融”4个阶段的边界条件如表1所示。

表  1  湿干冻融边界条件

Table  1.  Conditions of wetting-drying and freeze-thaw cycle

状态	温度	时间
湿润	常温	抽气饱和
干燥	60℃	至含水率wD为止
冻结	-20℃	24 h
融化	20℃	24 h

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朱洵等^[3],蔡正银等^[4]对膨胀土开展了“湿干”循环和“湿干冻融”循环下的三轴试验,以干密度1.48 g/cm³,最优含水率24.1%的土样为例,得到抗剪强度指标c,φ值与循环次数N的关系为^[3-4]

式中,$c_{\text{WD}}$为“湿干”循环下的黏聚力（kPa）,$c_{\text{WDFT}}$为“湿干冻融”循环下的黏聚力（kPa）,φ为“湿干”循环或“湿干冻融”循环下的内摩擦角。

根据式（1）～（3）绘制了膨胀土在“湿干”循环和“湿干冻融”循环下c,φ值的衰减曲线,如图2所示。由图2可得,膨胀土c,φ值在“湿干”循环或“湿干冻融”循环5次后基本衰减到稳定状态。其中,“湿干冻融”循环下的黏聚力c值由22 kPa衰减至13 kPa左右,“湿干”循环下的黏聚力c值由22 kPa衰减至18 kPa左右；“湿干”循环与“湿干冻融”循环下的φ值衰减规律相同,由15°衰减至12°。

图  2  膨胀土强度参数的衰减规律

Figure  2.  Attenuation law of strength parameters of expansive soil

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对渠道稳定性进行计算时,膨胀土的强度参数c,φ值根据所处的环境,按照式（1）～（3）进行折减,自然密度为1.84 g/cm³,饱和密度为1.92 g/cm³。

1.2   白砂岩强度特性

笔者先后从不同的料场采集了两批白砂岩土样,编号分别为^#1白砂岩和^#2白砂岩,主要区别在于细粒含量不同,如表2所示,^#1白砂岩细粒含量为30.1%,^#2白砂岩细粒含量为20.1%。

表  2  ^#1和^#2白砂岩的粒组含量

Table  2.  Granular content of white sandstones No.1 and No. 2

土料	细砾含量(5~2 mm)	砂粒含量(2~0.075 mm)	细粒含量(<0.075 mm)
#1白砂岩	4.7	65.2	30.1
#2白砂岩	4.0	75.9	20.1

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^#1白砂岩开展了普通三轴CD试验,得到的强度参数值如表3所示。制样压实度由88.4%增大到96.%时,黏聚力c由12 kPa增大到40 kPa；内摩擦角φ则基本不变,为32°左右。

表  3  ^#1白砂岩的抗剪强度值

Table  3.  Strength values of white sandstone No. 1

试样状态	制样干密度（压实度）/%	c/kPa	φ/(°)
普通状态	88.4	12	31.8
普通状态	90.9	18	32.0
普通状态	93.4	30	31.9
普通状态	96.0	41	32.0

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^#1白砂岩开展了干湿、冻融循环下的三轴CD试验,具体操作是先根据表1中的边界条件将试样养护至预定循环次数,然后再进行三轴加载剪切。得到的强度参数c,φ值与循环次数N的关系如表4所示。

表  4  干湿循环、冻融循环条件下^#2白砂岩的强度值

Table  4.  Strength values under wetting-drying cycle and freeze-thaw cycle

试样状态	试样编号	c/ kPa	φ/(°)
普通状态	Y1-1	3.9	33.2
干湿循环1次	W1-1	4.7	33.6
干湿循环1次	W1-2	2.0	31.9
干湿循环3次	W3-1	3.9	31.8
干湿循环3次	W3-2	9.2	32.3
干湿循环7次	W7-1	5.1	33.2
干湿循环7次	W7-2	3.2	32.5
冻融循环1次	F1-1	3.7	33.1
冻融循环1次	F1-2	6.0	33.4
冻融循环3次	F3-1	0.5	32.8
冻融循环3次	F3-2	8.9	31.4
冻融循环7次	F7-1	1.0	33.0
冻融循环7次	F7-2	5.4	32.9
注：进行了平行试验,试样编号-1和-2表示的平行试样。

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两批土料的物理性质相近,但是,由于^#2白砂岩的细颗粒含量更低,为20.1%,低于^#1白砂岩的30.1%。因此,三轴CD试验结果表明,^#2白砂岩的黏聚力c显著低于^#1白砂岩。其中^#1白砂岩的压实度都为95%,普通状态下（编号Y1-1）的c为3.9 kPa,内摩擦角为33.2°,如表4所示。对白砂岩试样分别进行1,3,7次干湿循环、冻融循环后,黏聚力c与干湿、冻融循环次数之间未呈现相关关系,甚至平行试验之间的差异都大于不同循环次数之间的差异；干湿循环、冻融循环下试样的内摩擦角φ则基本较为稳定,为32°左右。

综上所述,干湿循环、冻融循环条件下白砂岩的强度参数c,φ值与循环次数之间未呈现出明显的相关关系,即干湿循环、冻融循环对白砂岩的强度影响不大。因此,利用白砂岩进行换填,可以认为白砂岩的强度不会随着渠道运行年份而改变。

对渠道稳定性进行计算时,综合两种白砂岩土料试验所得的c值范围为0～40 kPa,将计算的c值取平均值,为20 kPa；白砂岩的φ较为稳定,定为φ=32°；自然密度为1.89 g/cm³,饱和密度为2.13 g/cm³。

2.   渠坡稳定性

2.1   计算方案

渠坡稳定性计算采用有限元强度折减法^[8],渠道断面有限元网格如图3所示。计算中基本假设如下：

图  3  渠道断面有限元网格

Figure  3.  Mesh of canal section

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（1）实际监测结果表明,北疆渠道冻深在2 m以内,因此,2 m深度以内的土体才会经历“冻融”循环,该区域内的土体所采用的强度参数为“冻融”循环作用下的强度参数。

（2）若渠道发生渗漏,防渗膜后浸润线以下的饱和区域会经历“湿干”循环,该区域内的土体所采用的强度参数为“湿干”循环作用下的强度参数。

（3）同时满足（1）和（2）的区域土体会经历“湿干冻融”循环,所采用的土体强度参数为“湿干冻融”循环作用下的强度参数。

（4）若膜后水位为0,即渠道没有发生渗漏,渠基土没有经历“湿干”循环作用；土体没有水分补充,则“冻融”作用的影响也较小。因此,膜后水位为0,渠道土体都采用N=0时的强度参数。

计算主要涉及3种土料,白砂岩的强度参数为c=20 kPa,φ=32°,自然密度为1.89 g/cm³,饱和密度为2.13 g/cm³。砂砾石的初始强度参数为c=0 kPa,φ=40°,自然密度为2.30 g/cm³,饱和密度为2.53 g/cm³。膨胀土的强度参数随着工况的变化而变化,按照式（1）～（3）确定,自然密度为1.84 g/cm³,饱和密度为1.92 g/cm³。

实践表明,退水时为渠坡稳定最危险工况,此时渠水快速降低至0,但渗漏区域的膜后水位并未消散。因此,渠坡稳定性计算选择的工况为渠水位为0,计算年份为0～5 a,膜后水位高度为0～5 m,综合不同运行年数和不同膜后水位高度,共产生6×6=36种典型工况,并分别计算了改造前和改造后不同工况下的渠坡稳定性系数,如表5,6所示。

表  5  渠道换填前各工况下渠坡稳定性系数

Table  5.  Stability of canals under various conditions before reconstruction

N/次	膜后水位
	0 m	1 m	2 m	3 m	4 m	5 m
0	1.78	1.73	1.67	1.61	1.56	1.50
1	1.78	1.49	1.43	1.38	1.33	1.28
2	1.78	1.42	1.37	1.31	1.27	1.22
3	1.78	1.39	1.34	1.29	1.24	1.19
4	1.78	1.37	1.32	1.28	1.23	1.18
5	1.78	1.35	1.31	1.26	1.22	1.17
注：N表示循环次数,一年表示渠基土经历一次“湿干”、“冻融”或“湿干冻融”循环。

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表  6  渠道换填后各工况下渠坡稳定性系数

Table  6.  Stability of canals under various conditions after reconstruction

N/次	膜后水位
	0 m	1 m	2 m	3 m	4 m	5 m
0	1.82	1.76	1.71	1.65	1.60	1.53
1	1.82	1.56	1.51	1.46	1.39	1.35
2	1.82	1.51	1.46	1.41	1.36	1.31
3	1.82	1.48	1.44	1.39	1.34	1.29
4	1.82	1.47	1.42	1.38	1.33	1.28
5	1.82	1.46	1.41	1.37	1.32	1.27

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以表5中N=0、膜后水位为0 m的工况为例,由强度折减法计算得到滑弧如图4（a）所示,滑弧由渠底贯通至渠顶。选取渠道现场典型滑坡断面,如图4（b）所示,滑坡从渠底贯通到渠顶马道,滑弧范围与有限元计算结果相匹配。由此可见,本文采取的计算方案是合理的。

图  4  典型膨胀土渠道滑坡

Figure  4.  Typical landslide of expansive soil canal

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《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2013）^[9]规定,边坡稳定性状态分为稳定、基本稳定、欠稳定和不稳定4种状态,如表7所示。

表  7  边坡稳定性状态划分

Table  7.  Division of slope stability states

稳定性系数Fs	Fs<1.0	1≤Fs<1.05	1.05≤Fs<Fst	Fs>Fst
稳定性状态	不稳定	欠稳定	基本稳定	稳定
注：Fst为边坡稳定安全系数,一级、二级和三级安全等级的永久边坡,一般工况对应的Fst分别为1.35,1.30,1.25。本计算边坡取Fst=1.35。

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若以F_s是否大于1.35来划分渠道是否稳定,由表5可见,在渠坡改造前,由17种工况下的渠坡F_s小于1.35,主要集中在膜后水位高、循环次数大的工况；表6可见,渠坡改造后,减小到只有7种工况下的渠坡F_s小于1.35。从这个角度分析,渠坡改造在一定程度上提高了渠道的稳定性。

2.2   膜后水位的影响

根据表5中渠坡改造前的计算结果,以N为0,1,2,5为例,绘制了F_s随膜后水位高度的变化曲线,如图5所示。

图  5  膜后水位对F_s的影响

Figure  5.  Influences of post-membrane water level on F_s

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由图5可得,渠坡稳定性的变化规律受到膜后水位高度的显著影响,呈现如下3大特点：

（1）膜后水位为0的断面在多年运行期内的渠坡稳定性系数F_s保持不变,都为1.78,大于1.35,渠坡处于稳定状态。这是由于膜后水位为0,渠基土始终保持干燥状态,自重不变；且未经历干湿循环作用,强度指标不变,因此,渠坡稳定性系数不变。

（2）膜后水位为0～1 m的断面,在多年运行期内F_s大于1.35,渠坡处于基本稳定状态。

（3）膜后水位大于1 m的断面,经过多年运行以后,F_s会小于1.35大于1.05,渠坡处于基本稳定状态。

2.3   仅白砂岩换填

仅考虑白砂岩换填的影响,不考虑纵横向排水体系的作用,即相对于改造前只需要将换填层的计算参数进行修改,计算结果见表6。其中,以膜后水位为0,1,5 m时的工况为例,渠坡稳定性系数F_s与N的关系曲线如图6所示。

图  6  换填前后渠坡稳定性系数

Figure  6.  Stability coefficient of canals before and after replacement

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图6（a）表明,若渠道不发生渗漏,膜后水位为0,渠道换填后的F_s保持在1.82,相比于换填前的F_s=1.78,略有提高。图6（b）,（c）表明,在相同的膜后水位下,换填前和换填后的F_s都会随着N的增加而降低,在相同工况下,换填后的F_s都略高于换填前,平均约提高0.1。

由图6可见,仅换填对于渠坡稳定性系数F_s的提高效果并不明显。主要原因在于,换填的碎石层和白砂岩层,虽然强度性质较为稳定,不会随着“湿干”或“冻融”作用而衰减。但是,由图4（a）可见,滑弧是由渠底贯通到渠顶,主要穿过内部的膨胀土层,渠坡表层共2 m厚的换填层起到的抗滑作用较低。

2.4   白砂岩换填且渗水抽排

理论上讲,若渠道防渗体系完好,防渗膜后应当不存在水的集聚。然而,实际观测表明,一旦发生渗漏,渗漏水将会集聚在渠道防渗膜后。因此,在对北疆输水渠道进行改造时,除了对渠坡表层膨胀土进行换填之外,还在渠道设置了排水系统,将渗漏的渠水及时抽排,降低渗漏水位,减小甚至杜绝渗水对渠基土强度的衰减作用。

根据监测资料,2017年运行期内膜后水位在2 m以上的断面占比较大,断面最高水位几乎与同时刻渠道内运行水位相同。相比较而言,2018年在渠道运行期内加强了渗水抽排作业,抽排效果显而易见,监测结果表明运行期间膜后水位相比去年同期有着较大程度的下降,膜后水位多集中在2 m以下。以里程为10～18 km渠段为例,对2017年和2018年膜后水位监测结果进行对比,如图7所示。2017年渠道沿线膜后水位大都在2～5 m；2018年加强渗水抽排作业以后,膜后水位基本都降低到2 m以内,其中,约一半的井点降低到了1 m以内。

图  7  2017年和2018年膜后水位监测结果

Figure  7.  Monitoring results of post-membrane water level in 2017 and 2018

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以表5,6中的结果为依据,若换填后经过渗水抽排作业,将膜后水位保持在2 m以下,如图8（a）所示,经过多年运行,渠坡稳定性系数F_s都保持在1.41以上,大于1.35,渠坡处于稳定状态。若渗水抽排能保持膜后水位在1 m以下,如图8（b）所示,经过多年运行后,F_s都保持在1.46以上,大于1.35,渠坡处于稳定状态。相反,在渠道改造前渠底没有设置排水系统,膜后渗水无法排出,膜后水位的可能高度范围为0～5 m,由图8可见,渠坡改造前只要出现膜后水位,即便膜后水位仅为1 m,经过多年运行以后F_s也会低于1.35,渠坡将处于欠稳定状态。

图  8  换填及渗水抽排后渠坡稳定性系数

Figure  8.  Coefficient of slope stability after filling replacement and drainage modification

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经过渠坡换填及渗水抽排改造,近几年运行结果表明,渠道滑坡显著减少。结合换填计算结果和渠道运行事实,渠道滑坡发生量减小、渠坡稳定性提高,主要是排水体系的作用,将渗水及时抽排,降低膜后水位,保障了渠道内部膨胀土性质不再劣化,显著提高了渠道的稳定性；相反,换填土体本身性质的改变对提高渠坡稳定性的作用有限。

3.   结论和建议

（1）白砂岩在干湿循环、冻融循环条件下,强度参数c值略有变化,φ值则基本保持在32°左右,因此,可以认为,白砂岩的强度基本不受干湿循环、冻融循环的影响。

（2）滑弧由渠底贯通到渠顶,主要穿过内部的膨胀土层,而膨胀土的性质会随着“湿干”循环而劣化,渠坡表层0.5 m厚的碎石和1.5 m厚的白砂岩换填层起到的抗滑作用较低。

（3）渠道改造后滑坡发生量减小、渠坡稳定性提高,主要是排水体系的作用,将渗水及时抽排,降低膜后水位,保障了渠道内部膨胀土性质不再劣化,显著提高了渠道的稳定性。

（4）为了保障渠道的长期稳定性,建议对渠道渗水进行持续抽排作业,将膜后水位控制在2 m以内。