北疆供水一期工程膨胀性渠坡滑动破坏机制与稳定分析_赵凌峰.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0129-12北疆供水一期工程膨胀性渠坡滑动破坏机制与稳定分析赵凌峰1,2，张凌凯1,2(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆，乌鲁木齐830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆，乌鲁木齐830052)cEcc摘要：北疆供水一期工程属于季节性供水工程，渠道运行多年，渗漏现象严重，渠坡滑动破坏现象频发。为深入探究渠坡的滑动破坏机制，首先对渠基土开展力学特性研究，然后利用其强度特性变化规律对渠坡的不同工况进行数值模拟分析。结果表明：在湿干-冻融循环条件下，膨胀土抗剪强度、值与弹性模量衰减严重，白砂岩 值随含水率的增加劣化明显而 值基本不变，戈壁料 和 值受含水率和循环条件影响不显著；通水期间，多次湿干-冻融循环后渠坡均未发生滑动破坏，原因在于渠坡结构面上静水压力的法向分量增加了渠基土沿滑动面的抗滑力，切向分量减少了渠基土沿滑动面的下滑力，提高了渠坡的安全稳定性；停水期间，湿干-冻融循环和膜后水位耦合作用导致渠坡发生滑动破坏，膨胀土性能衰减、白砂岩遇水软化及膜后水位引起孔隙水压力变化是其主要诱因，浅层土体置换、受力结构优化和降低膜后水位能够起到缓解作用；现有排水井对渠坡无抗滑作用，将排水井移至渠坡中部，局部稳定性提升最显著，且单桩保护范围最大，分别为 44.3%和 45m2。关键词：寒旱区；膨胀土；输水渠道；破坏机制；数值模拟中图分类号：TU443；TV68文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0711SLIDINGFAILUREMECHANISMANDSTABILITYANALYSISOFEXPANSIVECANALSLOPEINNORTHXINJIANGWATERSUPPLYPHASEIPROJECTZHAOLing-feng1,2,ZHANGLing-kai1,2(1.CollegeofHydraulicandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China;2.XinjiangKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSecurityandWaterDisastersPrevention,Urumqi,Xinjiang830052,China)Abstract:ThefirstphaseofwatersupplyprojectinnorthernXinjiangbelongstoseasonalwatersupplyproject,andtheleakageofchanneloperationisseriousformanyyears;whatsworse,theslidingfailureofchannelslopeisfrequent.Inordertofurtherexploretheslidingfailuremechanismofcanalslope,themechanicalpropertiesofcanalfoundationsoilarestudied,andthenumericalsimulationanalysisunderdifferentworkingconditionsofcanalslopeiscarriedoutbyusingthevariationlawofitsstrengthcharacteristics.Theresultsshowthat:Undertheconditionofwet-dry-freeze-thawcycles,theshearstrengthc,valuesandelasticmodulusEofexpansivesoildecreaseseriously.Thecvalueofwhitesandstonedecreasesobviouslywiththeincreaseofwatercontent,whilethevalueisbasicallyunchanged.Thecandvaluesofgobimaterialarenotsignificantlyaffectedbywatercontentandcyclicconditions;Duringthewatersupplyperiod,theslidingfailuredidnotoccuronthecanalslopeaftermultiplewet-dry-freezecycles,whichcanbeexplainedbythatthenormalcomponentofhydrostaticpressureincreasestheanti-slidingforceofchannelfoundationsoilalongtheslidingplane,whilethetangentialcomponent收稿日期：2021-09-12；修改日期：2021-12-15基金项目：新疆维吾尔自治区天山青年计划项目(2019Q077)；新疆维吾尔自治区高校科研计划项目(XJEDU2019Y020)；中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放基金项目(IWHR-SKL-KF201908)；新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室研究项目(ZDSYS-YJS-2021-07)通讯作者：张凌凯(1987)，男，山西人，副教授，博士，硕导，主要从事环境岩土工程方面的研究工作(E-mail:xjau_).作者简介：赵凌峰(1995)，男，重庆人，硕士生，主要从事膨胀土渠道稳定性方面的研究工作(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS129reducestheslidingforceofchannelfoundationsoilalongtheslidingplane,thusimprovingthesafetyandstabilityofchannelslope;Duringtheperiodofwatershut-down,thecouplingeffectofwet-dryfreeze-thawcycleandwater level behind the membrane leads to the sliding failure of the canal slope.The main causes are theattenuationofexpansivesoilperformance,thesofteningofwhitesandstoneunderwaterandthechangeofporewaterpressurecausedbywaterlevelbehindthemembrane.Thereplacementofshallowsoil,theoptimizationofstressstructureandthereductionofwaterlevelbehindthemembranecanplayamitigationrole;Theexistingdrainagewellshavenoanti-slideeffectonthecanalslope,thelocalstabilityofthecanalslopeinthemiddleofthedrainagewellisthemostobvious,andthesinglepileprotectionrangeisthelargest,whichis44.3%and45m2,respectively.Keywords:coldandaridregions;expansivesoil;waterdeliverychannels;destructionmechanism;numericalsimulation新疆地处亚欧大陆腹地，水资源时空分布不均，严重制约区域经济发展。为缓解水资源供需矛盾，北疆地区修建了一批长距离调水工程。如北疆供水一期工程，地处季节性冻土区，年平均地温 3.4，最低气温可达40.3，夏季平均气温 20，冬季平均气温20，为减少渠道冻胀破坏，采用每年 4 月9 月份通水、其余时间停水的运行方式1。该工程穿越膨胀土渠段约占总渠道的32%，特殊的自然环境与典型的通水、停水运行方式对膨胀性渠基土形成了明显的干湿交替和冻融循环作用，膨胀土发生表层裂隙、力学性质劣化现象，从而导致渠坡发生滑动破坏，严重影响渠道供水效率。在湿干-冻融循环作用下，膨胀土的边坡破坏现象呈现出往复性、多发性和长久性的特点23，且膨胀土边坡的失稳状态常常表现出有别于黏性土边坡的破坏模式，具有明显的滞后性和由浅层破坏向多层逐级后退的牵引性等特点46。国内外学者通过现场观测、模型试验及数值模拟等手段对膨胀土边坡的破坏模式及稳定性问题进行了研究，认为降雨与地下水入渗79、裂隙发展土体开裂1011、软弱结构面是膨胀土边坡发生失稳破坏的主要诱因12。同时，膨胀土的多裂隙性、强胀缩性13导致土体对外部环境变化十分敏感，在历经干湿交替、冻融循环作用下内部水分发生变化，土体结构整体性受到破坏，变形强度及渗流特性影响较大1415。膨胀土渠道又因其并非单一的闭场系统，而是复杂的多物理场耦合系统16，其耦合循环作用下膨胀土劣化机理具有有别于膨胀土边坡的特性。长江科学院基于南水北调中线工程，通过现场试验、离心机模型和数值模拟等多种手段，分析了膨胀变形对渠坡失稳的影响1719。南京水科院基于北疆供水一期工程，提出湿干-冻融耦合循环边界条件，结合湿干-冻融离心机模型试验，得出渠道主要劣化模式为浅层土体强度衰减、表面裂隙发展并伴有土体崩解剥落的特征16,2021。上述研究表明：湿干-冻融循环造成浅层膨胀土边坡抗剪强度降低和裂隙发展等因素，是渠道发生浅层滑坡及后退式牵引性破坏的主要诱因，因此对北疆供水一期工程膨胀土渠道滑坡段采取了一系列改造措施。首先进行了浅层土体换填、渠底形式改造和排水体系设置；后因沿线用水需求增加，以及白砂岩换填层易受渠道渗水发生结构性软化等原因，在原有改造基础上进行了渠坡加高和使用戈壁料置换白砂岩的再次改造。目前，对于膨胀土渠坡滑动破坏物理机制的研究仍处于滞后状态，一系列改造措施对提高输水效率和改善渠坡稳定性等机理的研究也尚不全面，邓铭江等2223从换填料性质、膜后水位和排水井抗滑保护范围角度对前期渠道改造进行了稳定性分析，得出排水体系降低膜后水位是提高渠坡稳定性的主要原因，但还未分析施工改造后渠道几何形状变化、运行时期特性、排水井对渠坡位移限制等对渠坡稳定性的影响。为从根本性、长期性的角度提出渠坡抗滑的治理措施，则还需对上述问题进行深入探究。基于此，本文首先对膨胀土、白砂岩和戈壁料进行室内试验研究，分析在渠道运行条件下，各渠基土的强度特性变化规律。采用有限元数值仿真手段，探究渠道在湿干-冻融循环条件下改造前后不同工况、不同运行时期的稳定性变化规律，揭示膨胀土渠坡滑动破坏的物理机制。130工程力学1工程概况新疆输水渠道膨胀土主要为老第三系的砂砾岩、砂岩、泥质砂岩和泥岩等极软岩，局部渠段有小褶皱，沿线泥岩、砂质泥岩分布较广，均属中强膨胀土，极易受湿干-冻融循环发生浅层蠕变破坏(图 1(a)16)和深层结构破坏(图 1(b)，累计已超过 30km。(a)浅层蠕变破坏16(b)深层结构破坏图1典型膨胀土渠道破坏Fig.1Typicalexpansivesoilchannelfailure渠道进行改造前，渠坡高度为 7.5m，渠顶为2m 厚白砂岩，下部全为中-强膨胀土，典型渠道断面如图 2(a)所示。由于膨胀土受湿干-冻融循环作用，膨胀土强度衰减严重，渠道滑坡时有发生。为此，对破坏段进行了前期改造施工，具体措施如下：对渠坡表层 2m 厚的膨胀土进行置换，上层置换为 0.5m 厚碎石层，下层置换为 1.5m厚白砂岩；在渠底和沿线