干旱和局部滲水對膨脹土渠堤穩定性影響研究

解林 張中印 艾東 呂士展

摘要：為探究膨脹土渠堤表面風干、地下水位升高和側坡滲水等因素對其穩定性的影響，防控由此引發的現場災害，開展了填方渠坡室內模型試驗，研究了南水北調渠堤膨脹土含水量波動對渠坡變形和裂縫發育規律的影響，分析了邊坡變形值、裂縫長度寬度與含水率、時間和滲水位置的關系，揭示了膨脹土含水量波動的致災過程和時空發育規律。試驗結果表明：① 旱季坡面水分蒸發導致渠坡表層200 mm深度內首先產生垂直坡表面的“V”形簇狀縱向裂縫，后逐漸水平發育，坡面最大沉降值為4 mm，15 d后沉降趨于穩定；② 雨季渠堤下部地基水位抬升使渠堤底部膨脹土發生顯著膨脹，渠堤整體抬升3.32 mm；③ 在渠堤側坡滲水中心點附近土體含水量上升8%以上，壩堤內自由水沿縱橫向不均勻擴散而引起土體各向不均勻膨脹變形，并在右坡坡腳處產生長400 mm、寬14 mm的寬大裂縫；④ 基于膨脹系數的地基變形計算公式可以較好地預測渠坡浸水后各位置的變形量，有助于依據土體含水量判別各點的變形狀態，為渠堤穩定性分析提供參考。

摘要：膨脹土渠堤； 模型試驗； 含水量； 渠坡變形； 裂隙發育； 南水北調中線工程

中圖法分類號： TV91；TU443

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.027

0 引 言

膨脹土是一種對環境濕熱變化敏感的高塑性黏土，具有脹縮性、裂隙性等重要特性，在降雨和蒸發作用下，膨脹土反復脹縮變形導致裂隙的萌生和發展，最終形成錯綜復雜的裂隙網絡。裂隙的產生破壞了膨脹土的完整性，降低了土體強度，促進膨脹土力學性能進一步劣化，為雨水的侵入和土中水分的蒸發提供優勢通道，從而影響膨脹土的整體強度和工程結構穩定，對工程安全造成巨大的隱患和危害［1-2］。

為揭示氣候變化對膨脹土裂隙發育的影響規律，眾多學者通過室內外試驗開展了相關研究。汪時機等［3］利用圖像處理技術對干濕循環交替作用下膨脹土裂隙演化與強度衰減規律進行了研究，發現裂隙指標的增長主要集中在裂隙快速擴展期，揭示了土體黏聚力衰減與裂隙面積率的關系。駱趙剛等［4-5］運用圖像處理技術探究了土體厚度對膨脹土失水開裂的影響，試驗結果表明，土體厚度越大，其表面裂紋越寬大、單一。劉觀仕等［6］開展了不同環境濕度與溫度下的裂隙發育試驗，揭示了低濕或高溫使土樣表面易于產生更多肉眼不可見的微裂隙，并使裂紋發展更快。李進前［7］、舒志樂［8］等探究了膨脹土增濕過程的膨脹規律，得出了膨脹土無荷膨脹率隨含水量變化過程分為3個階段，分別為快速膨脹階段、緩慢膨脹階段和趨于穩定階段。

以上學者普遍采用室內試驗對膨脹土的性質進行研究，尚缺少符合現場實際情況的模型試驗研究。事實上，中國膨脹土地區的重大工程數量眾多，涉及地域廣，自然環境變化大，故應考慮不同自然環境對膨脹土工程服役性能的影響。在干濕循環對膨脹土邊坡穩定性影響的研究方面，蔡正銀等［9］考慮渠道季節性通水和停水引起的干濕循環，研究了邊坡土體裂縫擴展過程，分析渠水不斷入滲、飽和區逐漸擴大而最終導致渠坡整體發生淺層失穩破壞的過程。張雨灼等［10］研究表明，隨著干濕循環次數增加，裂縫逐漸變寬變深，水平順坡向位移在干濕循環過程中表現為遞增趨勢，豎向位移在干濕循環中表現出明顯的脹縮性。周健等［11］通過膨脹土邊坡干濕循環模型試驗得出了干濕循環導致邊坡表面強度和黏聚力不斷降低、安全系數減小的結論。肖杰等［12］研究了加筋膨脹土邊坡在干濕循環下的穩定性。在凍融循環對膨脹土邊坡穩定性研究方面，蔡正銀等［13］針對低溫地區的濕干凍融條件下膨脹土渠坡模型試驗研究表明，濕干凍融耦合循環作用誘使膨脹土渠道邊坡的劣化過程由淺層土體往深層土體發展，并最終發展為貫穿渠頂的橫向張拉裂隙。張瑩瑩等［14］采用重塑膨脹土進行室內邊坡模型試驗，發現凍融循環作用下邊坡表面裂隙由直線型向網絡狀發育，含水量隨溫度降低而降低，溫度升高反之，并在深度方向表現出明顯水分遷移現象，邊坡臨空面逐漸變形的趨勢。鄧銘江等［15］通過調研北疆渠道發現淺層膨脹土開裂是引起渠道淺層破壞的決定性因素，呈現出沿渠坡淺層發生的膨脹土剝落破壞。

然而，以上模型試驗大都集中在探究干濕、凍融循環對膨脹土邊坡表層的影響，并未充分考慮地下水位波動以及渠道長期輸水過程中側壁滲水等內部土體含水量變化對渠堤穩定性的影響。根據國內外的膨脹土工程的穩定性情況，膨脹土渠道邊坡在施工和運行過程中遇到過大量的滑坡現象，如河南信陽南灣灌渠、廣東茂名南盛工業引水渠、黑龍江引嫩工程等，這些滑坡嚴重影響灌渠的正常使用。南水北調等工程同樣存在大量膨脹土渠堤，大都通過“金包銀”結構對膨脹土渠堤進行防護，不僅存在著長期降雨和風干等渠堤表面的干濕循環，也有水渠側壁的局部滲水和地下水位升降所引起的渠堤內部變形、開裂等劣化問題，含水率的變化使渠堤內部的穩定性存在著較大的風險，但目前針對長期滲水和地下水位波動等外因引發渠堤內部結構變化等方面的研究仍較少。為明確膨脹土渠堤表面失水干縮、地下水位升降和渠堤內部滲水等因素對渠堤穩定性的影響，亟需對渠堤可能出現的結構性改變和裂縫發展情況深入探究，防控潛在風險，保障渠堤的長期運行安全。

基于以上原因，利用取自河南省南陽市的膨脹土開展渠道邊坡模型試驗，模擬表面失水干縮、地下水位升降和渠堤內部滲水等3種工況，對渠堤變形、土體含水量進行監測，開展膨脹土脹縮變形量、裂縫幾何參數、裂縫發展形態與環境條件的關聯性分析，探究不同工況下渠坡土體變形和裂隙發展規律，分析其隨含水量和時間的變化規律，并將實測變形值與膨脹土地基變形理論計算值對比分析，揭示渠堤變形開裂機理和影響因素，為膨脹土輸水渠堤劣化機理探究提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗模型

根據南水北調工程南陽段典型渠堤邊坡斷面（見圖1）形狀，按1∶20的縮尺設計模型。邊坡模型如圖2所示，整個裝置采用有機玻璃及鋁合金框架加工而成。邊坡模型尺寸為：底面邊長2 300 mm，坡頂長300 mm，厚度為150 mm，右側坡體為輸水渠外側坡，分兩級馬道，每級馬道寬度100 mm，坡比為1∶3；左側坡體面臨輸水渠（輸水渠道），底部垂直高度400 mm，坡比1∶2。

1.2 膨脹土基本物理性質

試驗所用膨脹土取自南水北調中線南陽區段，自由膨脹率69.5%，屬于中膨脹土。膨脹土基本物理參數如表1所列。為保證填筑體均勻，使用土體均為過2 mm篩的重塑土。

1.3 量測系統

模型試驗監測內容包括：坡面變形、裂縫形態、填筑體含水量和氣溫。如圖2所示，在坡面設置了3個變形監測點T1、T2、T3，分別位于左坡中部、坡頂中部和右坡中部，通過千分表監測坡體的變形量。如圖3所示，模型填筑完成后，分別在邊坡表面選擇明顯的寬大裂縫作為主控制裂縫，并在實驗過程中采用游標卡尺、皮卷尺分別對主控裂縫的寬度、長度進行測量和記錄；渠堤土體含水量采用TDR含水量探頭進行監測，坡面處含水量探頭W-1、W-2、W-3、W-4垂直于坡面插入土體10 cm，坡體內部土體含水量探頭W-5、W-6、W-7、W-8則平行于坡面插入土體內部10 cm，傳感器布設位置如圖2所示；環境溫度監測以每日09：00場地溫度為準，試驗場地溫度監測結果如圖4所示。

1.4 試驗設計

模型試驗分為3種工況：① 模擬旱季坡面蒸發失水開裂；② 模擬渠堤基底地下水位抬升；③ 模擬渠堤左側中部輸水渠道滲水，分別對應試驗的3個階段。

第一階段模擬旱季渠堤土體自然風干條件下渠堤表面裂縫的產生及發育演化過程。具體試驗過程如下：首先配制最優含水率的濕潤膨脹土，并將其分層（每層約5 cm）填入模型箱中進行夯實，達到設計的壓實度0.96，同時布設監測傳感器，填筑至設計的坡面形態，隨后進行自然風干，觀測并記錄坡面變形量、坡面裂縫長度、寬度及其形態分布等參數隨時間的變化。

第二階段模擬渠底地下水位上升，在第一階段試驗結束后，開始從模型底部預留的K1、K2號注水口（見圖2）注水，持續4 d，觀測土層中各位置含水率的變化及表層土體的位移變化情況，直至土層內含水率不再發生明顯變化后結束。

第三階段模擬渠道在長期輸水過程中從左側坡體局部滲水進入渠堤內部膨脹土，待第二階段完成后從左坡中部預埋的水平注水軟管（距離模型底面垂直距離為30 cm）注水，水頭高度為1 m，注水管上間隔15 cm設置一個直徑5 mm的出水孔。整個注水階段，監測模型坡表面T1、T2、T3監測點的位移、各點位的土體含水量和裂縫形態等變化。

2 試驗結果及討論

2.1 坡面失水開裂階段

圖5為整個試驗階段坡體膨脹土含水量變化曲線。將初始含水量設為0，以計算含水量實際變化幅度。由圖5可知，最初20 d的自然風干階段（第一階段），邊坡表面垂直插入的1號、3號含水量傳感器數值迅速下降，下降幅度達5%，而渠坡內部水平插入的6號、7號、8號傳感器變化幅度較小，均在1.5%以內。事實上，填筑體完成后，暴露在空氣中，由于環境高溫水分蒸發和空氣流通的影響，渠堤表層膨脹土水分蒸發較快，而渠堤內部土體水分向周邊緩慢遷移，其含水量變化不及表層明顯。

自然風干階段邊坡表面變形監測結果如圖6～7所示。渠堤邊坡表面沉降值隨時間逐漸遞增，左坡（T1）、右坡（T3）處沉降在前20 d內均呈持續增大趨勢，而坡頂（T2）沉降在5 d后趨于穩定。由圖7可知，前3 d坡面的沉降速率較高，為0.5～0.9 mm/d，最大值為右坡（T3）處，但在16 d后沉降速率均趨于穩定。結合圖5可知，含水量傳感器數值在20 d均有下降，尤其是1號、2號、3號等表層部位含水量下降更大，可能是由于環境高溫促使表層土體水分散失后，造成含水量迅速下降，引起膨脹土失水收縮和結構性減弱，進而導致前期坡面沉降速率較大。在前10 d，表層水分蒸發更快，含水量降低越明顯，造成膨脹土失水程度越大，產生的收縮幅度更大，使坡面沉降值隨時間逐步遞增；試驗在持續高溫天氣情況下進行，在16 d后，表層含水量值較低，其降低幅度減小，所以沉降速率逐漸趨于0，表明渠堤表面已經穩定。

渠堤表面裂縫L1～L6的形態發展情況如圖8所示，土體內部縱向裂縫的發展特征見圖9。圖10、11分別統計了表層裂縫寬度和長度的變化規律。圖8顯示表層土體含水量降低使得坡面失水收縮，干縮裂縫由表層逐漸往土體內部發展。起初3 d裂縫處于初始萌生階段，主裂縫剛開始產生，長度和寬度較小，形態不規則，然后逐漸向四周大面積擴散，此階段內裂縫垂直于坡面往坡體內部發育，裂縫寬度、長度均快速增長，所有裂縫的長度、寬度幾乎成線性增長，其中L3裂縫的增幅最大，寬度和長度分別達到8 mm和130 mm，增長速率分別為2.67 mm/d和43.3 mm/d。隨著干燥時間達到9～10 d，表層含水量降低速率減小，土體水分流失到一定程度后趨于緩和，裂縫發育深度雖有增加，此時在土體內部開始水平向擴展（見圖9），主裂縫長度、寬度幾乎保持恒定。當干燥時間達到15 d后，主裂縫附近區域發生大面積龜裂，在更大面積產生了很多細小裂縫，使主裂縫寬度縮小，裂縫沿長度方向的發育接近終止。此外，由于高溫致使表層土體含水量降低，促使深部土體的水分向表層發生遷移，由于土體內部水分分布不均勻，渠堤內部產生少數干縮裂縫（見圖9），其位置按左右順序分別記為S1、S2。S1、S2均為縱向裂縫，其產生的時間滯后于坡面表層裂縫，在第5天時兩條裂縫才剛產生，長度較短，S1長6 cm寬 0.5 mm，S2長6 cm寬0.5mm；在第12天時，S1長增加到13.5 cm，寬增加到2 mm，S2長增加到9.5 cm，寬增加到2 mm?？v向裂縫產生的規模、尺寸和持續時間均小于表層裂縫，可能是由于內部土體含水量降低程度較小，多為層間的水分遷移導致的裂縫，且滯后于表層裂縫發育，因此變化不明顯。

總體來看，在旱季高溫少雨期，邊坡在自然干燥前20 d內，由于表層土體水分蒸發，含水量顯著下降，首先在邊坡表面產生不均勻收縮和龜裂現象，由此產生多條表層裂縫，呈不規則簇狀發育，主裂縫深度由淺入深，呈“V”字形發育。裂縫長度逐漸增加，寬度由窄變寬到窄的過程，在15 d后達到相對穩定狀態，裂縫的產生可能會影響壩體結構的穩定性。

2.2 地下水抬升階段

為模擬地下水位抬升對渠堤穩定性的影響，在模擬渠堤風干失水坡面變形和裂縫穩定后，開始第二階段在模型箱基底注水，模擬雨季渠堤下部地基水位抬升對渠堤穩定性的影響。坡面變形監測結果如圖12和圖13所示。第二階段從第21～25天對模型基底進行持續注水。注水期間，底層膨脹土吸水膨脹，坡面沉降值減小，迅速隆起，右坡隆起幅度最大，5 d內隆起2.7 mm，第1天變形速率高達2.6 mm/d；左坡隆起幅度和隆起速率均最??；停止注水后，各點位坡面隆起速率顯著下降，并均在第27天達到相對穩定。

由圖5含水量的變化趨勢可知，第一階段浸水對7號含水量傳感器影響最為顯著，其含水量上升約4.2%，其余上部區域含水量變化較小，可能是由于7號傳感器與注水層（基底）的垂直距離最近而使含水率大幅度升高。底部土體吸水產生顯著膨脹，使整個填筑體向四周擴展，導致頂部抬升，側坡鼓脹，因此T1、T2、T3均有不同程度的上升，但第二階段地基注水的水分擴散范圍和膨脹變形區域主要集中于中下部，致使整個壩體T2處的垂直位移變化更明顯。

2.3 渠堤側壁滲水階段

第三階段從左坡中部預留管道注水后，邊坡表面位移監測點讀數均持續增大，但S3號百分表隆起量和隆起速率均最大，持續至第39天后達到穩定，相對于第二次加水初期隆起3.8 mm；坡頂的變形較小，加水至觀測結束期間，隆起0.7 mm，隆起速率幾乎為0。

第三階段側壁注水后，6號、7號、8號等距離出水區域較近的含水量傳感器數值上升明顯，最高達8.3%。出水點臨近區域土體含水量明顯升高，導致臨近區域土體吸水膨脹，土體結構破壞，而S3右坡保護層較薄，距滲水點中心區域距離近，在沒有側坡約束的情況下內部土體吸水膨脹后極易發生側向變形，導致較大的變形速率和嚴重的坡腳破壞。

2.4 坡體浸潤情況

第三階段注水前最高浸潤線距離基底38 cm，第三階段注水后對層間浸潤線擴散情況進行觀測，并對層間橫向、縱向水分擴散速率進行計算。

圖14為水分隨時間擴散示意圖，水分擴散速率如圖15所示。由于坡體是水平分層填筑，同一層土體較均勻，而各層之間是水分擴散的優勢通道，因此橫向擴散較快。在前5 h內，浸潤線擴散速率較快，峰值橫向擴散速率達到0.93 m/d，峰值縱向擴散速率達到0.35 m/d，橫向擴散速率約為縱向擴散速率的3倍，致使整個橫向浸潤范圍較大，引起橫向上變形更大，所以頂坡和左坡的變形量不及右坡明顯。右坡坡度較緩，其表面與填筑體內部浸潤范圍的土體垂直距離較小，且無側向約束，易受到內部土體膨脹的影響。此外，膨脹土的二維膨脹異性也對整體變形存在影響［16］，中部區域的局部豎向膨脹效果會在土體壓實和上覆填土荷載的影響下減弱，橫向上靠近浸潤范圍的右坡，在干燥失水和內部膨脹的雙重影響下，膨脹效果更加明顯，產生明顯的隆起和大裂縫。

由此可見，底部地下水位抬升和側壁滲水均會導致填筑體滲水區域附近土體含水量升高和吸水膨脹，但由于滲水點位置不同，各位置含水量分布不均，縱橫向水分遷移的速率不同，導致土體吸水變形程度不一致，滲水區域附近土體含水量明顯更高，水分傳播更為明顯。在大氣對膨脹土邊坡表面的影響及內部滲水土體膨脹的雙重影響下，右坡產生的變形量更大。

3 渠堤變形計算

由于大氣降雨、蒸發及其他原因造成膨脹土地基中含水量變化，膨脹土地基產生變形，膨脹土地基的脹縮變形量將直接影響建筑物的安全穩定，因此準確計算膨脹土地基脹縮變形量并判斷其穩定狀態十分重要。目前，膨脹土地基變形量主要采用GB 50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》中公式（1）進行計算：

Se=Ψeni=1δepi·hi

（1）

式中：Se為地基土的膨脹變形量，mm；Ψe為經驗系數，依據地區經驗確定，3層及3層以下建筑物取0.6；δepi為第i層土平均附加應力作用下的膨脹率；hi為第i層土的厚度，mm；n為基礎底面至計算深度內所劃分的土層數。

公式（1）存在一個不容忽視的缺陷，即沒有體現出膨脹土地基的脹縮變形是由含水量變化造成的。漆寶瑞等［17］提出采用膨脹系數來計算地基膨脹量，以克服該缺陷。

Se=Ψeni=1αiΔWi·hi

（2）

式中：αi為第i層土平均附加應力作用下的膨脹系數；ΔWi為第i層土中平均含水率變化值；hi為第i層土的厚度，mm。

膨脹系數能準確表征膨脹土膨脹變形能力，僅與膨脹土性質有關。公式（2）可用來計算已知含水量變化導致的膨脹變形量。

為驗證該公式的適用性，本文以第二階段加水后坡頂變形數據為例。每個測點浸潤土層范圍取10 cm，7號測點以下土體含水量變化按7號點計算。底部的地基層的含水率為23%，含水率升高了6.8%。由于模型試驗范圍內附加應力變化較小，各土層膨脹系數均取0.56，計算參數見表2。

按公式（2）計算膨脹量Se：

Se=0.6×（0.56×0.53%×100+0.56×0.72%×100+0.56×4.26%×150+0.56×6.80%×150）=5.99 mm

在模型試驗中，渠堤坡頂隆起3.32 mm，左坡隆起2.33 mm，右坡隆起8.79 mm，頂坡和左坡變形在安全計算范圍內，而右坡中部隆起位移量則超出了安全范圍，說明邊坡破壞會首先出現在右坡中部處。公式（2）計算值與實際監測值比較，可以判定出該點變形所處的穩定狀態，為堤壩預警和防護提供參考。

4 結 論

本文針對南水北調中線工程南陽段膨脹土填方渠坡現場出現的運行情況，針對性地開展了室內模型試驗，探究土體干縮、地下水位變化、側坡滲水等多因素對壩體穩定性的影響，對渠坡含水率變化、水分遷移規律、渠坡變形、裂縫發育等開展了系統分析，得出的主要結論如下：

（1） 在旱季坡面蒸發失水開裂階段，坡面沉降及開裂主要由于含水率減小引起，裂縫發育由表及里，呈簇狀發育擴展，逐步向渠坡內部呈“V”形漸進發展，在表層200 mm范圍內，裂縫先垂直于坡面發育，后逐漸向水平方向延展，發育穩定時間約為15 d。

（2） 在地基水位抬升階段，地基浸水引起底部土體含水率顯著上升產生膨脹變形使壩體以向上隆起；渠坡側壁滲水階段，渠堤中部水分集中，水分縱橫向不均勻分布和傳播，在右坡中部膨脹最大，并產生寬大的裂縫。

（3） 渠堤長期滲水導致邊坡破壞首先發生在右坡中下部，建議對輸水渠側壁采取防滲漏措施，在右坡中下坡位置加強變形防護。利用漆寶瑞修正的地基漲縮變形公式可以較好地預測地基變形量，判斷是否可能超過臨界值而產生破壞，可以為坡體穩定性預測提供科學依據。

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（編輯：黃文晉）

Effect of drought and partial seepage on stability of expansive soil canal embankments

XIE Lin1，ZHANG Zhongyin1，AI Dong2，LYU Shizhan3，4

（1.Canal Head Branch，China South-to-North Water Diversion Middle Route Corporation Limited，Nanyang 473000，China； 2.School of Urban Constriction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 3.State Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering，Wuhan Institute of Geotechnical Mechanics of CAS，Wuhan 430071，China； 4.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Abstract：

To investigate the influence of surface air drying，groundwater level rising and side slope seepage on the expansive soil embankment，and prevent the on-site disasters caused by them，a laboratory model test was conducted to study the influence of fluctuations in water content of the expansive soil on the deformation and crack development of the embankment of the South-to-North Water Diversion Project.The relationships between slope deformation，crack length，crack width and water content，time and seepage location were analyzed.The disaster-causing process and spatio-temporal development law of water content fluctuation of expansive soil were revealed.The test results showed that：① Evaporation causes the first V-shaped cluster of vertical longitudinal cracks on the slope surface at a depth of 200 mm，and then the cracks gradually develop horizontally with a maximum settlement value of 4 mm，while reach stability after 15 days.② Elevation of the water level at the foundation in the rainy season cause significant expansion of the expansive soil at the bottom，and the embankment is elevated by 3.32 mm.③ The water content of the soil near the seepage center on latera canal slope increases by more than 8%.Free water in the embankment spread unevenly along the vertical and horizontal direction，causing the uneven expansion and deformation of the soil in all directions.And a wide crack of 400 mm in length and 14 mm in width was generated.④ The calculation formula of foundation deformation based on the expansion coefficient can better predict the deformation at each location after the canal embankment submerged in water.It helps to discern the deformation state at each point based on the moisture content of the soil and provides a reference for the analysis of embankment stability.

Key words：

expansive soil canal embankment；model test；water content；deformation of canal slope；crack development；South-to-North Water Diversion Project