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膨脹土不再是“攔路虎”

——記長科院膨脹土邊坡破壞機理與關鍵技術研究及在大型輸水工程中的應用

膨脹土遇水膨脹,失水收縮,反復脹縮的特性使得土體結構發生變化,土體的變形和強度降低,常常造成工程破壞,對于水利工程,尤其是長距離輸水工程,膨脹土邊坡的穩定問題更加復雜,危害尤為嚴重,工程處理非常困難,投入巨大但收效不佳,往往需要反復處理。素有巖土工程領域“癌癥”之稱的膨脹土邊坡穩定問題,成為了全長1427公里的南水北調中線工程總干渠工程順利實施的“攔路虎”。自20世紀70年代開始,長江委勘察、設計和科研單位對中線工程膨脹土的工程特性及處理措施進行了長期深入的研究,取得了豐碩成果。日前,由長江科學院牽頭完成的“膨脹土邊坡破壞機理與關鍵技術研究及在大型輸水工程中的應用”榮獲2016年大禹水利科學技術一等獎。

南水北調中線工程總干渠明渠段涉及膨脹土(巖)累計長度約380余千米,分布有膨脹巖的渠段160余千米,分布有膨脹土的渠段270余千米(部分渠段既有膨脹巖,又有膨脹土)。其中,強膨脹巖渠段30余千米,中、弱膨脹巖渠段130余千米;強膨脹土渠段5.69千米,中、弱膨脹土渠段270余千米。總干渠穿越膨脹性巖土的渠段長,處理技術難度高,處理的工程量和投資也較大,因此,是南水北調中線工程的關鍵技術問題之一。

20世紀70年代,在引丹灌渠陶岔引渠的建設中,出現了膨脹土邊坡穩定問題,自此,長科院科研人員即開始了針對南水北調中線工程膨脹土的工程特性及處理措施的相關研究--開展南水北調中線工程沿線膨脹土基本特性試驗、渠道邊坡穩定性分析和模型試驗研究;完成了“膨脹土邊坡穩定及滑坡早期預報”、“非飽和膨脹土邊坡穩定研究”、“非飽和土坡變形機理和FRP螺旋錨護坡技術的研究”等多項研究課題;“十一五”期間,長科院更牽頭啟動了國家“十一五”科技支撐計劃課題“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術研究”……

為全面系統掌握和認識膨脹土變形破壞機理,為渠道工程設計提供技術支撐,使處理措施更具有針對性,2008年開始,長科院牽頭開展國家“十一五”科技支撐計劃課題,先后在河南南陽和新鄉建立了兩個世界上最大規模的原型試驗渠道,科研人員在長達2.05公里和1.5公里的現場試驗段以及室內,運用現場勘察、現場測試、室內試驗、數值分析等多種研究手段,開展了大量的原創性、基礎性試驗研究。

膨脹土具有明顯的各向異性和特殊的工程性質,常規室內試驗方法不能如實反映裂隙性膨脹土的強度特性。如何獲得真實可靠的土體強度參數,并在穩定分析中采用合理指標真實反映邊坡的穩定狀態是中線工程膨脹土處理亟待解決的問題。為此,長科院科研人員在厘清膨脹土不同類型裂隙對邊坡穩定的作用構建膨脹土邊坡土體強度體系的基礎上,首次將CT技術引入膨脹土強度試驗,一舉解決了膨脹土裂隙面強度測試以及土體強度確定的難題。

膨脹土邊坡的破壞機理,以往都是從破壞現象上歸納機理,長科院科研人員對現場海量試驗數據進行了系統的分析,在對紛繁的資料進行縝密研究后發現,現場失穩邊坡中膨脹土裂隙比較發育,并呈現有一定規律性的傾向,且裂隙面上的強度極低,當渠坡傾向與地層中裂隙的傾向一致時,往往會發生順裂隙面的滑坡,結合現場觀測資料分析,從力學原理上揭示了膨脹土邊坡失穩的一個重要機理,即裂隙強度控制的失穩。

而對于現場另外一些破壞現象,長科院科研人員采用大型室內降雨模型試驗,闡明了膨脹變形對邊坡穩定的影響,證明在無裂隙、無干濕循環條件下,膨脹土地層受水區域的不均勻膨脹變形是引起膨脹土淺表層滑塌的重要因素,此模型被課題負責人程展林稱之為“燈塔模型”。

通過對現場破壞現象的分析,并輔以室內物理模型試驗,揭示了膨脹土邊坡破壞機理,提出了膨脹土邊坡破壞雙重失穩模式。在此基礎上,完善了膨脹土邊坡穩定分析理論,針對裂隙強度控制的邊坡失穩,提出了考慮裂隙面空間分布特征的邊坡極限平衡分析方法;針對膨脹變形引起的邊坡失穩,提出了基于膨脹變形模型的有限元分析方法。研發了膨脹土膨脹性現場快速判別、張拉自鎖傘形錨、壓差放大式逆止閥設備等多項邊坡加固新技術,并最終從膨脹土邊坡破壞機理出發,針對性地提出了膨脹土邊坡處理設計新理念與加固新技術。

歷經40多年攻關研究,南水北調中線工程的膨脹土問題終獲豐碩成果,在膨脹土的判別方法、邊坡破壞機理、膨脹土的強度指標及其試驗方法、邊坡穩定分析方法及處理原則、處理技術等方面均取得突破性進展,通過課題研究,先后發表相關學術論文72篇,其中SCI/EI檢索31篇。出版專著2部,獲發明專利8項、實用新型專利8項,有效解決膨脹土渠道邊坡穩定的關鍵技術問題,攻克了巖土工程界全球性的技術難題,為南水北調中線工程建設提供了強有力的技術支撐。

 

文章作者:楊珺 賈海責任編輯:賈茜
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