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膨胀土不再是水利工程的“拦路虎”

发布时间:2017-03-09  来源:

膨胀土遇水膨胀,失水收缩,反复胀缩的特性使得土体结构发生变化。土体的变形和强度降低,常常造成工程破坏,对于水利工程,尤其是长距离输水工程,膨胀土边坡的稳定问题更加复杂,危害尤为严重,工程处理非常困难,投入巨大但收效不佳,往往需要反复处理。

  素有岩土工程领域“难疾”之称的膨胀土边坡稳定问题,成了全长1400多公里的南水北调中线工程总干渠工程顺利实施的“拦路虎”。但自20世纪70年代开始,长江委勘察、设计和科研单位对中线工程膨胀土的工程特性及处理措施进行了长期深入的研究,取得了丰硕成果。

  南水北调中线工程总干渠明渠段涉及膨胀土(岩)累计长度约380余千米,分布有膨胀岩的渠段160余千米,分布有膨胀土的渠段270余千米(部分渠段既有膨胀岩,又有膨胀土)。其中,强膨胀岩渠段30余千米,中、弱膨胀岩渠段130余千米;强膨胀土渠段5.69千米,中、弱膨胀土渠段270余千米。总干渠穿越膨胀性岩土的渠段长,处理技术难度高,处理的工程量和投资也较大,因此,是南水北调中线工程的关键技术问题之一。

  20世纪70年代,在引丹灌渠陶岔引渠的建设中,出现了膨胀土边坡稳定问题,自此,长江科学院(以下简称“长科院”)科研人员即开始了针对南水北调中线工程膨胀土的工程特性及处理措施的相关研究——开展南水北调中线工程沿线膨胀土基本特性试验、渠道边坡稳定性分析和模型试验研究;完成了“膨胀土边坡稳定及滑坡早期预报”“非饱和膨胀土边坡稳定研究”“非饱和土坡变形机理和FRP螺旋锚护坡技术的研究”等多项研究课题;“十一五”期间,长科院更牵头启动了国家“十一五”科技支撑计划课题“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”……

  为全面系统掌握和认识膨胀土变形破坏机理,给渠道工程设计提供技术支撑,使处理措施更具有针对性,2008年开始,长科院牵头开展国家“十一五”科技支撑计划课题,先后在河南南阳和新乡建立了两个世界上最大规模的原型试验渠道,科研人员在长达2.05千米和1.5千米的现场试验段以及室内,运用现场勘察、现场测试、室内试验、数值分析等多种研究手段,开展了大量的原创性、基础性试验研究。

  膨胀土具有明显的各向异性和特殊的工程性质,常规室内试验方法不能如实反映裂隙性膨胀土的强度特性。如何获得真实可靠的土体强度参数,并在稳定分析中采用合理指标真实反映边坡的稳定状态是中线工程膨胀土处理亟待解决的问题。为此,长科院科研人员在厘清膨胀土不同类型裂隙对边坡稳定的作用构建膨胀土边坡土体强度体系的基础上,首次将CT技术引入膨胀土强度试验,一举解决了膨胀土裂隙面强度测试以及土体强度确定的难题。

  膨胀土边坡的破坏机理,以往都是从破坏现象上归纳机理,长科院科研人员对现场海量试验数据进行了系统分析。在对纷繁的资料进行缜密研究后发现,现场失稳边坡中膨胀土裂隙发育,并呈现有一定规律性的倾向,且裂隙面上的强度极低,当渠坡倾向与地层中裂隙的倾向一致时,往往会发生顺裂隙面的滑坡,结合现场观测资料分析,从力学原理上揭示了膨胀土边坡失稳的一个重要机理,即裂隙强度控制的失稳。

  而对于现场另外一些破坏现象,长科院科研人员采用大型室内降雨模型试验,阐明了膨胀变形对边坡稳定的影响,证明在无裂隙、无干湿循环条件下,膨胀土地层受水区域的不均匀膨胀变形是引起膨胀土浅表层滑塌的重要因素。此模型被课题负责人、教授级高级工程师程展林称为“灯塔模型”。

  通过对现场破坏现象的分析,并辅以室内物理模型试验,科研人员揭示了膨胀土边坡的破坏机理,提出了膨胀土边坡破坏双重失稳模式。在此基础上,完善了膨胀土边坡稳定分析理论,针对裂隙强度控制的边坡失稳,提出了考虑裂隙面空间分布特征的边坡极限平衡分析方法;针对膨胀变形引起的边坡失稳,提出了基于膨胀变形模型的有限元分析方法。研发了膨胀土膨胀性现场快速判别、张拉自锁伞形锚、压差放大式逆止阀设备等多项边坡加固新技术,并最终从膨胀土边坡破坏机理出发,针对性地提出了膨胀土边坡处理设计新理念与加固新技术。

  历经40多年攻关研究,南水北调中线工程的膨胀土问题取得了丰硕的成果,在膨胀土的判别方法、边坡破坏机理、膨胀土的强度指标及其试验方法、边坡稳定分析方法以及处理原则、处理技术等方面均取得了突破性进展,有效地解决了膨胀土渠道边坡稳定的关键技术问题,攻克了岩土工程界全球性的技术难题,为南水北调中线工程建设提供了强有力的技术支撑。由长科院牵头完成的“膨胀土边坡破坏机理与关键技术研究及在大型输水工程中的应用”荣获2016年大禹水利科学技术一等奖。



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