濕干循環(huán)下膨脹土渠道邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性

朱 洵，李國英，蔡正銀，黃英豪，張 晨，陳 皓

濕干循環(huán)下膨脹土渠道邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性

朱 洵，李國英，蔡正銀※，黃英豪，張 晨，陳 皓

（南京水利科學研究院巖土工程研究所，南京 210024）

針對北疆地區(qū)膨脹土渠道因季節(jié)性通水導致的邊坡失穩(wěn)破壞問題，通過建立簡化地質(zhì)條件的離心模型試驗，得到了濕干循環(huán)下膨脹土渠道邊坡的變形及破壞特征，提出了由渠道通水、停水引起的濕干循環(huán)下膨脹土渠道邊坡的破壞模式；在此基礎(chǔ)上，利用GeoStudio軟件分析了不同裂隙分布形式對膨脹土渠道邊坡滲流特性及穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：運行過程中渠基膨脹土開裂是引起渠道邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)破壞的決定性因素；渠道因季節(jié)性通水造成的濕干循環(huán)作用下膨脹土渠道邊坡破壞模式主要由“子土塊”剝落破壞及“后緣張拉裂隙的擴展”2種破壞相互混合疊加構(gòu)成。對比數(shù)值模型中不同后緣裂隙深度下渠坡的安全系數(shù)可知，當裂隙貫穿區(qū)深度為0.5 m時（工況1），對應(yīng)的安全系數(shù)下降幅度約為60%，但此時的安全系數(shù)仍較大，渠坡可視為穩(wěn)定；而當裂隙貫穿區(qū)深度繼續(xù)增加至1 m時，渠道的安全系數(shù)下降幅度達到約74%，此刻的安全系數(shù)接近一級安全等級閾值（1.25），渠坡雖仍為穩(wěn)定，但已經(jīng)具備了失穩(wěn)的可能。邊坡的淺層破壞主要由“子土塊”剝落模式?jīng)Q定，而后緣張拉裂隙的擴展對渠坡的失穩(wěn)起到促進作用。此外，數(shù)值模擬結(jié)果還顯示裂隙的存在加劇了坡面表層土體的孔壓波動，易造成表層“子土塊”的剝落。研究成果為進一步揭示季節(jié)性通水誘發(fā)的膨脹土渠道災(zāi)變提供了參考依據(jù)。

膨脹土；渠道；邊坡；濕干循環(huán)；離心模型試驗；破壞模式；穩(wěn)定性

0 引 言

膨脹土因富含蒙脫石、伊利石等黏土礦物，對外部環(huán)境的變化非常敏感，具有多裂隙性和強脹縮性，造成其分布地區(qū)工程事故頻發(fā)[1-2]。例如，位于北疆的長距離供水渠道工程，累計穿越膨脹土段約占總長度的32%；同時渠道地處季節(jié)性凍土區(qū)，為了減少凍脹破壞，采取季節(jié)性供水，即每年4—9月通水，剩余時間停水。渠道每年的通水、停水過程對渠基膨脹土形成了明顯的濕干循環(huán)作用。在此環(huán)境作用下，膨脹土開裂明顯，造成其工程性質(zhì)的劣化，從而導致膨脹土渠道邊坡發(fā)生滑坡破壞，嚴重影響了渠道的供水效率。因此，有必要對因渠道季節(jié)性通水誘發(fā)的膨脹土渠道邊坡破壞進行研究。

目前，國內(nèi)外學者通過現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗及數(shù)值模擬等手段對膨脹土邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性問題進行研究。Ng等[3-4]對不同人工降雨強度下的膨脹土邊坡進行原位監(jiān)測后指出，降雨入滲造成邊坡淺層土體抗剪強度降低的同時也將該區(qū)域土體的發(fā)生局部被動破壞；孔令偉等[5-6]通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)膨脹土邊坡的破壞特征主要為表層土體的開裂，而陡坡在大氣作用下發(fā)生漸進性破壞。但對膨脹土邊坡進行現(xiàn)場監(jiān)測也具有較大的局限性，主要體現(xiàn)研究的周期長且費用相對較高，難以普遍采用。而土工離心模型試驗因其特有的“應(yīng)力等效”及“縮尺縮時”效應(yīng)，已成為研究膨脹土邊坡穩(wěn)定較為理想的手段。陳生水等[7-8]利用離心模型試驗對干濕循環(huán)作用下膨脹土邊坡的穩(wěn)定性進行研究，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用導致邊坡裂隙的逐漸發(fā)育，降低了土體抗剪強度的同時為水分入滲提供了良好的通道，最終誘發(fā)了邊坡的漸進式破壞；Take等[9]研究了邊坡在干濕循環(huán)條件下含水率周期變化引起的漸進累積破壞過程；唐少容等[10]通過離心模型試驗還原了季凍區(qū)U形渠道的凍脹破壞特征，結(jié)果表明渠道結(jié)構(gòu)的凍脹破壞模式以向上抬升為主，同時沿法向向襯砌結(jié)構(gòu)中心收縮。但在離心過程中也存在模型尺寸效應(yīng)及測試條件滯后等問題，未能全面的還原膨脹土渠坡破壞過程。而數(shù)值模擬因?qū)?fù)雜幾何和應(yīng)力條件處理具有高靈活性和強適應(yīng)性等特點，常用作對現(xiàn)場及離心模型試驗的細化分析，主要在模擬膨脹土邊坡經(jīng)歷長期干濕循環(huán)[11]、降雨入滲[12]、凍脹破壞[13]及凍融劣化[14]等作用下的破壞中得到應(yīng)用。但目前相關(guān)的數(shù)值模擬研究多集中在考慮膨脹土非飽和特性（如非飽和強度、滲流等）對邊坡穩(wěn)定的影響，對膨脹土基本特性的影響，特別是裂隙性對膨脹土邊坡整體穩(wěn)定性影響的研究明顯不足[15-16]，其主要原因是對膨脹土邊坡破壞機理的不明確，造成最終的數(shù)值模擬結(jié)果難以清晰地反映膨脹土邊坡漸進破壞過程。

因此，本文選取北疆供水總干渠膨脹土渠段為研究對象，通過建立簡化地質(zhì)條件的離心模型試驗，提出了由渠道通水、停水引起的濕干循環(huán)下膨脹土渠道邊坡的破壞模式；結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果進一步揭示膨脹土渠道邊坡的破壞機理，為后續(xù)揭示北疆地區(qū)膨脹土渠道的劣化過程和災(zāi)變機理提供基礎(chǔ)。

1 膨脹土渠坡的破壞模式

1.1 現(xiàn)場概況

渠道為梯形斷面，其中橫斷面渠深5 m，坡比1∶2，渠底寬4 m。渠道采取季節(jié)性供水，每年4—9月通水，其他時間停水。渠道每年的通水、停水過程對渠基膨脹土形成了明顯的濕干循環(huán)作用。同時，渠道穿越區(qū)域地下水位極深，在考慮渠基土水分變化時可忽略地下水的影響。需要說明的是，渠道工程位于阿勒泰地區(qū)，冬季夜間最低氣溫可達-40.3 ℃，夏季平均氣溫為20 ℃，年平均降雨量約為200 mm，屬溫帶大陸性氣候[17]，渠基土實際也經(jīng)歷了明顯的凍融循環(huán)作用，而本文僅考慮濕干作用對膨脹土渠坡的影響，關(guān)于濕干和凍融耦合的問題將另撰文討論。

1.2 離心模型試驗

離心試驗在南京水利科學研究院60 GT離心機上進行。試驗選用的模型箱尺寸為0.68 m′0.35 m′0.425 m（長′寬′高），結(jié)合現(xiàn)場渠道實際最終確定模型比尺= 50。考慮渠道剖面對稱性，以渠道中軸線為界模型渠道的斷面的尺寸為：渠高100 mm，渠底寬度130 mm，渠坡坡比1∶2，渠肩寬度270 mm，渠底土層厚度為200 mm。試驗用土取自渠道工程現(xiàn)場，土樣具體性質(zhì)見文獻[18]。模型渠道邊坡按先分層擊實，后按設(shè)計尺寸進行切削的方法制作；模型目標干密度為1.48 g/cm3，對應(yīng)壓實度為95%。通過對模型進行放水-開機-停機-排水的方法模擬渠道的通-停水過程，其中通過離心機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機室內(nèi)對流空氣模擬渠道經(jīng)歷的停水干燥過程。

渠道每年4—9月通水，其他時間停水，經(jīng)過換算得到渠道每年的通水時長約為124 d，停水時長則為216 d。將實際時間按模型比尺50進行縮尺，最終確定離心場下模型首先經(jīng)歷80 min的通水濕潤過程，隨后再轉(zhuǎn)入124 min的停水干燥過程，對應(yīng)的渠基土經(jīng)歷了1次濕干循環(huán)。模型施加的濕干循環(huán)作用直至渠坡產(chǎn)生破壞時停止。

圖1a和1b分別離心場下膨脹土渠坡在經(jīng)歷3次濕干循環(huán)后的最終失穩(wěn)形態(tài)及對應(yīng)的變形情況。渠坡最終失穩(wěn)形態(tài)較初始并無明顯變化，僅在坡頂部分產(chǎn)生約7 mm的沉降，對應(yīng)原型為0.35 m。觀察不同循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的整體坡面破壞形態(tài)（見圖1c），發(fā)現(xiàn)渠坡破壞形式以淺層土體剝落為主；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，坡面的剝落程度逐漸增大。同時剝落的土體在坡腳附近形成堆積，失穩(wěn)區(qū)域滑動面較為明顯，走向與渠坡基本一致。模型渠坡上部出現(xiàn)大量不規(guī)則的干縮裂隙且相鄰裂隙間的連通程度較高，同時在坡肩附近出現(xiàn)幾條貫穿坡面的橫向裂隙，如圖1c陰影部分所示，其中橫向裂隙最大開度接近4 mm，對應(yīng)原型為20 cm。結(jié)合渠道最終破壞形態(tài)，將這部分橫向裂隙定性為由淺層土體向下滑動所造成的滑動區(qū)域后緣張拉裂隙，同時采用直尺對渠坡下部剝落土體的厚度進行量測，得到剝落土體的厚度約為10 mm，對應(yīng)原型厚度為0.5 m。

注：WDs為模型經(jīng)歷的濕干循環(huán)次數(shù)。下同

1.3 破壞模式

膨脹土渠坡破壞與其內(nèi)部裂隙存在直接關(guān)系?？紤]本次研究的渠基土內(nèi)摩擦角[18]明顯大于渠坡傾角（坡比1∶2），渠坡在自身重力作用下抗滑力大于下滑力（尤其在通水期），故渠坡的安全系數(shù)較高，暫不具備失穩(wěn)可能。但對離心模型試驗結(jié)果進行分析后發(fā)現(xiàn)，膨脹土渠坡發(fā)生淺層破壞的原因可大致歸納為以下2點：1）淺層土體的剝落；2）滑動區(qū)域后緣張拉裂隙的生成和演化。

渠坡淺層土體的剝落（圖2）：蔡正銀等[19]通過試驗發(fā)現(xiàn)沿深度方向土體的開裂程度存在較大差異，尤其在近邊界條件一側(cè)淺層土體（貫穿區(qū)1）的裂隙沿深度方向幾乎為定值；同時裂隙間連通程度較高，淺層土體已被完全分割為多個“子土塊”，造成其可較容易從土體表面剝離，即“子土塊”已完全與其周圍及底部土體脫離。同樣，在Konrad等[20-21]的現(xiàn)場試驗中也出現(xiàn)了類似的“子土塊”剝落情況，這也從側(cè)面驗證了“子土塊”剝落這種破壞模式的存在。渠坡“子土塊”的剝落將導致其淺層土體上覆壓力的降低，這也會加快渠坡的失穩(wěn)。需要說明的是，由離心模型試驗結(jié)果可知，渠坡淺層“子土塊”剝落現(xiàn)象將貫穿渠坡破壞的全過程。

圖2 濕干循環(huán)下膨脹土渠坡淺層“子土塊”剝落

同樣，濕干循環(huán)作用也將促進渠坡滑動區(qū)域后緣張拉裂隙的發(fā)育。由離心試驗結(jié)果可知，破壞區(qū)域滑動面的走向與渠坡基本一致。周炳生等[22]基于膨脹土邊坡危險滑面受裂隙面影響的基本特征，將滑坡體的主滑面方向簡化為沿渠坡走向。這里將延續(xù)這種簡化方法，結(jié)合蔡正銀等[23]通過試驗觀測到的土體內(nèi)部裂隙發(fā)育方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象，認為渠坡滑動區(qū)域后緣張拉裂隙在向渠坡深部傳播的過程中傳播路徑會發(fā)生偏轉(zhuǎn)并逐漸匯聚成滑動帶，當匯聚程度達到某一閾值后上部土體沿著裂隙滑動帶整體向下滑動，造成膨脹土淺層渠坡的最終破壞。

綜上，北疆膨脹土渠坡在經(jīng)歷通、停水過程引起的淺層破壞可視為由上述2種破壞模式相互混合、疊加造成的。建設(shè)之初渠坡土體的完整度較高，高壓實度下坡面可認為無初始裂隙，如圖3a所示；隨著渠道運行時間的增加，淺層土體在經(jīng)歷濕干循環(huán)作用下的逐漸開裂，表面生成的“子土塊”逐漸開始剝落并在坡腳處形成堆積，同時裂隙沿豎直方向逐漸向坡體內(nèi)部發(fā)育，如圖3b所示；當裂隙的擴展深度到達坡面臨界深度h后（見圖 3c），其傳播路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此階段裂隙在渠坡淺層順坡面方向逐漸連通貫穿，伴隨著坡面“子土塊”剝落程度的增加，如圖3d所示；在渠道經(jīng)歷最后一次停水階段，渠基土首先由于渠水位的降低及“子土塊”剝落共同導致淺層土體上覆壓力下降明顯，同時在通水期淺層失穩(wěn)區(qū)域土體內(nèi)部裂隙發(fā)育程度較高，停水后淺層土體內(nèi)部渠水通過裂隙形成的優(yōu)先路徑（優(yōu)勢流）流出土體并在坡腳匯聚[24]；此外，渠道淺層土體內(nèi)部裂隙在本次干燥過程中也將再次擴展，最終在渠道內(nèi)部形成一套平行于渠坡的裂隙滑動帶（圖3e）。渠坡淺層土體在上述效應(yīng)的共同作用下沿著裂隙滑動帶發(fā)生整體滑移，最終造成膨脹土渠坡的淺層破壞。

注:hc為臨界深度。α為坡度。下同。

2 裂隙的數(shù)值實現(xiàn)

膨脹土渠坡裂隙的處理是本次數(shù)值模擬的關(guān)鍵。目前對含裂隙膨脹土渠坡進行數(shù)值模擬時，一般采用以下2種方法：1）把裂隙以實體單元的形式在模型中直接呈現(xiàn)，一般以實際裂隙分布為基準，通過裂隙率不變等前提條件對裂隙進行合理等效，等效后的裂隙在進行后續(xù)滲透性和強度賦值時通常按均質(zhì)材料考慮[25-26]；2）不考慮裂隙的具體尺寸及分布，將裂隙對土體的影響通過土體孔隙結(jié)構(gòu)、土水特征曲線及持水性的變化進行體現(xiàn)[27-29]。

基于現(xiàn)場膨脹土邊坡的原位監(jiān)測結(jié)果，詹良通等[4]將膨脹土邊坡內(nèi)部的裂隙劃分為主裂隙和次生裂隙，其中主裂隙的開裂時間通常較早且深度較大，對坡體滲流場影響顯著，而次生裂隙開裂時間較晚，受到早期形成裂隙的抑制，一般深度淺、延展長度短，但數(shù)目上卻遠大于主裂隙，對土體強度和滲透性的影響同樣不可忽視。類似地，F(xiàn)redlund等[28]也建議在對含裂隙膨脹土邊坡進行數(shù)值模擬時，建議將主裂隙和次生裂隙分開考慮。

考慮到本研究的膨脹土渠坡在經(jīng)歷濕干循環(huán)后所呈現(xiàn)出混合型破壞模式，故在進行數(shù)值模擬時選擇將模型裂隙分解成主裂隙和次生裂隙，如圖4所示，具體的分解過程如下：

1）離心模型試驗中，膨脹土渠坡坡面上部靠近坡頂位置出現(xiàn)1條明顯的張拉裂隙（后緣裂隙），其開度和深度均明顯高于其他淺層裂隙。故在模擬中將其視為主裂隙，深度則與北疆地區(qū)環(huán)境的影響深度（2 m）一致[17]，如圖4所示。主裂隙一般位于坡面上部，與渠道正常通水水位基本一致（距渠底4 m），故本次模擬僅考慮主裂隙的位置距離渠底4 m這種情況。

2）將渠坡淺部存在次生細小裂隙等效為一種材料，該材料較初始無裂隙土體滲透性更高，而強度則降低明顯?？紤]到渠坡淺層的裂隙發(fā)育極為充分，無法從數(shù)量上直接定義，結(jié)合蔡正銀等[19]在裂隙沿深度方向呈區(qū)域分布的研究成果，自坡面向下依次分為貫穿區(qū)（1）、漸變區(qū)（2）及無影響區(qū)（3），通過控制膨脹土渠坡淺層不同區(qū)域深度的方法來對次生裂隙的發(fā)育程度進行表征。同時假設(shè)“子土塊”發(fā)生剝落這一過程僅在貫穿區(qū)（1）內(nèi)發(fā)生。

注：h1對應(yīng)裂隙貫穿區(qū)深度，h2對應(yīng)裂隙漸變區(qū)深度，h3對應(yīng)裂隙無影響區(qū)深度。下同

需要說明的是，圖3c及圖4中的裂隙臨界深度（h）為貫穿區(qū)（1）及漸變區(qū)（2）之和，而北疆地區(qū)環(huán)境的影響深度即為裂隙豎向擴展的極限深度（hmax）。

3 數(shù)值模型及計算方案

3.1 模型尺寸設(shè)定及邊界條件

結(jié)合Geostudio有限元計算軟件中的Seep/W模塊和Slope/W對濕干循環(huán)作用下北疆膨脹土渠坡的破壞進行模擬。與離心模型試驗類似，本模型也取渠道剖面的一半進行模擬，其中渠坡高度為5 m，渠坡采用坡比為1∶2，渠底基土厚度定為10 m，具體尺寸可參考圖 4。模擬渠水入滲過程中設(shè)置坡面固定壓力水頭為4 m，通水時間為150 d，停水速率則通過控制降水時間來進行模擬。

3.2 計算參數(shù)

吳珺華等[30]采用濾紙法分別對完整及含裂隙膨脹土的水分特征曲線（soil water characteristics curve，SWCC）進行測定，發(fā)現(xiàn)兩者的分布形態(tài)大致相同。類似地，袁俊平等[26]在模擬降雨入滲對含裂隙膨脹土邊坡穩(wěn)定性影響時也采用類似的結(jié)論，即假設(shè)無裂隙土與含裂隙土的SWCC曲線模型參數(shù)取值一致。本模擬也沿用這一結(jié)論，即忽略裂隙對SWCC曲線形態(tài)的影響，在模型計算中過程中假設(shè)含裂隙土SWCC參數(shù)取值與無裂隙土相同。本研究土體的SWCC曲線按FX模型進行模擬：

式中表示土體的體積含水率，cm3/cm3；為飽和含水率，cm3/cm3；表示吸力，kPa；表示殘余含水率對應(yīng)的吸力，kPa；為與進氣值有關(guān)的擬合參數(shù)，kPa；e 為自然對數(shù)（定值）；和均為擬合參數(shù)，分別影響高吸力狀態(tài)下土體的孔隙分布及SWCC曲線形態(tài)。擬合的具體參數(shù)如下：= 112 kPa，= 1.06，= 0.23，= 10 kPa。

考慮到渠坡內(nèi)部沿深度方向裂隙分布存在較大差異，這里仍采用殷宗澤等[31]推薦的分層法，對不同深度土體的抗剪強度及滲透系數(shù)進行賦值。針對本文中涉及的北疆地區(qū)膨脹土，筆者先期進行了濕干循環(huán)次數(shù)對膨脹土強度影響的研究[18]，發(fā)現(xiàn)循環(huán)次數(shù)對膨脹土強度造成了明顯的衰減，具體表現(xiàn)為土體初始完整狀態(tài)的抗剪強度指標（初始抗剪強度指標）最大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，對應(yīng)的抗剪強度指標逐漸趨于穩(wěn)定，即達到最終抗剪強度指標。本文將膨脹土渠坡沿深度依次劃分為貫穿區(qū)、漸變區(qū)及無影響區(qū)，分別對應(yīng)裂隙完全發(fā)育、部分發(fā)育和無裂隙區(qū)域。其中無影響區(qū)土體的抗剪強度參考朱洵等[18]的初始抗剪強度指標，而漸變區(qū)則取初始和最終抗剪強度指標的均值；飽和滲透系數(shù)賦值方式與強度賦值方法相同，具體情況如表1所示。

表1 抗剪強度及滲透系數(shù)匯總

同時，考慮到離心模型試驗中淺層土體的裂隙發(fā)育充分且含水率極低，若采用常規(guī)賦值方法將土體的最終抗剪強度指標直接賦于裂隙貫穿區(qū)，這將高估這部分土體的強度，造成最終模擬結(jié)果偏安全。參考Khan等[21]在模擬膨脹土邊坡淺表層破壞時的方法，將貫穿區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的“子土塊”剝落這一破壞過程近似視作砂土滑動問題，通過減小貫穿區(qū)內(nèi)土體黏聚力指標的方法實現(xiàn)對“子土塊”剝落現(xiàn)象的模擬。需要說明的是，為了對模型進行簡化，這里僅考慮主裂隙對渠坡滲流特性的影響。

3.3 模擬方案

停水后膨脹土渠坡發(fā)生的淺層破壞主要由表層“子土塊”的剝落（第1類）及滑動區(qū)域后緣張拉裂隙的擴展（第2類）這2類破壞模式共同引起，在模型中可通過對裂隙的貫穿區(qū)、漸變區(qū)及主裂隙深度的組合變化來實現(xiàn)。

參考蔡正銀等[17]關(guān)于北疆地區(qū)環(huán)境邊界最大影響深度的研究成果，確定模擬中渠坡含裂隙土的深度為2 m，即貫穿區(qū)（1）+ 漸變區(qū)（2）=2 m；隨后，通過改變貫穿區(qū)（1=0.5、1、1.5 m），研究第1類破壞模式對膨脹土渠坡穩(wěn)定性的影響；而渠坡的第2種破壞模式則由主裂隙深度控制，這里直接考慮最不利情況，即將外部環(huán)境最大影響深度2 m直接作為主裂隙的深度。渠道的水位下降速率由停水歷時控制，根據(jù)2018年渠道水位監(jiān)測資料，確定本次模擬的停水歷時為12 d，通水時間為150 d。本次模擬的計算工況為3組，具體設(shè)置見表2。

表2 計算工況

4 結(jié)果與分析

4.1 模型驗證

考慮到在對數(shù)值模型的材料進行賦值時使用了較多的假設(shè)，在分析模擬結(jié)果前，需校核模型的準確性。為此，進行離心模型試驗前，在距離坡面20 mm的位置設(shè)置了K2和K3這2個微型孔隙水壓力傳感器（BWMK型，量程0~300 kPa，分辨率0.50 kPa），具體埋設(shè)位置如圖 5所示。

注：D、M、U為3個斷面。

圖6為模擬渠道第3次通水過程中K2、K3位置離心模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)果的對比（由于離心模型試驗中使用傳統(tǒng)的膜片式傳感器，僅能測正孔隙水壓力，這里僅對上述2個測點的正孔隙水壓力進行對比）?？梢姅?shù)值模擬得到的孔隙水壓力-時程曲線趨勢與離心模型試驗結(jié)果較為吻合，但數(shù)值計算獲得的孔隙水壓力均小于試驗結(jié)果，其中原因可能為：1）數(shù)值模型未考慮停水過程中土體的變形對其孔隙水壓力的影響；2）模型為二維，而實際裂隙的演化是一個三維過程，這也會一定程度上低估土體內(nèi)部孔隙水壓力的最終結(jié)果。

圖6 離心模型試驗與數(shù)值計算結(jié)果對比

4.2 裂隙分布對孔隙水壓力的影響

前述可知，膨脹土邊坡的破壞多集中在淺層。故本次模擬重點關(guān)注淺層含裂隙土體在渠水入滲及停水期間的孔隙水壓力變化。沿渠坡表面垂直向下依次設(shè)置了3層（U、M和D斷面），共計9個測點，具體分布同樣如圖5所示。

不同工況下9個測點孔隙水壓力隨時間的分布規(guī)律類似，限于篇幅，僅列出U1、M1和D1測點對應(yīng)的關(guān)系曲線，見圖7。由圖可知，隨時間的增加，穩(wěn)定運行期孔壓大致呈現(xiàn)出先快速增加并到達峰值，后趨于平穩(wěn)的變化規(guī)律；隨后渠道進入停水干燥階段，對應(yīng)的孔壓也將逐漸降低。但注意到，隨著裂隙貫穿區(qū)深度的增加，不同位置測點的孔壓響應(yīng)存在明顯差異，下面以U1斷面的孔壓響應(yīng)為例進行說明（見圖7a）：1）不同深度測點的孔壓到達峰值的時間存在較大差異，這可歸因于渠坡主裂隙的存在，導致渠水最先由主裂隙進入渠身并沿著裂隙邊壁向U斷面深部進行滲透，表現(xiàn)為U1位置孔壓最先到達峰值；待渠道穩(wěn)定運行期結(jié)束（150 d），發(fā)現(xiàn)工況1的孔隙水壓力明顯高于其他2個工況，且隨著測點深度的增加孔隙水壓力的增幅也逐漸增大，這說明裂隙貫穿區(qū)深度的增加將導致渠水進一步滲入渠坡深部，最終造成渠坡較深區(qū)域孔壓的增大。

圖7 裂隙貫穿區(qū)深度對膨脹土渠坡滲流特性的影響

隨后渠坡進入停水過程，由于渠道的停水歷時相對較長（停水歷時為12 d），渠道內(nèi)部渠水下降較為平緩，僅在近坡面區(qū)域測點（U1、M1和D1）出現(xiàn)孔壓陡降的現(xiàn)象，其他位置孔壓的下降則較為平緩。但對比3個斷面的孔壓下降幅度，發(fā)現(xiàn)在距離渠坡1.5 m的處的3個測點（U3、M3和D3），隨裂隙貫穿區(qū)深度增加，對應(yīng)的孔壓下降幅度也逐漸增大，這說明在停水階段，裂隙貫穿區(qū)深度（1）的增加主要對渠坡較深區(qū)域的土體產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為U3、M3和D3測點孔壓的下降。

綜上，裂隙貫穿區(qū)深度（1）對膨脹土邊坡滲流特性的影響主要體現(xiàn)在以下2個方面：1）裂隙貫穿區(qū)深度（1）的增加加劇了坡面表層土體的孔壓波動，尤其在渠道穩(wěn)定運行初期和停水水位下降期這一現(xiàn)象尤為明顯；2）隨著裂隙貫穿區(qū)深度（1）的增加，距離坡面較深位置土體更易受到渠水位波動的影響。前者主要對渠坡表層土體造成影響，易造成表層“子土塊”的剝落；而后者則主要影響渠坡內(nèi)部土體的穩(wěn)定，使得渠坡淺層土體在后緣張拉裂隙的作用下更易發(fā)生破壞。

4.3 裂隙分布對渠坡穩(wěn)定性的影響

《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》（SL386—2007）中規(guī)定，以邊坡安全系數(shù)為評價指標，水利水電工程邊坡可分為5個級別，具體劃分如表3所示?？紤]到本研究對象為北疆輸水渠道，渠道的安全運行對沿線經(jīng)濟影響重大，故將其安全等級設(shè)定為1級，即渠坡整體的安全系數(shù)需高于1.25。

表3 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

圖8為工況1~3自渠道開始停水30 d內(nèi)的安全系數(shù)變化曲線。不同工況對應(yīng)的安全系數(shù)-時間的變化規(guī)律類似，均表現(xiàn)出先快速降低，后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。在渠道穩(wěn)定運行結(jié)束時刻（150 d），隨著裂隙貫穿區(qū)深度的增加，對應(yīng)的渠坡安全系數(shù)呈現(xiàn)處逐漸降低的趨勢。由滲流分析可知，裂隙貫穿區(qū)越深，渠水入滲的范圍越大，對應(yīng)的土體由自然重度逐漸變?yōu)轱柡椭囟?，進而導致其滑動力矩增加，最終造成渠坡整體安全系數(shù)的降低；同時，裂隙貫穿區(qū)深度的增加也會導致土體的抗剪強度的降低[18]，同樣也能造成安全系數(shù)的減小。

圖8 裂隙貫穿區(qū)深度對膨脹土渠坡穩(wěn)定性的影響

隨著渠道進入停水過程，考慮到渠道的水位下降過程較為平緩（停水歷時為12 d），可認為渠道在停水結(jié)束時刻安全系數(shù)達到最低，如圖8所示。當裂隙貫穿區(qū)深度為0.5 m時（工況1），對應(yīng)的安全系數(shù)由8.87下降至3.71，下降幅度約為60%，但此時的安全系數(shù)仍較大，渠坡可視為穩(wěn)定；而當裂隙貫穿區(qū)深度繼續(xù)增加至1 m時，渠道的安全系數(shù)由5.61降至1.36，下降幅度達到約74%，此刻的安全系數(shù)接近一級安全等級閾值（1.25），渠坡雖仍為穩(wěn)定，但已經(jīng)具備了失穩(wěn)的可能。

注意到，模型中將主裂隙深度直接設(shè)置為2 m，即環(huán)境最大影響深度，這可視為將第2種破壞模式（淺層滑動區(qū)域后緣張拉裂隙的擴展）對渠坡穩(wěn)定性的影響做了放大處理（最不利工況）。當裂隙貫穿區(qū)深度（1）為0.5 m，對應(yīng)渠坡的安全系數(shù)始終較高；但貫穿區(qū)深度（1）增加至1 m時，安全系數(shù)急劇降低并最終進入失穩(wěn)狀態(tài)。這表明渠坡的淺層破壞主要由第1種破壞模式（“子土塊”剝落）決定，第2種破壞模式（后緣張拉裂隙的擴展）對渠坡的破壞起到促進作用。

5 結(jié) 論

本文以北疆膨脹土渠道為研究對象，通過離心模型試驗及數(shù)值模擬方法對濕干循環(huán)下膨脹土渠坡的破壞模式及穩(wěn)定性進行了研究，得到如下結(jié)論：

1）渠道運行中渠基膨脹土開裂是引起渠道邊坡發(fā)生淺層失穩(wěn)的決定性因素，主要由渠坡淺層裂隙及后緣張拉裂隙體現(xiàn)。

2）離心模型試驗中，渠道因水位升降造成的濕干循環(huán)作用下膨脹土渠坡破壞模式有別于傳統(tǒng)的牽引式滑坡，主要由“子土塊”剝落破壞及“后緣張拉裂隙的擴展”破壞構(gòu)成，2種破壞模式相互混合、疊加。

3）裂隙的存在加劇了坡面表層土體的孔壓波動，易造成表層“子土塊”的剝落；隨著渠坡裂隙深度的增加，距坡面較深位置土體更易受到渠水位波動的影響，使得渠坡淺層土體在后緣張拉裂隙的作用下更易發(fā)生破壞。

4）對比模型中不同后緣裂隙（主裂隙）深度情況下渠坡的安全系數(shù)，邊坡的淺層破壞主要由“子土塊”剝落模式?jīng)Q定，而后緣張拉裂隙的擴展對渠坡的失穩(wěn)起到促進作用。

土體在脫水過程與吸水過程對應(yīng)的SWCC是不同的，之間存在明顯的滯后效應(yīng)。但本研究主要側(cè)重于對“子土塊”剝落及“后緣張拉裂隙的擴展”這2種破壞模式進行模擬，故在土體取值過程中忽略了滯后效應(yīng)對最終SWCC曲線形態(tài)的影響。在后續(xù)研究中將進一步細化土體SWCC曲線參數(shù)的取值。

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Failure modes and slope stability of expansive soil canal under wet-dry cycles

Zhu Xun, Li Guoying, Cai Zhengyin※, Huang Yinghao, Zhang Chen, Chen Hao

(,,210024,)

Expansive soil is rich in clay minerals such as montmorillonite and illite and it is very sensitive to change of the environment. Aiming at the problem of slope instability and damage caused by seasonal water flow in expansive soil canals in northern Xinjiang, the deformation and failure characteristics of expansive soil canal slopes under wet and dry cycles were studied by establishing a centrifugal model test that simplified geological conditions. The failure mode of expansive soil canal slopes was caused by canal water flow and water stoppage; on this basis, the influence of different fissure distribution on seepage characteristics and stability of expansive soil canal slopes was analyzed by using GeoStudio software. The results showed that the cracking of the expansive soil in the canal foundation during the operation of the canal was the decisive factor for the shallow instability of the canal slope. In the centrifugal model test, the shallow damage caused by the expansive soil canal slope during the process of passing through and stopping the water was caused by the mixing and superposition of the 2 failure modes. At the beginning of construction, the integrity of the soil on the slope of the canal was high, and the initial slope had no initial cracks. With the increase of the canal operation time, the shallow soil underwent the wet-dry cycle effect. Under the gradual cracking, the "sub-soil blocks" generated on the surface gradually began to spall, and at the same time, the cracks gradually developed into the slope in the vertical direction when the depth of the cracks reached the slope. After the critical depth of the surface, its propagation path was deflected. At this stage, the cracks gradually passed through the shallow slope of the canal slope along the slope surface with the increase of the "soil mass" exfoliation degree on the slope surface. As shown in the canal during the last stage of water stoppage, the overburden pressure of the shallow soil firstly decreased due to the decrease of the water level of the canal and the exfoliation of the "sub-soil mass". The internal fissures in the soil were developed to a high degree. After the water was stopped, the internal canal water in the shallow soil flew out of the soil through the preferential path formed by the fissures and converged at the foot of the slope. This drying process was extended again, eventually forming a fissure parallel to the canal slope sliding band in the internal canals. Under the combined effect of the above effects, the shallow soil layer in the canal slope slid along the fissure slip zone, eventually causing the shallow failure of the expansive soil canal slope. The existence of cracks aggravated the pore pressure fluctuation of the surface soil on the slope surface, which easily caused the surface "sub-soil blocks" to peel off. With the increase of the crack depth of the canal slope, the soil deeper from the slope surface was more susceptible to the fluctuation of the canal water level, making the shallow soil on the canal slope more vulnerable to damage under the action of tension cracks at the trailing edge. Comparing the safety factor of the canal slope at different depths of the trailing edge cracks in the model, the shallow failure of the slope was mainly determined by the "sub-soil block" exfoliation pattern, and the extension of the trailing edge tension cracks promoted the slope instability.

expansive soils; canals; slope; wet-dry cycles; centrifuge model test; failure mode; slope stability

朱 洵，李國英，蔡正銀，黃英豪，張 晨，陳 皓. 濕干循環(huán)下膨脹土渠道邊坡的破壞模式及穩(wěn)定性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(4)：159－167. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.019 http://www.tcsae.org

Zhu Xun, Li Guoying, Cai Zhengyin, Huang Yinghao, Zhang Chen, Chen Hao. Failure modes and slope stability of expansive soil canal under wet-dry cycles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 159－167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.019 http://www.tcsae.org

2019-10-21

2019-12-10

國家重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”重點專項（2017YFC0405100）；國家自然科學基金項目（51879166、51709185）；中央級公益性科研院所基金基本科研業(yè)務(wù)費項目（Y319006，Y320010）；凍土工程國家重點實驗室開放基金（SKLFSE201909）

朱 洵，博士后，主要從事環(huán)境巖土方面的研究工作。Email：18913013229@163.com

蔡正銀，教授級高級工程師，主要從事土的基本性質(zhì)與土工測試、土的本構(gòu)理論、土工離心模擬技術(shù)方面的研究工作。Email：zycai@nhri.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.019

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1002-6819(2020)-04-0159-09