南水北调中线一期工程膨胀土渠坡渗流系统分类及其控制措施.pdf

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1、第33卷第5期长江科学院院报Vo1．33No．52016年5月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteMav2016doi：10．11988／ckyyb．20150627南水北调中线一期工程膨胀土渠坡渗流系统分类及其控制措施张家发，崔皓东，吴庆华，李少龙，王金龙(长江科学院a．水利部岩土力学与工程重点实验室；b．国家大坝安全工程技术研究中心，武汉430010)摘要：由于膨胀土对于水的敏感性，膨胀土渠坡及其衬砌结构的稳定性是南水北调中线一期工程建设和运行遇到的重要挑战之一。在地层结构分类基础

2、上，开展了膨胀土地区的渗透结构分类、渗流系统分类以及膨胀土渠坡渗流系统分类研究。针对各类膨胀土渠坡渗流系统，分析了渠道工程对渗流场的改造作用，归纳了各自的渗流控制任务，提出了渗流控制措施的应用原则：非饱和带设置排水垫层以利于含水率的长效控制，合理设计马道以减轻对渗流控制的负效应，合理运用排水孔和减压井控制地下水流场及水压力，地下水动态变化与渠道水位变化范围交叉渠段应合理设置逆止阀并保障其灵敏性和可靠性，工程长期运行过程中跟踪研究渗流控制效果和适时有效调控渗流场。关键词：南水北调中线工程；膨胀土；渠道；渗透结构；渗流场；渗流系统分类中图分类号：T

3、U43文献标志码：A文章编号：1001-5485(2016)05-0139—06结构，并与渠道工程形成不同的几何切割关系；渠道输水为对于水分变化敏感的膨胀土带来了复杂的涉1研究背景水条件。2014年建成通水的南水北调中线工程一期工本文在已有研究和工程实践基础上，开展膨胀程，自丹江口水库取水，终点为北京、天津，输水工程土地区和膨胀土渠坡渗流系统的分类研究，讨论渠全长1421km。工程所面临的重要难题之一是无法道工程对于渗流系统的改造作用，对工程建设前后避开膨胀土或者膨胀岩分布地区。该工程有累计长渗流场分布及动态特征差异进行宏观分析，讨论和约386

4、．8km的总干渠，在地表至渠底板以下5in范围归纳不同渗流系统膨胀土渠坡的渗流控制任务，提内分布有膨胀土或者膨胀岩J。为了叙述方便起见，出渗流控制措施的应用原则。将此类渠段统称为膨胀土渠段，以下述及的膨胀土包针对不同渗流系统的渗流控制措施详细论证工括膨胀岩。膨胀土因其特殊性质容易引起工程问题，作与成果，将另文介绍。这在项目论证阶段就已经引起重视。因而，无论在设计阶段，还是建设阶段，膨胀土问题都是重要的研2膨胀土地层所处的渗透结构和渗究对象，并先后被列人国家“十一五”和“十二五”流系统分类科技支撑计划项目的研究课题_4J。在这些研究和工程实践中认

5、识到，雨水、地表水、渠水人渗是引起膨渗流场的分布与岩土体自身的性质有关，也与其胀土渠坡失稳的主要外因；以保障渠道输水效率和所处的环境有关。所谓环境，包括相邻地层的性质、渠坡稳定为目标，研究者们提出了针对性的设计方土层埋藏条件、被切割情况以及水文地质条件。膨胀案，其中包括渗流控制设计方案’卜。土为高塑性黏土，其典型特征之一是超固结性，通常膨胀土渠坡出现在挖方渠段。对于南水北调中情况下膨胀土自身的渗透性及富水性均很低。近地线渠坡的膨胀土来说，造成渗流问题比其他工程更表的膨胀土发育有植物根系孔隙和干缩裂隙；膨胀土为复杂的主要因素有：膨胀土边坡在渠道两

6、侧形成中还发育有长大裂隙，一旦受到卸荷作用，裂隙就会临空面，为膨胀土接受大气复杂作用提供了新的重进一步张开。这些孔隙和裂隙的存在，使得膨胀土的要边界；沿线渠坡地层结构差异大，形成不同的渗透渗透性和富水性呈现出一定的不均一性。收稿日期：2015—07—24；修回日期：2015—11—16基金项目：国家自然科学基金项目(51279016)；国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAB10B04)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2014058／YT)作者简介：张家发(1960一)，男，安徽安庆人，教授级高级工程师，主要从事岩土工程

7、和水工渗流研究，(电话)027—82820029(电子信箱)zhangjf@mail．crsfi．ca。长江科学院院报在国家“十二五”科技支撑计划项目研究过程场的分布及其动态变化。南水北调中线渠道工程建中，开展了南水北调中线一期工程总干渠膨胀土渠设前，膨胀性土(岩)地区天然地貌形态多为丘陵、段地质结构分类。其分类方法充分考虑了不同岩性垄岗和山前冲洪积、坡洪积层。膨胀土出露情况，既地层强度和变形性能的差异，因而划分得比较细。包括地面出露，也包括沟谷、河道切割的岸坡，以及在岩体结构、土体结构、t／岩体结构3大类下划分渠道、道路等工程边坡上的出露。当

8、膨胀土出露时，层状结构、均一结构、双层结构和多层结构，并进一要经历强烈的温差、风蚀、雨淋、冻融、卸荷等作用，步划分了15个亚类¨J。对于渗流场分布来说