寒旱区膨胀土输水明渠工程

第1篇国内外研究进展及面临的技术挑战

第1章膨胀土的国内外研究进展

1.1国内外膨胀土输水明渠工程的灾变现象

1.2膨胀土输水明渠渠坡的滑动破坏形式

1.3膨胀土的基本力学特性试验研究

1.3.1常温条件下膨胀土的力学特性研究

1.3.2不同循环条件下膨胀土的力学特性研究

1.3.3膨胀土的胀缩特性规律试验研究

1.3.4膨胀土的裂隙特性及微观结构研究

1.4膨胀土的非线性和弹塑性本构模型研究

1.5膨胀土的改良技术研究

1.6膨胀土渠坡滑动破坏综合防治措施研究

1.6.1抗滑管桩的抗滑应用研究

1.6.2排水抗滑管桩的应用研究

1.7本章小结

第2章寒旱区膨胀土输水明渠工程面临的技术挑战

2.1北疆供水一期工程概况

2.1.1膨胀土输水明渠工程的灾变现象

2.1.2膨胀土输水明渠的灾变物理机制.

2.1.3膨胀土输水明渠的运行概况

2.1.4膨胀土输水明渠渠坡的改造工况

2.2膨胀土输水明渠渗漏变形机制分析

2.2.1膨胀土渠坡简化模型构建

2.2.2膨胀土渠坡渗漏机制分析

2.2.3水-热-力耦合模型及边界条件

2.2.4膨胀土冻胀不协调变形分析

……

第2篇渠基土的力学特性及其市构模型研究

第3篇膨胀土的改良方法及其施工技术方法

第4篇排水抗滑管桩综合防控技术体系及其施工方法

第5篇寒旱区膨胀土输水明渠工程的发展趋势

参考文献

第1章膨胀土的国内外研究进展

新疆属于典型的干早、半干旱地区，气候干燥、降雨稀少、燕发强烈、水资源总量不足且时空分布不均是其主要特点。邓铭江平以新疆内陆河流域为研究对象,结合区域的地形地貌特点和水资源的禀赋条件,建立了北疆“网式”、南疆“环式”和东疆“串式”结构的水循环调控框架，增强了区域水资源合理配置的调控能力,构建了三层级多目标水循环调控理论与工程技术体系。北疆供水一期工程是我国目前在西北严寒荒漠、戈壁、沙漠地区成功建成的跨流域、长距离、大流量、大规模的供水工程,也是我国目前在严寒荒漠地区建成的最大供水工程。由于渠基穿越有大量膨胀土的区域,膨胀土输水明渠在每年停水后均存在不同程度的渠坡滑动、渠底鼓胀和变形破坏等问题,严重影响来年的正常调水效率。

1.1国内外膨胀土输水明渠工程的灾变现象

膨胀土问题造成的地质灾害在许多国家和地区都有发生。我国膨胀土的研究始于20世纪50年代,因成渝铁路沿线膨胀土路段经常发生滑坡而引起重视。国内外水利工程由于膨胀土问题引发的地质灾害主要有:①美国加利福尼亚州 Friant-Kern北水南调工程，明渠全长245 km,其中有87 km长的明渠位于膨胀土区域，1954年发现部分明渠遭到破坏，采用3%的石灰对膨胀土的坡面和渠底进行改性处理,处理厚度0.60~0.77m,改性施工处理完成后，未再出现任何变形破坏现象。②印度 Purna调水工程:明渠全长42km,平均挖深为5m,部分明渠经过强膨胀土地区，建成运行后每年膨胀土渠段都会发生滑坡现象，采用含砾石红土对坡而进行处理,并在坡脚用块石修筑护脚后,未再出现滑坡现象。③南非Zukerbosch 工程:明渠全长约20 km,平均挖深为4m,膨胀土区域采用1.5m厚非膨胀土换填,两侧坡顶设置排水沟，在大量充填强膨胀性黏土的区域,坡面和坡顶采用0.6 m厚非膨胀土覆盖保护,对于挖深较大的渠段,明渠预开挖后在坡顶地面下0.25 m处铺设土工防渗材料和种植草皮等,建成竣工后一直运行良好。④我国南水北调中线工程:南水北调中线工程总干渠有约387 km长的明渠穿越膨胀土区域,由于明渠线路长、边坡高度大、工程地质条件复杂,南阳段累计已发生膨胀土滑坡19处,采取换填非膨胀土、设置马道和放缓坡比等措施后,仅2021年人汛以来,南水北调中线工程就经受住了寒潮和9次极端强降雨冲击。⑤我国北疆供水一期工程:总干渠约31.6%的明渠穿越膨胀岩地区,明渠挖深为8~12m,采用换填“白砂岩”、设置防渗复合土工膜及混凝土板衬砌的处理措施,目前已安全运行20余年。由于建设期施工、运行期维修以及防渗复合土工膜日久老化等原因,加之明渠长期处于高水位下运行，在严寒、干旱等恶劣自然环境下,盐冻胀破坏和膨胀性泥岩段滑动破坏现象频发,严重制约了明渠输水效率。2017年,随着北疆供水一期工程二期扩建工程的实施,工程输水能力得到较大提升,相应的工程性问题也随之出现。北疆供水一期工程作为新疆天山北坡经济带的重大战略性水源工程,如何保障工程的安全高效运行是其面临的重大科学问题。

综合分析国内外膨胀土输水明渠工程的防治处理措施可知，一般当明渠挖深较小时，采用换填或改性土加防渗处理能够满足工程需求。但随着输水量的增加,明渠挖深增大，坡度增加，渠坡的滑动破坏机制也会发生相应改变，这也是当前膨胀土输水明渠工程面临的技术难题。

……

本书以北疆供水一期工程膨胀土输水明渠为研究对象，采用现场调查、室内试验、理论分析与数值模拟相结合的方法开展研究。首先，调查膨胀土渠坡的滑动破坏特征及其影响因素，通过室内材料试验分析不同试验条件下膨胀土力学特性的衰减规律，从宏观-细观-微观三个维度揭示膨胀土力学性质劣化的物理机制。其次，基于膨胀土在干湿-冻融循环条件下的变形特性规律，运用FlAC3D有限元数值仿真平台，建立综合渗流-变形-稳定于一体的数值分析方法，分析碱激发工业废渣改良膨胀土和排水抗滑管桩等工程措施对渠坡稳定性的提升效果。最后，基于明渠的结构特点，提出竖向排水抗滑管桩+横纵排水系统的综合防控结构体系，优化膨胀土明渠的处理技术。