灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究.pdf

2023年7月收稿日期：20221221作者简介：张西法（1972），男，工程师，主要从事水利水电工程管理工作。DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.07.026灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究张西法（费县许家崖水库管理中心，山东临沂273400）摘要：为评估分布黄土改良治理效果，以黄土渠基为试验对象，设计了木质素改良下黄土力学试验，并基于此开展黄土干渠衬砌结构冻胀仿真计算。由试验结果得知，木质素成分含量高或低，均不会改变改良土试样应变破坏特点，但木质素含量提高，改良土应力水平会增大，但在掺量3%后提高效果会减弱。相比之下，含水率因素会改变改良土试样应力应变曲线特征，在含水率14%18%与20%22%下分别为应变软化、应变硬化特点；含水率提高，峰值应力降低，而围压增大，可减弱含水率对改良土承载应力的负面作用。基于冻胀仿真计算，获得了原状渠基土与改良黄土衬砌结构冻胀位移在断面上均为对称分布，峰值冻胀位移处于断面1 m处，且改良黄土衬砌结构冻胀位移值低于原状渠基土，经改良后渠基土受含水率影响冻胀危害弱于后者。本研究可为输水灌渠土体物化治理设计及冻胀仿真计算提供参考。关键词：渠基土；改良；力学；冻胀；许家崖水库中图分类号：TV146+.3文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）07-0100-06Mechanical Testing and Freeze-thaw Characteristics of Canal Bed SoilModification in Irrigation DistrictsZHANG Xi-fa（Xujiaya Reservoir Management Center of Feixian County，Linyi 273400，China）Abstract：In order to evaluate the effectiveness of distributed loess improvement measures，taking loess canal foundationas the test object，the mechanical test analysis of loess under lignin modification is designed，and based on this，the frostheaving simulation of loess trunk canal lining structure is carried out.The test results show that varying lignin content didnot change the strain failure characteristics of the modified soil sample.However，an increase in lignin content led to anincrease in stress level in the modified soil，although this effect diminished after a 3%dosage.On the other hand，moisturecontent influenced the stress-strain behavior of the modified soil specimens，exhibiting strain softening characteristics atmoisture contents of 14%to 18%and strain hardening characteristics at moisture contents of 20%to 22%.Increasingmoisture content reduced peak stress while increasing confining pressure，thereby mitigating the negative impact ofmoisture content on the bearing stress of the modified soil.Freeze-thaw simulations revealed that both the original canalbed soil and the modified loess lining exhibited symmetric distribution of freeze-thaw displacements along the cross-section.The peak freeze-thaw displacement occurred at a distance of 1 meter from the cross-section，with the modifiedloess lining experiencing lower displacements compared to the original canal bed soil.Furthermore，the modified canal bedsoil demonstrated a lower vulnerability to freeze-thaw damage influenced by moisture content compared to the original soil.This research provides valuable insights for the design of physical and chemical treatments for irrigation canal soils and forfreeze-thaw simulation calculations.Key words：canal foundation soil；modification；dynamics；freeze-thaw；Xujiaya Reservoir不论是溢洪道、大坝等大型水工建筑，还是输水干渠、闸室等小型水工设施，考虑岩土体材料稳定性1，2，有助于提高水工设计水平，对后续水工建筑运营标准、运营能效提升均有帮助。李丽华等3、沈筠等4为研究岩土体材料力学特征，借助颗粒流PFC海河水利1002023.No.7等离散元仿真方法，从模型微观特征、物理力学参数影响入手，开展了离散元模型的三轴模拟加载分析，评价了土体宏、细观应力、应变影响变化特征。邵应峰等5、胡再强等6基于室内试验方法和结果，分析了土体试样在冻融、干湿等不同物理作用或其他自身因素影响下7应力、应变变化过程，丰富了土体宏观力学基础试验研究成果。针对不良土体，钱健等8、韦富杰9通过物化改性、植物体改良等方法，对改良后土体力学、渗透等特性开展了对比分析，探讨了不同改性治理方法下土体承载能力与抗渗能力的变化。基于许家崖水库黄土体在木质素改性下力学特性，分析了木质素掺量、含水率等因素对土体宏观力学影响，并在相应衬砌结构中开展了冻胀仿真计算成果对比，为工程改良黄土体设计提供了依据。1试验方法1.1工程概况许家崖水库是临沂地区重要的地表蓄水枢纽，借助温凉河充沛水资源拦坝蓄水建成，承担着地区农业灌溉、水力发电、防洪排涝、生态补水等重要任务，流域内水系分布如图1所示。从图1可以看出，许家崖水库处于温凉河中下游，控制着温凉河、石井河汇入区河段流量，有助于梯级调节河道流量。工程资料表明，水库设计总库容为2.93亿m3，控制河道集水面积超过580 km2，上、下游河道长度超过54 km，经一、二期规划建设，水库枢纽包括溢洪道、输水干渠、主、副坝以及发电厂房等水利设施。通过许家崖水库智慧水利监测系统，可以宏观呈现各类水工设施运营现状，实时控制各类水工设施运营效能，确保水库枢纽工程运营可靠性。许家崖水库作为与农业生产密切相关的枢纽设施，不仅设有引水隧洞等水力发电建筑，同时设有引水干渠等输水通道，与高桥、白彦等农业灌区干、支渠构建起立体式灌溉系统，面向农业生产年输供水量超过2 800万m3，惠及干、支渠长度超过150 km。从许家崖水库工程、下游输水干渠工程调查得知，在水库溢洪道消能池末端、泄洪闸基、灌区渠基等处，出现有分布较广的弱风化黄土体，其塌陷性以及固结性均不利于工程运营。水库管理部门考虑针对重点区域黄土体开展治理设计，为区域内黄土整治提供参照。1.2试验方法为研究许家崖水库分布黄土治理设计，从引水干渠分布的渠基土取样，针对其开展治理设计，并分析其治理后渠道防冻胀效果。TSZ-3B三轴力学试验设备如图 2 所示，该试验设备轴向荷载精度为0.5%，最大轴荷为 200 kN，剪切速率量程为 0.0014.8 mm/min，加载台面最大向上引伸高度为90 mm，台面内试样尺寸最大可为100 mm。该试验设备配置有LVDT位移监测传感器和机器自身红外线测量装置，前者量程为-1515 mm，精度可达 0.01%，测量波动频率为0.01 Hz；后者测量装置量程较大，可为-2525 mm，试验中常作为机器限位保护装置。不论是轴荷加载还是围压加载，加载系统均配置有活塞作动器，确保加载过程每一步序均处于可控状态。试验前，对所有试验设备进行了误差标定，以减少机器误差干扰。鉴于黄土分布涉及溢洪道、输水干渠以及部分发电厂房，且现场原位测定表明许家崖水库黄土物理力学参数均较为接近，含水率差异性较大为13.5%22%，渗透系数为3.610-57.810-5cm/s，土层厚度为 1.84.6 m，本试验从输水干渠现场钻孔取样，获得黄土体原状土样，取样面位于高桥灌区桩号6+230处，土样所在渠面如图3所示。黄土体的治理分为物化改性与人工夯实等方法，从室内试验对比考虑，采用物化改性治理方案，通过原状土样与木质素的混合10，制作成木质素改良黄土体，探讨改良土样在输水干渠中的承载力以及抗冻胀效果。木质素与木质素改良黄土体试样分别如图4（a）（b）所示，图1许家崖水库流域内水系分布图2TSZ-3B三轴力学试验设备白彦温凉河许家崖水库王家邵庄棠梨树河高桥石井许家崖张西法：灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究1012023年7月所有试样均与木质素混合重塑，经分层压实与含水率控制后，制作出满足试验要求样品。改良黄土试样击实特征曲线如图4（c）所示，最大干密度为1.62 g/cm3，较原状黄土体试样干密度整体水平有所提高。所有制备后试样在饱和桶内完成8 h饱和后才可开始力学试验。图3土样所在渠面示意图4试样制备与击实特征（a）木质素（b）制备后试样（c）击实特征曲线作为黄土体改良治理重要一环，木质素掺量控制较为关键。在击实试验中，共有多个木质素掺量样品，分布为1%5%，而改良后土样含水率同样设定有14%、16%、18%、20%、22%5组不同梯次方案，并设定有一组原状黄土试样（掺量0、含水率18%）。试验中，围压设定为 120、240、360 kPa，各组试验参数详见表1。基于木质素改良方法下黄土体力学试验结果，对输水干渠衬砌结构冻胀特征开展对比分析。2木质素改良下黄土体力学特征变化2.1木质素掺量影响基于两围压下典型试样力学试验结果，获得了木质素掺量影响下的试样应力应变特征，如图5所示。从图5可以看出，围压120、360 kPa下，在各木质素掺量下，试样应力应变特征呈现一致性变化特征，前者围压下试样具有应变软化特征，在峰值应变3.6%后出现应力下降，降幅分布为 34.3%37.6%；而后者围压下试样在应变4.8%后出现长期的应变硬化，塑性应变占据了应变4.8%16%后主导地位。由此对比可知，改变木质素掺量，不会影响改良黄土试样应变破坏特点，即木质素成分含量多或少，在同一围压下对试样应变的宏观破坏影响较弱，这决定了木质素成分可在整体提高应力水平中发挥作用11，12。当围压为120 kPa下，木质素掺量1%5%试样峰值应力分布为274.8733.97 kPa，而原状土试样峰值应力仅为133.5 kPa，在木质素掺量梯次递增时，其峰值应力平均增长了 114.8 kPa，平均增幅为29.5%，木质素掺量 1%3%内，从原状土至掺量3%，试样峰值应力提高了333.6 kPa，而在掺量3%5%梯次时，试样峰值应力的增幅为20.6%，量值增长了125.6 kPa，即木质素掺量对峰值应力的提高具有“饱和点”。当围压增大至360 kPa后，因试样峰值应力并不显著，故以应变15%处应力为宏观峰值应力，较之围压120 kPa下，试样应力整体平均提高了1.041.1倍，随木质素掺量梯次递增，其宏观峰值应力参数提高了 230.4 kPa，平均增幅与围压 120 kPa下较为接近，为28.8%。分析表明，围压提高，木质素掺量对试样改良效果仍具有较显著效果，但从工围压/kPa120240360木质素掺量/%0、1、2、3、4、50、1、2、3、4、50、1、2、3、4、5重塑土体含水率/%14、16、18、20、2214、16、18、20、2214、16、18、20、22表1试验因素设计口宽B1 11 1设计水位纵向伸缩缝渠深H边坡系数m圆心角圆心角a a半径R土工布（400 g/m2）现浇C20混凝土水深h现状渠道断面101.651.601.551.501.451.401.351.30原状土试样改良后试样干密度/（gcm-3）8101214161820含水率/%海河水利1022023.No.7程治理考虑，控制木质素掺量在“饱和点”以下更为合理。2.2含水率影响同理，基于含水率组试样力学试验，获得了含水率与木质素改良黄土力学特征关系如图6所示。从图6可以看出，同一围压下不同含水率试样应力应变曲线特征具有差异性：围压 120 kPa 下含水率14%18%3个试样应力应变呈现应变软化特征，在峰值应力后均具有一定降幅，分布为39.7%48.5%，而含水率 20%22%2 个试样分别在应变 5.3%、5.1%后具有应变塑性强化特点，应变硬化特征较显著。同样的现象在围压240 kPa下亦是如此，即使改变围压，含水率对改良土体应力应变影响仍保持一致现象。总体上看，含水率较低时，改良土体具有应变脆性特点，峰值应力后会有下降段，而含水率较大时，由于水分、孔隙等非稳定因素占比超过了应变破坏主导地位，因而在塑性应变段具有长期稳定性。整体上看，含水率与改良土试样峰值应力为负相关关系，围压120 kPa下，含水率14%22%试样峰值应力分布为250.5741.7 kPa，随含水率梯次变化，峰值应力平均减少了122.8 kPa，降幅为26.8%；而围压增大至 240 kPa 后，峰值应力分布平均提高了15%60.7%，分布为288.1986.4 kPa，受含水率梯次影响，该组围压下峰值应力平均减少了174.6 kPa，降幅为22.1%。从各含水率梯次方案峰值应力对比来看，围压120 kPa下含水率14%增长18%时，峰值应力降幅依次为 24.8%、26.6%，而在含水率 20%22%下降幅为27.5%、27.7%，与平均降幅相比差距较小；同样围压 240 kPa下也有此种现象。分析可知，改良黄土试样应力水平在含水率因素削弱影响下较为均衡，在含水率梯次变化过程峰值应力的降低较稳定。综合对比可知，围压增大，试样应力水平能提高，同时也会减弱含水率对改良土试样峰值应力削弱作用。3木质素改良下黄土渠基冻胀特性变化基于高桥灌区桩号6+230处渠道断面设计，开（a）围压120 kPa（b）围压360 kPa图5木质素掺量对改良黄土试样应力应变特征影响图6含水率与改良黄土试样应力应变特征关系（a）围压120 kPa（b）围压240 kPa8007006005004003002001000应力/kPa原状黄土木质素掺量1%木质素掺量2%木质素掺量3%木质素掺量4%木质素掺量5%应变/%024681012141 6001 4001 2001 0008006004002000应力/kPa024681012140246810121416应变/%原状黄土木质素掺量1%木质素掺量2%木质素掺量3%木质素掺量4%木质素掺量5%8007006005004003002001000应力/kPa02468101214应变/%024681012141618应变/%1 0008006004002000含水率14%含水率16%含水率18%含水率20%含水率22%含水率14%含水率16%含水率18%含水率20%含水率22%应力/kPa张西法：灌区渠基土改良下力学试验及冻胀特征研究1032023年7月展改良黄土渠基下衬砌结构冻胀特征分析，简化部分附属渠坡面后的剖面如图7所示。衬砌结构中，底板、坡板厚度均为8 cm，渠底面、坡面断面分别为2、2.5 m，地 下 水 位 位 于 渠 底 面 下 方 1.6 m。在ABAQUS中引入地基弹性梁本构模型，渠基土物理力学参数以掺量3%改良黄土设定，进而开展衬砌结构冻胀仿真特征分析。基于同一木质素掺量3%下不同含水率改良黄土渠基的冻胀特征计算，获得了渠底板断面上冻胀位移变化特征，如图8所示。从图8可以看出，在渠底板断面上两侧渠坡脚处冻胀位移均为0，且整体上冻胀位移呈对称分布特征，峰值冻胀位移位于断面1 m处，此规律在各含水率方案下均是如此，且总体上改良渠基土衬砌结构冻胀位移水平均低于原状渠基土方案。当渠基土含水率递增，冻胀位移值均提高，含水率14%方案下渠底板峰值冻胀位移为 2.71 mm，而含水率 18%、22%下峰值冻胀位移较前者分别提高了1.5、3.9 mm，增幅分别为55.5%、144.3%，随含水率方案梯次变化，峰 值 冻 胀 位 移 平 均 增 长 了 0.98 mm，平 均 增 幅25.1%。相比之下，在原状土渠基中，各含水率组试样峰值冻胀位移分布为 4.120.5 mm，随含水率梯次变化，其峰值冻胀位移增幅为49.9%。原状土渠基中13，14，衬砌结构冻胀变化受含水率影响更为敏感，冻胀危害更大，即木质素改良黄土有利于提高黄土渠基衬砌结构抗冻胀能力。4结论（1）木质素掺量不会影响改良土试样应力应变曲线特征，围压120、360 kPa下分别具有应变软化与应变塑性强化特征；木质素掺量愈多，改良土应力愈高，但增幅以掺量3%以下更显著，随木质素掺量梯次变化，围压120、360 kPa下试样峰值应力分别提高了29.5%、28.8%。（2）同一围压下含水率不同，应力应变曲线具有差异性，含水率14%18%与20%22%改良土试样分别呈现应变软化、应变硬化特征；含水率与改良土峰值应力为负相关关系，随含水率梯次变化，围压120、240 kPa下分别平均降低了26.8%、22.1%，降幅在各含水率方案间较为稳定。（3）研究获得了渠底板冻胀位移在断面上呈对称分布特征，峰值冻胀位移位于断面1 m处，改良土渠基衬砌结构冻胀位移低于原状土渠基，且后者受含水率影响敏感度高于前者。参考文献1 陈晶，华中.冻融条件下水工建筑地基复合土力学特性分析研究J.水电站机电技术，2022，45（1）：94-97.2 李星，王红雨，陈海全.坝前淤泥土与新填坝体接触面抗剪强度试验研究及工程应用J.应用力学学报，2021，38（1）：166-175.3 李丽华，盛宏志，廖新超，等.应力路径对砂土宏细观力学特性的影响J.中国科技论文，2022，17（10）：1057-1064.4 沈筠，莘子健.粗粒土三轴试验颗粒流细观参数敏感性分析J.安徽建筑，2021，28（9）：224-226.5 邵应峰，周云东，黄安国，等.自密实固化土的冻融循环力学特性试验研究J.河南科学，2022，40（9）：1398-1403.图7渠道剖面尺寸单位/cm图8渠底板冻胀位移变化特征（a）改良土渠基（b）原状土渠基20025025025087.56.04.53.01.50.00.00.51.01.52.0冻胀位移/mm含水率14%含水率16%含水率18%含水率20%含水率22%含水率14%含水率16%含水率18%含水率20%含水率22%断面/m断面/m0.00.51.01.52.024211815129630冻胀位移/mm（下转第110页）海河水利1042023年7月5.3浆砌块石框架设计新坪水库大坝下游坝坡1 139.88 m高程处马道以上坝坡坡比为1 1.75、马道以下坝坡坡比为1 2.83，本次除险加固为了提高下游坝坡的稳定性，在大坝下游坝面增设M7.5浆砌块石框架加固坝坡，共设5道横向框架，其中下游坝面梯步位置设立1道中间框架、左右坝面各设立2道框架，框架底宽1.5 m、高1.5 m；在横向框架中间采用“X”形框格梁连接，底宽1 m，高1.5 m。框格梁顶部设30 cm30 cm排水沟，底部铺设200 mm厚碎石垫层。5.4量水堰设计为监测坝体渗漏水量，本次除险加固措施中将大坝下游排水棱体处泵站进水池底板保留，拆除顶板及侧墙后改建成量水堰，堰槽长2 m、宽2 m，堰板嵌入边墙和底座50 mm，堰板底座采用C25素混凝土。量水堰堰板表面局部不平处不得大于1 mm，堰口的局部不平处不得大于1 mm；堰板两侧高差不得大于堰宽的1/500；堰板和侧墙的倾斜度不得大于1/200，侧墙局部不平处不得大于5 mm；两边侧墙局部宽度误差不得大于10 mm；堰板必须与水流方向正交，安放水平，竖向垂直，采用Q235钢制作；引槽内侧必须用水泥砂浆抹面，厚度20 mm；水尺预留槽内预埋2根9 mm间距50 mm的钢筋，水尺与之焊接，注意水尺零点高程与堰口高程之差不得大于1 mm。6结语基于类似工程采用埋药诱杀、挖巢等办法根治白蚁隐患效果都不明显的实际，新坪水库采用坝体充填灌浆+坝基帷幕灌浆+下游浆砌石框架的处理方案，可以有效地填充白蚁造成的通道且浆液中掺药对杀死白蚁有很好的效果，能较好解决大坝白蚁治理难题，有效预防白蚁侵害再次发生，减少白蚁对水库大坝稳定带来不利影响。同时，运行管理单位需对大坝坝体白蚁加强观测，避免白蚁灭杀不彻底，确保工程后续运行安全。参考文献1 黄立群，冉海林，跑热干.土坝在设计和运行中防治白蚁危害的研究J.中国水利水电科学研究院学报，2015（4）：290-294.2 屈章彬，蔡勤学，张树田，等.土石坝白蚁综合防控技术在黄河小浪底水利枢纽中的应用实践J.地基处理，2021（4）：355-360.3 山东省水利勘测设计院有限公司.贵州省贵阳市修文县新坪水库除险加固工程初步设计报告R.济南：山东省水利勘测设计院有限公司，2022.6 胡再强，黄帅，周衡立，等.干湿循环条件下人工制备遗址土动力特性试验研究J.岩石力学与工程学报，2022，41（S2）：3499-3507.7 孙壮，王荣，林立宏，等.超高含水率泥炭土力学特性的试验研究J.科技与创新，2022（10）：119-121，129.8 钱健，周琳，杨建冬，等.不同纤维改性石灰土的力学特性研究J.中外公路，2022，42（5）：203-208.9 韦富杰.膨胀土高边坡改性后力学特征及安全稳定性分析研究J.西部交通科技，2022（9）：38-42.10 董超凡，林城，张吾渝，等.寒旱区木质素纤维改良黄土的热学与力学性质研究J.干旱区资源与环境，2022，36（5）：119-126.11 董超凡，张吾渝，孙翔龙，等.木质素纤维改良黄土抗剪强度的试验研究J.安全与环境工程，2022，29（2）：102-110.12 刘钊钊，王谦，钟秀梅，等.木质素改良黄土的持水性和水稳性J.岩石力学与工程学报，2020，39（12）：2582-2592.13 王秦泽.冻融循环对U型黄土渠道的稳定性分析J.南方农机，2022，53（17）：10-12.14 韩财宝.冻融作用下饱和渠基土物理力学性质的变化J.兰州文理学院学报（自然科学版），2021，35（5）：37-40.（上接第104页）陈宋斌：白蚁危害引起土坝渗漏的处理措施110