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　　膨脹土遇水膨脹，失水收縮，反復(fù)脹縮的特性使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。土體的變形和強(qiáng)度降低，常常造成工程破壞，對于水利工程，尤其是長距離輸水工程，膨脹土邊坡的穩(wěn)定問題更加復(fù)雜，危害尤為嚴(yán)重，工程處理非常困難，投入巨大但收效不佳，往往需要反復(fù)處理。

　　素有巖土工程領(lǐng)域“難疾”之稱的膨脹土邊坡穩(wěn)定問題，成了全長1400多公里的南水北調(diào)中線工程總干渠工程順利實(shí)施的“攔路虎”。但自20世紀(jì)70年代開始，長江委勘察、設(shè)計(jì)和科研單位對中線工程膨脹土的工程特性及處理措施進(jìn)行了長期深入的研究，取得了豐碩成果。

　　南水北調(diào)中線工程總干渠明渠段涉及膨脹土（巖）累計(jì)長度約380余千米，分布有膨脹巖的渠段160余千米，分布有膨脹土的渠段270余千米（部分渠段既有膨脹巖，又有膨脹土）。其中，強(qiáng)膨脹巖渠段30余千米，中、弱膨脹巖渠段130余千米；強(qiáng)膨脹土渠段5.69千米，中、弱膨脹土渠段270余千米�？偢汕�穿越膨脹性巖土的渠段長，處理技術(shù)難度高，處理的工程量和投資也較大，因此，是南水北調(diào)中線工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

　　20世紀(jì)70年代，在引丹灌渠陶岔引渠的建設(shè)中，出現(xiàn)了膨脹土邊坡穩(wěn)定問題，自此，長江科學(xué)院（以下簡稱“長科院”）科研人員即開始了針對南水北調(diào)中線工程膨脹土的工程特性及處理措施的相關(guān)研究——開展南水北調(diào)中線工程沿線膨脹土基本特性試驗(yàn)、渠道邊坡穩(wěn)定性分析和模型試驗(yàn)研究；完成了“膨脹土邊坡穩(wěn)定及滑坡早期預(yù)報(bào)”“非飽和膨脹土邊坡穩(wěn)定研究”“非飽和土坡變形機(jī)理和FRP螺旋錨護(hù)坡技術(shù)的研究”等多項(xiàng)研究課題；“十一五”期間，長科院更牽頭啟動了國家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題“膨脹土地段渠道破壞機(jī)理及處理技術(shù)研究”……

　　為全面系統(tǒng)掌握和認(rèn)識膨脹土變形破壞機(jī)理，給渠道工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，使處理措施更具有針對性，2008年開始，長科院牽頭開展國家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題，先后在河南南陽和新鄉(xiāng)建立了兩個(gè)世界上最大規(guī)模的原型試驗(yàn)渠道，科研人員在長達(dá)2.05千米和1.5千米的現(xiàn)場試驗(yàn)段以及室內(nèi)，運(yùn)用現(xiàn)場勘察、現(xiàn)場測試、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值分析等多種研究手段，開展了大量的原創(chuàng)性、基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究。

　　膨脹土具有明顯的各向異性和特殊的工程性質(zhì)，常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)方法不能如實(shí)反映裂隙性膨脹土的強(qiáng)度特性。如何獲得真實(shí)可靠的土體強(qiáng)度參數(shù)，并在穩(wěn)定分析中采用合理指標(biāo)真實(shí)反映邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)是中線工程膨脹土處理亟待解決的問題。為此，長科院科研人員在厘清膨脹土不同類型裂隙對邊坡穩(wěn)定的作用構(gòu)建膨脹土邊坡土體強(qiáng)度體系的基礎(chǔ)上，首次將CT技術(shù)引入膨脹土強(qiáng)度試驗(yàn)，一舉解決了膨脹土裂隙面強(qiáng)度測試以及土體強(qiáng)度確定的難題。

　　膨脹土邊坡的破壞機(jī)理，以往都是從破壞現(xiàn)象上歸納機(jī)理，長科院科研人員對現(xiàn)場海量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。在對紛繁的資料進(jìn)行縝密研究后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場失穩(wěn)邊坡中膨脹土裂隙發(fā)育，并呈現(xiàn)有一定規(guī)律性的傾向，且裂隙面上的強(qiáng)度極低，當(dāng)渠坡傾向與地層中裂隙的傾向一致時(shí)，往往會發(fā)生順裂隙面的滑坡，結(jié)合現(xiàn)場觀測資料分析，從力學(xué)原理上揭示了膨脹土邊坡失穩(wěn)的一個(gè)重要機(jī)理，即裂隙強(qiáng)度控制的失穩(wěn)。

　　而對于現(xiàn)場另外一些破壞現(xiàn)象，長科院科研人員采用大型室內(nèi)降雨模型試驗(yàn)，闡明了膨脹變形對邊坡穩(wěn)定的影響，證明在無裂隙、無干濕循環(huán)條件下，膨脹土地層受水區(qū)域的不均勻膨脹變形是引起膨脹土淺表層滑塌的重要因素。此模型被課題負(fù)責(zé)人、教授級高級工程師程展林稱為“燈塔模型”。

　　通過對現(xiàn)場破壞現(xiàn)象的分析，并輔以室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，科研人員揭示了膨脹土邊坡的破壞機(jī)理，提出了膨脹土邊坡破壞雙重失穩(wěn)模式。在此基礎(chǔ)上，完善了膨脹土邊坡穩(wěn)定分析理論，針對裂隙強(qiáng)度控制的邊坡失穩(wěn)，提出了考慮裂隙面空間分布特征的邊坡極限平衡分析方法；針對膨脹變形引起的邊坡失穩(wěn)，提出了基于膨脹變形模型的有限元分析方法。研發(fā)了膨脹土膨脹性現(xiàn)場快速判別、張拉自鎖傘形錨、壓差放大式逆止閥設(shè)備等多項(xiàng)邊坡加固新技術(shù)，并最終從膨脹土邊坡破壞機(jī)理出發(fā)，針對性地提出了膨脹土邊坡處理設(shè)計(jì)新理念與加固新技術(shù)。

　　歷經(jīng)40多年攻關(guān)研究，南水北調(diào)中線工程的膨脹土問題取得了豐碩的成果，在膨脹土的判別方法、邊坡破壞機(jī)理、膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)及其試驗(yàn)方法、邊坡穩(wěn)定分析方法以及處理原則、處理技術(shù)等方面均取得了突破性進(jìn)展，有效地解決了膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵技術(shù)問題，攻克了巖土工程界全球性的技術(shù)難題，為南水北調(diào)中線工程建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。由長科院牽頭完成的“膨脹土邊坡破壞機(jī)理與關(guān)鍵技術(shù)研究及在大型輸水工程中的應(yīng)用”榮獲2016年大禹水利科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。

　　來源：中國水利報(bào) 2017年2月9日