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)



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a, b，崔皓东a, b，吴庆华a, b，李少龙a, b，王金龙a, b

(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

1研究背景

2014年建成通水的南水北调中线工程一期工程，自丹江口水库取水，终点为北京、天津，输水工程全长1 421 km。工程所面临的重要难题之一是无法避开膨胀土或者膨胀岩分布地区。该工程有累计长约386.8 km的总干渠，在地表至渠底板以下5 m范围内分布有膨胀土或者膨胀岩[1]。为了叙述方便起见，将此类渠段统称为膨胀土渠段，以下述及的膨胀土包括膨胀岩。膨胀土因其特殊性质容易引起工程问题，这在项目论证阶段就已经引起重视[2]。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究对象[3]，并先后被列入国家“十一五”和“十二五”科技支撑计划项目的研究课题[4-5]。在这些研究和工程实践中认识到，雨水、地表水、渠水入渗是引起膨胀土渠坡失稳的主要外因[6]；以保障渠道输水效率和渠坡稳定为目标，研究者们提出了针对性的设计方案，其中包括渗流控制设计方案[5,7-9]。

膨胀土渠坡出现在挖方渠段。对于南水北调中线渠坡的膨胀土来说，造成渗流问题比其他工程更为复杂的主要因素有：膨胀土边坡在渠道两侧形成临空面，为膨胀土接受大气复杂作用提供了新的重要边界；沿线渠坡地层结构差异大，形成不同的渗透结构，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水条件。

本文在已有研究和工程实践基础上，开展膨胀土地区和膨胀土渠坡渗流系统的分类研究，讨论渠道工程对于渗流系统的改造作用，对工程建设前后渗流场分布及动态特征差异进行宏观分析，讨论和归纳不同渗流系统膨胀土渠坡的渗流控制任务，提出渗流控制措施的应用原则。

针对不同渗流系统的渗流控制措施详细论证工作与成果，将另文介绍。

2膨胀土地层所处的渗透结构和渗流系统分类

渗流场的分布与岩土体自身的性质有关，也与其所处的环境有关。所谓环境，包括相邻地层的性质、土层埋藏条件、被切割情况以及水文地质条件。膨胀土为高塑性黏土，其典型特征之一是超固结性，通常情况下膨胀土自身的渗透性及富水性均很低。近地表的膨胀土发育有植物根系孔隙和干缩裂隙；膨胀土中还发育有长大裂隙，一旦受到卸荷作用，裂隙就会进一步张开。这些孔隙和裂隙的存在，使得膨胀土的渗透性和富水性呈现出一定的不均一性。

在国家“十二五”科技支撑计划项目研究过程中，开展了南水北调中线一期工程总干渠膨胀土渠段地质结构分类。其分类方法充分考虑了不同岩性地层强度和变形性能的差异，因而划分得比较细。在岩体结构、土体结构、土/岩体结构3大类下划分层状结构、均一结构、双层结构和多层结构，并进一步划分了15个亚类[1]。对于渗流场分布来说，起关键作用的是地层的渗透性，尤其是不同渗透性地层组合起来的结构形式，因此可以在地层结构分类基础上进一步地开展渗透结构分类。

当地层为均一膨胀土，或者与膨胀土相邻的是弱渗透性的地层时，其富水性差，渗透性弱，径流缓慢，地下水对水文气象条件变化的响应滞缓。

当膨胀土与饱和渗透性较强的地层相邻时，就会形成渗透性有显著差异的双层或者多层渗透结构体系，层面成为层间水流交换的“内部边界”。饱和状态下，由于强透水层的导水作用，膨胀土层的水分运动形式在很大程度上是向强透水层排泄，或者接受强透水层的补给，使得膨胀土中的地下水动态和对于水文气象条件变化的响应比弱渗透结构体系要活跃和迅速得多。非饱和状态下，在超过一定的吸力范围后砂质或者粗粒岩土层的渗透性反而比膨胀土更弱，会成为制约膨胀土水分运动的屏障[9]。

按照上述是否与饱和渗透性较强地层相邻的情况，可以将膨胀土所处的渗透结构分为2类：块状弱渗透结构(A类)和层状渗透结构(B类)，见表1。

表1　 工程建设前膨胀岩土地区渗流系统分类

不妨将膨胀土所在渗透结构的渗流场看作一个系统。理论上讲，这个系统不是封闭和孤立的，总会在一定程度上与外界进行着水量交换，相对于水文循环系统及地下水循环系统来说，膨胀土渗流场只是一个子系统，而且从严格意义上讲是开放系统。但是不同条件下膨胀土渗流系统的开放程度差别很大。从工程实用角度，可对其开放性进行分类。上述渗透结构反映的是渗流系统的内部结构组成，决定了系统开放性的内部条件，而渗透结构中膨胀土的出露情况，决定了渗流场分布规律及其动态特征。

膨胀土是否出露，也会明显影响非饱和带渗流场的分布及其动态变化。南水北调中线渠道工程建设前，膨胀性土(岩)地区天然地貌形态多为丘陵、垄岗和山前冲洪积、坡洪积层。膨胀土出露情况，既包括地面出露，也包括沟谷、河道切割的岸坡，以及渠道、道路等工程边坡上的出露。当膨胀土出露时，要经历强烈的温差、风蚀、雨淋、冻融、卸荷等作用，再加上动植物活动，地表以下一定深度范围内的膨胀土会劣化，主要是裂隙更发育，致密程度降低，在降雨直接入渗和蒸发排泄作用，以及与地表水相互作用下，不仅饱和区渗流场变化较快，甚至在非饱和区形成上层滞水。

当出露于地表的是非膨胀土层时，下伏膨胀土层受到了保护而不至劣化，受降雨和蒸发作用的影响也会因上覆地层的存在而明显衰减。

根据渗透结构类型和膨胀土出露情况，可将渠道工程建设前膨胀土地区渗流场划分为4类渗流系统，分别为A1，A2，B1和B2，见表1。现对其异同叙述如下：

(1) A1和B1渗流系统中，膨胀土均出露，非饱和带受大气影响显著，也是膨胀土有关问题多发地区，可以将这2类渗流系统称为开放系统。

(2) A2渗流系统中，膨胀土不出露，且不与强透水层相邻，膨胀土中渗流场动态滞缓，天然条件下膨胀土问题不会很突出，可以称为相对封闭系统。

(3) B2渗流系统中，膨胀土不出露，但有强透水层相邻。当强透水层饱和时，膨胀土中的渗流场随着强透水层的侧向径流而响应水文气候及地下水条件的变化，与膨胀土有关的问题有可能在深部，甚至规模较大；当常规意义的强透水层长期处于非饱和状态时，其非饱和状态下的弱渗透性会制约膨胀土中渗流场的动态变化，与膨胀土有关的问题可能因此而减弱。B2渗流系统可以称作半开放系统。

(4) B1渗流系统中，膨胀土不仅出露，还与强透水层相邻。当强透水层饱和，或者在饱和与非饱和状态间交替变化，尤其是当水文气候及地下水条件的变化频繁且剧烈时，膨胀土对其响应也相对快速，渗流场分布复杂，而且变化频繁，易于出现与膨胀土有关的工程问题，而且既可能有浅表部的小规模工程问题，也可能有深部的大规模工程问题。

渠道工程建设前，渗流场的分布和动态规律是长期历史过程中形成的，处于与渗透结构及水文地质条件相适应的动态平衡之中，只有地下水开采活动和灌溉方式的改变，以及工程建设活动等人类行为才会显著地打破既有的动态平衡。

3渠道工程建设对于膨胀土渗流系统的改造作用

按照对于渗流场的影响，可以将南水北调中线一期工程开工建设直至通水运行中渠道工程的状态分为3个典型阶段，不同的膨胀土渗流体系在这3个阶段中经历不同的改造，出现新的渗流场分布和动态变化特征。

3.1施工期

渠道施工期是指从开挖工程开工至渠道衬砌和防护层铺设完成之前的阶段。

挖方段的施工期是一个逐渐切割地层的过程。开挖面成为新的降水入渗和蒸发排泄边界，使得土体含水率与开挖前出现很大差异，含水率的变化频率和幅度都会大大增加。当基坑开挖底面低于工程建设前的排泄基准面时，基坑底面是一个不断降低的地下水排泄基准面，而当工程需要超前排水时，排水井管的水位成为控制水位，距离开挖坡一定范围内的地下水被疏干，地下水位显著下降。施工期渗流场分布及动态处于变化程度不断增大，直至最大的阶段。

在膨胀土地区，工程建设前膨胀土就已经出露的渠段(A1和B1系统)，原来就属于开放系统，随着渠道的开挖，开挖面成为新的开放边界，渗流系统更加开放，渠道开挖深度越大，开放程度越大。工程建设前膨胀土未出露的渠段(A2和B2系统)，根据渠道是否揭穿膨胀土层有不同的变化。当渠道不揭穿膨胀土渗流系统时，渗流场将基本维持建设前的系统特征；当渠道揭穿膨胀土层时，原来的相对封闭系统和半封闭系统逐渐开放，演变为施工期的开放系统。随着开挖深度的增加，开放程度不断增大。

3.2完建期

渠道工程完建期是指不仅渠道开挖全部完成，而且所有的渗流控制工程和渠坡防护工程也已经完工，但是渠道尚未充水的状态。

完建期，在膨胀土渠道设计过水断面上已经覆盖有混凝土衬砌板，甚至还有土工膜防渗层、排水垫层或盲沟，以及换填层；在高于衬砌范围的渠坡上，膨胀土也被换填层覆盖，下面可能还设置有排水盲沟。与施工期不同的是，上述防渗排水措施成为了降水入渗和蒸发排泄作用的障碍栅，膨胀土渠坡含水率的变化频率和幅度又会有所降低。与施工期相同的是，地下水条件已经得到改造，甚至施工期的临时渗控措施仍然在发挥作用。

渠道衬砌和防护结构铺设完工后，在防渗排水措施有效作用下，膨胀土渗流系统的开放程度又会得到有限度的制约，其开放的方式将主要是地表直接接受大气降水入渗补给和蒸发排泄作用，以及在天然地下水位高于渠道底板的渠段，地下水流场受到排水体系的控制，并与基坑控制水位或渠道运行水位关联。所以在完建期，渠坡非饱和带渗流场分布和动态变化处于一个复归缩小的阶段；而饱和区渗流场分布和动态变化可能处于改造程度最大的阶段。

3.3运行期

运行期是指渠道通水后的运行状态，包括调度控制的输水和检修工况。

运行期，无论渠道内是有水还是无水，也无论渠道水位怎样变化，渗流控制体系都应发挥有效的作用，使渗流场分布呈现如下规律。

(1) 在渠底板高于地下水位的渠段，依靠土工膜防渗层的作用，将渠水与渠坡土体隔离，工程运行后的地下水将恢复至天然地下水分布状态。在渠道水位低于地下水位的渠段，依靠排水体系控制渗流场分布，从而既促进渠坡的稳定，又通过控制衬砌板承受的浮力使之处于安全状态；此类条件下，工程运行后的地下水是向渠道方向运动，以变动中的渠道水位为控制水位，并随其变化而波动。

(2) 在渠道水位变化范围与地下水位变化范围交叉的渠段，排水孔孔口设置逆止阀。当渠道水位低于地下水位时，逆止阀自动开启，依靠排水孔对地下水的排水减压作用，促进渠坡和衬砌板的稳定，此期间渗流场受渠道水位控制，以变动中的渠道水位为控制水位。当渠道水位高于地下水位时，逆止阀闭合，排水孔停止运行，并依靠渠道防渗层的作用，制约渠道与渗流场的水力联系，二者之间甚至可能出现非饱和区。

(3) 对应于渠道水位变化范围内的膨胀土渠坡上，由于其本身的持水特性和不直接经受蒸发作用，膨胀土总体上将维持在饱和或者接近饱和的状态。

(4) 在高于渠道设计水位的膨胀土渠坡上，膨胀土被换填土等防护层覆盖。防护层对降水入渗和蒸发排泄起到障碍栅作用，膨胀土渠坡含水率的变化受到制约。但当防护措施和渗流控制体系不完善时，也会出现局部或者暂态饱和区。坡面防护措施的长期有效性尤其值得关注和跟踪监测。

4膨胀土渠坡渗流系统分类

渠道工程建设对于渗流场条件的改变，起重要控制作用的是渠道是否揭穿膨胀土渗流系统，以及渠道运行水位与地下水位的关系，据此将膨胀土渗流系统在工程建设前后的演变情况概括于表2。

表2　 渠道工程建设后膨胀土渗流系统变化

表2中条件说明所称“地下水位”是指工程建设前地下水位，或者区域地下水水位。“地下水位低”是指工程建设前常年地下水位均不超过渠道施工期的控制水位或者运行期的渠道水位；“地下水位高”则是指工程建设前地下水位超过施工期的控制水位或者运行期的渠道水位，包括季节性超过的情况在内。由表2可知：

(1) 工程建设前的A1和A2类渗流系统，在渠道工程建设后可能演变为A11类渗流系统。识别A11类渗流系统的特征是：膨胀土处于块状弱渗透结构之中，膨胀土被揭露，工程建设前地下水位或者区域地下水位高于渠道建设期间控制水位和运行水位。

(2) 工程建设前的A1和A2类渗流系统，在渠道工程建设后也可能演变为A12渗流系统，其与A11渗流系统不同之处在于：工程建设前常年地下水位或者区域地下水位低于渠道建设期间控制水位和运行水位。

(3) 工程建设前的A2类渗流系统，在渠道工程建设后可能仍然维持为A2类渗流系统，其特征是：膨胀土处于块状弱渗透结构之中，膨胀土不出露，且不被渠道工程切割。

(4) 工程建设前的B1和B2类渗流系统，在渠道工程建设后可能演变为B11和 B12类渗流系统;工程建设前的B2类渗流系统，在渠道工程建设后也可能仍然维持为B2类渗流系统。

5膨胀土渗流系统的渗流控制任务

渠道是涉水建筑物。渠道对于渗流场的改造，一方面体现为渠水与渗流场之间的相互作用，另一方面体现为渠水淹没线以上坡面的入渗补给和排泄作用。工程运行中，渠道水位是在设计水位与渠底高程之间变动的。所以，上述2方面的作用并没有固定的范围和界限。工程设计中以设计水位为限，分别考虑渗流控制和防护方案。在深挖方渠段，常常通过设置马道来促进渠坡的稳定，有的渠段甚至在不同高程部位分别设置马道，其中最低的马道称为第一级马道，习惯简称为一级马道。南水北调中线一期工程设计中，习惯以一级马道为限，分别表述渗流控制和防护方案。

在各类膨胀土渠坡渗流系统中，渠道水位以上膨胀土渠坡的渗流场，一方面借助防护层的作用而制约大气降水和蒸发的影响，另一方面借助排水垫层、盲沟和排水孔的作用向渠道方向排泄。

渠道水位以下膨胀土渠坡渗流场的分布和动态，对应于不同的渗流系统，会有不同的特征。表2中列出了各类系统中渠道对渗流场的作用方式。

A11类和B11类渗流系统体现出渠道的显著改造作用。如果区域地下水位总是高于渠道设计水位，工程建设后，渠道成为地下水的排泄去向，渠道水位是一个变动中的排泄基准面，一级马道以下渗流控制的任务是确保排水效果；如果地下水位与渠道水位变化范围交叉，工程建设后的渗流场分布和动态很复杂，一级马道以下渗流控制的任务是确保地下水位较高时的排水效果，以及地下水位较低时的渠道防渗效果。

A12类和B12类渗流系统中渠道成为地下水的补给源，一级马道以下渗流控制的任务是渠道防渗。渠道对于渗流场的影响程度与防渗效果有关。理想的防渗层可以隔离渠道与地下水之间的联系，使得渗流场基本上不受渠水影响。不同程度的渠道渗漏补给作用，会形成不同的渗流场分布。轻度渗漏会在渠底附近形成局部饱和区，渗漏水流通过非饱和区运移至地下水面，并造成自由面的丘状抬升。渗漏程度的增加，会使得渠底局部饱和区扩大，自由面丘状抬升程度增加，直至二者连成一体，渠道与地下水之间建立起饱和水流运动的联系方式，渠道对地下水造成显著影响。

对于膨胀土不被渠道揭露的A2类和B2类渗流系统来说,膨胀土不出现在渠坡上，而只出现在渠基中，仍维持工程建设前的半开放特征。不论渠道对于饱和带渗流场的改造作用如何，除了膨胀土因此而可能对渠基变形和稳定造成的影响外，其他问题与一般渠段没有显著差异。此类系统中，膨胀土埋藏于渠基，与其裂隙性和超固结性伴生的问题没有得到触发，膨胀变形也受到上覆荷载的制约，一级马道以下渗流控制的任务与条件类似的非膨胀土渠段基本相符。

6渗流控制措施应用原则

本节基于渗流控制措施的大量研究成果和工程实践，针对上述膨胀土渠坡渗流系统分类，概括适用的渗流控制措施。

膨胀土渠段与其他渠段一样，要通过饱和区渗流场控制促进和保障渠坡及其衬砌结构稳定，更特别的是，由于膨胀土问题的要害不仅是土性与含水率分布相应的空间变化，更有土性随着含水率动态变化所发生的复杂演变，所以膨胀土渠坡更需要控制饱和区域的动态变化，以及非饱和区域内含水率的动态变化。

与其他水利工程一样，南水北调中线工程的渗流控制也可以分为防渗与排水2大类措施。防渗措施主要是设置在衬砌板之下的土工膜防渗层，既用以减少渠水的渗漏损失，更是为了隔离渠水与对水敏感的膨胀土渠坡。针对膨胀土普遍采取的换填处理措施，也可以减少渠水和大气降水入渗，以及蒸发排泄作用。当然换填层还具有压重和约束土体膨胀变形的作用，又称作防护措施。

排水的目标有2个方面：一是控制周围地下水对渠道的作用；二是疏导大气降水和地表水的入渗水流，控制其对渠坡和衬砌结构的不利作用。排水措施包括排水垫层、排水孔、减压井。在部分渠段，排水垫层被优化为盲沟。

表3针对各类渗流系统列出了适用的渗流控制措施，加上其他地表和地下集、排水连接管、沟等，以及必要的抽排设备，就可以构成完整的控制方案。

在国家“十二五”科技支撑课题“膨胀土渠坡防渗排水技术”研究中，针对不同的膨胀土渠坡渗流系统，选取典型渠段开展了渗流场模拟[5]，通过渗流场分布及动态规律的分析，对于渗流控制措施的应用着重强调了以下几个方面。

表3　各类膨胀土渠坡渗流系统的控制措施

(1) 非饱和带设置排水垫层以利于含水率的长效控制

一级马道以上的换填层可对膨胀土起到含水率的控制作用，但是经过长期运行以后，换填层可能因为沉降和干缩变形而产生裂隙，也可能由于动植物作用而产生大孔隙，其控制效果会降低。在斜坡段的换填层下合理设置排水垫层，可控制降水入渗、蒸发和温度变化对于膨胀土的影响，尤其可提高防护作用的长期可靠性。这就是双层结构防护方案的优越性。

(2) 合理设计马道以减轻对渗流控制的负效应

马道上地形平缓，不利于地表产流，而更利于降雨入渗，甚至会形成积水入渗条件，所以马道对于渠坡渗流场控制具有负效应。要在综合考虑各方面因素影响基础上，开展马道设置及其具体设计，包括宽度不宜过大，顶面向坡外适度倾斜，不要设置透水垫层等，尽可能地减轻马道对于渗流控制的负效应。

(3) 合理运用排水孔和减压井控制地下水流场及水压力

在地下水位较高的膨胀土渠段，排水孔应有效控制衬砌层或者换填层承受的水压力；减压井应有效控制渠基承压含水层中的水压力。二者都是三维渗流场中的汇集点，其合理的布置方案，以及直径、深度和反滤结构等，需要根据实际渠段的地质条件和工程运行条件论证确定。

(4) 地下水动态变化与渠道水位变化范围交叉渠段合理设置逆止阀并保障其灵敏性和可靠性

在地下水位长期高于渠道运行水位的膨胀土渠段，排水孔、减压井应该长期运行，无需设置逆止阀。

在地下水位动态变化范围与渠道水位变化范围交叉的渠段，排水孔、减压井口设置逆止阀，由逆止阀的启闭控制二者是否通水，以适时实现防止渠道渗漏和控制地下水的作用。此时，逆止阀启闭的灵敏性和可靠性是渗流控制体系有效运行的关键。针对以往的逆止阀存在灵敏性差、易破损和易淤塞的问题，长江科学院专门研制了压差放大式新型逆止阀，其灵敏性和可靠性更高，已经获得发明专利，并在南水北调中线工程中得到了应用。

(5) 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

南水北调中线一期工程的运行伴随着复杂的水文、气候和地下水动态过程，以及工程自身的复杂工况和调度，渗流场始终处于动态变化之中，通过渗流场的适时、有效调控[10]，可以促进和保障工程安全。上述逆止阀属于不依赖能源供给的自动调节措施。实际工程运行过程中，应该长期跟踪研究渗流控制措施的运行效果，检验和完善渗流控制体系及其运行维护方案。例如，中线工程输水途中缺少可提供调蓄作用的湖、库，为保障衬砌结构抗浮稳定性，可以通过更加精细的调度来控制渠道水位的变化，这需要以不影响工程运行效率为前提；有效地控制渠坡和渠基渗流场是不可或缺的另一个重要手段，于是不仅需要关注渗流控制措施的长期有效性，还需要关注渗流控制与渠道水位控制2套体系互相协调的有效性，这一点不仅限于膨胀土渠段，在地下水位较高的其他挖方渠段也很重要。

7结语

(1) 本文提出的膨胀土渠坡渗流系统分类，可以反映渠道工程建设对于地下水条件的改造作用，以及渗流场的分布和动态特征，对于南水北调中线一期工程运行过程中发现和诊断与渗流有关的问题，研究处置方案，以及对其后续工程和其他类似工程建设都具有指导意义。

(2) 在针对不同膨胀土渠坡渗流系统研究的基础上，根据渗流场分布及动态规律，归纳了各自的渗流控制任务，并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。

致谢：本文是课题组全体成员共同研究的成果。研究工作在长江勘测规划设计研究有限责任公司、河南省水利勘测设计研究有限公司、南水北调中线干线工程建设管理局的支持与帮助下才得以完成，特此深表谢意。

参考文献：

[1]阳云华，李士明，高英. 膨胀土渠道地下水类型及特征研究[R]. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，河南省水利勘测设计研究有限公司，南水北调中线干线工程建设管理局. 2014.

[2]包承钢. 南水北调中线工程膨胀土渠坡稳定问题及对策[J]. 人民长江, 2003，(5): 4-6.

[3]吴德绪，倪晖. 南水北调中线工程设计与重大技术问题研究[J]. 人民长江, 2014，(6): 1-3,11.

[4]程展林，李青云.膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究[R]. 武汉：长江科学院，2011.

[5]张家发，崔皓东，李少龙，等.膨胀土渠坡地下水和含水率控制方案研究[R]. 武汉：长江科学院，2014.

[6]蔡耀军. 膨胀土渠坡破坏机理及处理措施研究[J].人民长江, 2011，(12): 5-9.

[7]崔皓东，张家发，张伟，等. 南水北调中线典型承压水地层渠段渗流场数值分析[J]. 岩土力学，2010，31(增2)：447-451.

[8]陈尚法,温世亿,冷星火,等. 南水北调中线一期工程膨胀土渠坡处理措施[J]. 人民长江, 2010，(8):65-68.

[9]张家发，刘晓明，焦赳赳. 膨胀土渠坡兼有排水功能的双层结构防护方案[J]. 长江科学院院报，2009，26(11)：37-41.

[10]张家发，林水生，吴德绪，等. 论土石围堰和基坑渗流场调控[J]. 长江科学院院报，2013，30(2):20-26.

(编辑：黄玲)

Classification of Seepage Systems and Control Measures of Seepage Fieldin Expansive Soil Slopes by the Canal of the First-stage Project ofMiddle Route South-to-North Water Diversion

ZHANG Jia-fa1, 2，CUI Hao-dong1, 2，WU Qing-hua1, 2，LI Shao-long1, 2，WANG Jin-long1, 2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 2.National Research Center for Dam Safety Technology, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:Because expansive soil is very sensitive to water,the stability of expansive soil slope and its lining structure is one of the important challenges for the construction and operation of the first-stage project of middle route South-to-North Water Diversion in China. On the basis of geological structure classification, the permeability structure and seepage field system in expansive soil area and also the seepage field system in expansive soil slope of canal were classified respectively. For different kinds of seepage field system in expansive soil slope of canal, the seepage field transformations caused by canal construction were analyzed. The main tasks for seepage field control were discussed, and the principle was pointed out for the application of seepage field control scheme: laying drainage liner for long-term control of water content in unsaturated slope, deliberate design of berms with their negative effects on seepage control considered, reasonable utilization of drainage holes and relief wells to control seepage field and ground water pressure, reasonable arrangement of sensitive and reliable check valves for the canal stretches with the variation range of ground water level overlapping that of canal water level, tracking research on the efficiency of seepage field control and timely regulating it effectively.

Key words:middle route of South-to-North Water Diversion; expansive soil; canal; permeability structure; seepage field; classification of seepage systems

中图分类号：TU43

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0139-06

doi:10.11988/ckyyb.201506272016,33(05):139-144，154

作者简介：张家发(1960-)，男，安徽安庆人，教授级高级工程师，主要从事岩土工程和水工渗流研究，(电话)027-82820029(电子信箱)zhangjf@mail.crsri.cn。

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)

收稿日期：2015-07-24；修回日期：2015-11-16