蛤蟆通和引汤灌区渠基膨胀土的渗透变形和裂缝冲刷试验

车雯方，樊恒辉，张 路，宋婉婷，何武全，娄宗科

（西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨陵 712100）

1 研究背景

我国万亩以上灌区中，建有各类固定灌溉渠道310多万千米，80%以上为土质渠。据分析，现有的渠系工程设施中有50%的骨干建筑、40%的渠系建筑物和32%的衬砌渠道遭受破坏［1］。究其原因，这与诸多渠基的土质具有膨胀、分散、湿陷、溶陷和冻胀等特殊的工程性质有关［2］。膨胀土由于分布广，且具有胀缩性、超固结性、多裂隙性和强度衰减的特性［3-6］，在冻胀破坏、干湿循环、渗透变形和不均匀沉降等作用下更易造成渠系工程内部出现裂缝［7-11］。因此，对在膨胀土渠基上修建的渠道，如何控制渠道结构变形，减少渠基渗漏是保证渠道安全使用的关键。

目前，对膨胀土在渠基方面的研究主要集中在膨胀机理、处理方式等［12-14］，对于膨胀土渠基的渗透变形和裂缝冲刷研究较少。崔淑芳等［15］总结了衬砌渠道损坏的主要形式，并对每种损坏形式进行了分析，指出边坡陡、基土冻胀变形、渗透变形和渗透压力的作用是造成衬砌损坏的主要原因。刘杰［16］提出，决定土体发生渗透变形的因素有内因和外因两种，内因主要是土的性质，外因是水力条件。张刘柱等［17］通过单向变形和冲刷试验，验证了随黏粒含量降低和含水率的升高，黏土抗冲刷能力显著降低，并对黏土裂隙的自愈合能力进行评价。葛中华等［18］通过模型试验，研究黏性土体裂缝中的水流规律，提出了临界水位上升速度的概念。陈洁等［19-21］以含裂缝压实膨润土试样为研究对象进行渗透-饱和与给水愈合试验，研究了不同裂缝形态和数量的压实膨润土渗透系数的变化规律，并对后者采用CT技术进行评价。刘华强等［22］研究了在干湿循环作用下，裂缝对膨胀土抗剪强度的影响。王志伟等［23］采用FLAC程序模拟了裂隙性黏土边坡渐进性破坏的过程。这些工作虽然对工程实践具有一定的指导作用，但是对于膨胀土渠道工程中渠基裂缝的演变规律和影响因素的研究涉及较少。因此，研究膨胀土渠基的渗透变形和裂缝冲刷性能对渠系工程的设计、施工和管理具有非常重要的意义。

本文以黑龙江省蛤蟆通灌区和引汤灌区渠基的膨胀土为研究对象，采用渗透变形试验和裂缝冲刷试验，对渠基的抗渗特性和裂缝冲刷特性进行研究，以期为膨胀土渠道工程的设计与安全运行提供科技支撑。

2 土样取样说明与基本性质

2.1 土样取样说明本文试验的2组土样分别采自蛤蟆通灌区和引汤灌区的渠基土，取土深度在表层土以下30～50 cm。蛤蟆通灌区位于黑龙江省宝清县境内，灌区东以蛤蟆通河为界与八五三农场相接，西以大索伦排干为界，南以福饶公路为界，北以小挠力河与蛤蟆通河汇合处为界。引汤灌区是在松花江下游左岸的汤原县境内，位于汤旺河以东，东河以西，阶地以南，松花江以北的平原区。

2.2 土样基本性质按照《土工试验规程》（SL237-1999）［24］和《膨胀土地区建筑技术规范》（GB50112-2013）［25］的规定，测定了2组土样的物理化学性质和黏土矿物含量，测定结果分别见表1、表2。

从表1和表2可看出，土样1和土样2的物理化学性质、矿物成分比较接近。土样1和土样2的颗粒相对密度分别为2.71、2.70，2组土样的颗粒组成均以黏粒和粉粒为主。按照界限含水率来分，土样1和土样2分别属于高液限粉土（MH）、低液限黏土（CL）。击实试验表明，土样1和土样2的最优含水率分别为25.2%、24.5%，最大干密度分别为1.56和1.57 g/cm3。土样1和2的自由膨胀率分别为50%、41%。2组土样的易溶盐、中溶盐、难溶盐、有机质和阳离子交换量相差不大。值得注意的是，土样1属于碱性土（7.5＜pH≤8.5），土样2属于中性土（6.5＜pH≤7.5）。X射线衍射试验表明，2组土样的矿物类型和矿物含量差别不大，黏土矿物中主要含有蒙脱石和伊利石。

根据《膨胀土地区建筑技术规范》中膨胀土的分类，由于两组土样的自由膨胀率大于40%，故均属于弱膨胀土。此外，土样1和土样2的阳离子交换量分别为18.87和17.74 cmol/kg，蒙脱石含量分别为16.6%和14.3%，依据膨胀土阳离子交换量、蒙脱石含量与自由膨胀率的相关关系，也说明两组土样都具有一定的膨胀潜势，属于膨胀土。

表1 土样物理性质

表2 土样化学与矿物成分

3 渠基渗透变形和裂缝冲刷试验

3.1 试验仪器

3.1.1 渗透变形试验装置 渗透变形试验装置包含可升降水箱、玻璃测压管、制样器、有机玻璃管涌仪和真空泵5部分。将有机玻璃管涌仪放置在制样器上固定，用圆月锤将土样分层夯实至5 cm，并真空抽气饱和。启动真空泵抽水至可升降水箱，将进水口和玻璃测压管用连通管和乳胶管与可升降水箱连接，通过玻璃测压管观察水箱的水头。有机玻璃管涌仪如图1所示，包含进水口、出水口、有机玻璃管、套环、透水板、上游测压管和下游测压管。有机玻璃管内径为10 cm，高25 cm，上游测压管与进水口垂直距离为10 cm，上、下游测压管间距为5 cm，试验过程中通过改变水箱的高度来改变水头。

3.1.2 裂缝冲刷试验装置 为了模拟实际渠道中裂缝存在的情况与破坏形式，本文试验采用自行研制的裂缝冲刷仪器。裂缝冲刷仪包含可升降水箱、玻璃测压管、制样器、有机玻璃冲刷仪、真空泵5个部分。启动真空泵抽水至可升降水箱，将进水口和玻璃测压管用连通管和乳胶管与可升降水箱连接，通过玻璃测压管观察水箱的水头。将有机玻璃冲刷仪放置在制样器上固定，中间固定不同厚度的裂缝板，采用半月锤分层交替夯实土样，未夯实一侧使用半月型有机玻璃保护块固定。有机玻璃冲刷仪如图2所示，包含进水口、出水口、有机玻璃管、透水板和测压管。有机玻璃管内径为9 cm，呈水平放置，试样厚度为4 cm，透气孔距进水口垂直距离为10 cm。试验过程中通过改变水箱的高度来改变水头，观察并记录不同水位下裂缝的变化、流量和水流的清澈情况。

图1 有机玻璃管涌仪

图2 裂缝冲刷试验装置

3.2 试验方法

3.2.1 渗透变形试验方法 试验在有机玻璃管涌仪中进行。制样时控制试样的含水率为最优含水率，压实度为96%，试样高5 cm，分5层装样，层与层之间刨毛，下游无反滤料保护用于模拟填方渠道的渠基。试样采用抽气饱和法，饱和后逐级加压进行试验，水流方向自下而上。在每级压力稳定后测记3次流量，计算渗透流速和渗透坡降，并绘制渗透坡降与渗透流速关系曲线（i-v曲线），直至试样破坏，取其破坏点的坡降与前一级坡降的平均值为破坏坡降［26］。

3.2.2 裂缝冲刷试验 试验采用水平与竖直两种贯穿性裂缝，裂缝开度分别为1、2和4 mm。制样时控制试样的含水率为目标含水率，压实度为96%，试样高4 cm，分4层装样，层与层之间刨毛，制样完成后，缓慢抽出开缝板，连接测压管、进水口等。采用逐级升高水头的方式进行试验，水头间隔0.25 m，每级水头保持5 min，记录稳定后每分钟测压管水头及水的体积，计算裂缝中水的流量，然后升高至下一级水头，记录过程中密切观察裂缝和水流颜色的变化情况直至破坏。根据实际工况，设置1.5 m为最高水头。当裂缝愈合、裂缝开度发生较大变化或出现土块整体流失等情况时，结束试验。试验结束时，描述裂缝破坏时的形态，并将冲蚀土样烘干，测定冲蚀土样的质量。

4 试验结果及分析

4.1 渠基抗渗特性渗透变形试验可反映出在渗透水流作用下土样的渗透稳定性。试验结果见表3，渗透坡降和渗透流速之间的关系曲线（i-v曲线）见图3。

试验结果表明，土样1和土样2的渗透系数分别为8.98×10-5和7.92×10-5cm/s，均小于1×10-4cm/s，属于极低渗透性土。在试验过程中发现，当土样破坏时土体整体上浮，渗透流速和流量急剧增大，坡降很快减小，属于流土型破坏，其破坏坡降分别为149.7和200.4。因此，土样1和土样2具有很强的抵抗渗透变形的能力，能够满足渠道工程渗透变形的要求。

在一定水力坡降作用之下，黏性土渗透破坏的主要形式是边界面上的剥落、边界面附近土体整体浮动的现象（称为流土）、沿裂缝或洞穴的冲刷和侵蚀，常以临界水力坡降作为土的渗透稳定性的判定指标，其与矿物成分、物理化学性质、结构特性等有关。土样1和土样2以黏粒和粉粒为主，有机质含量较高，其蒙脱石含量分别为16.6%、14.3%，土颗粒具有很大的表面积，黏结力很强，具有可抗水侵蚀的团粒结构。因此，两种土样的渗透稳定性好，渗透系数低。土样1的破坏坡降低于土样2，这可能是由于土样1的碱性较土样2较高。土-水-电解质系统的研究表明，酸碱度对土的表面电荷具有很强的影响。土颗粒遇水后，黏土颗粒表面和边缘可能暴露出的羟基（SiOH）分解形成SiO-和H+，pH值越高，H+进入溶液的趋势越大，颗粒的有效负电荷就越多。低pH会引起颗粒带正电荷的边缘与带负电的表面相互作用，导致颗粒从悬液中絮凝；高pH使黏土颗粒分散，其抵抗渗透破坏的能力弱。

表3 土样渗透变形试验结果

图3 渗透变形试验i-v曲线

4.2 渠基裂缝冲刷特性对于压实土来说，压实度和含水率共同决定了土体的结构状态［27］，对裂缝冲刷的影响较大。本文考虑了含水率、裂缝开度和裂缝形态3个变化因素，控制土体的压实度为96%。裂缝冲刷试验的流量变化见图4，裂缝自愈效果见图5，裂缝冲刷试验结果见表4。从图4、图5和表4可看出。

图4 土样裂缝冲刷试验中时间与流量关系曲线

表4 土样裂缝冲刷试验结果

图5 土样1竖向裂缝开度1mm自愈照片

（1）土样1在裂缝形态为横向裂缝，且含水率为21.2%时，开度1 mm的裂缝发生愈合，土样没有出现冲蚀。开度2 mm的裂缝随着水头的上升出现部分自愈，但在裂缝中部出现贯穿性孔洞，水流只从孔洞中出水，随着水头的上升，流量增加，大量土颗粒被带出，孔洞变大，每级水头上升后第一分钟流量最大，2～5 min流量减小并趋于稳定，总体呈上升趋势。开度为4 mm的裂缝随水头的上升，流量稳步增加。当含水率为25.2%时，开度1 mm的裂缝中部同样也出现部分愈合和贯穿性孔洞，每级水头上升后第一分钟流量最大，2～5 min流量减小并趋于稳定，总体呈上升趋势，1.5 m水头时，孔洞逐渐扩大至破坏，流量不断增加。开度为2和4 mm的裂缝随水头的上升，裂缝开度呈现部分愈合，流量稳步增加。

土样1在裂缝形态为竖向裂缝时，其冲蚀表现形式与横向裂缝大体相同，即当含水率为21.2%，开度1 mm的裂缝自愈。在裂缝开度为2 mm时，随着水头的上升，其流量变化不稳定，每级水头上升后第一分钟流量最大，2～5 min流量减小并趋于稳定，但总体呈上升趋势。在裂缝开度为4 mm时，裂缝部分自愈，流量稳步增加。当土样1的含水率为25.2%时，开度1 mm的裂缝变大，水流冲蚀下部严重，带走缝壁两侧土颗粒，在1 m水头时被破坏。开度2和4 mm的裂缝随水头的上升，裂缝开度减小，流量稳步上升。

（2）土样2在裂缝形态为横向裂缝，且含水率为19.6%时，开度为1 mm的裂缝愈合。在开度为2 mm裂缝时，裂缝在0.25 m水头下逐渐愈合，但在裂缝中部出现贯穿性孔洞且孔洞快速变大，大量土颗粒被带出，水流只从孔洞中出水，裂缝被破坏。在开度为4 mm裂缝时，裂缝在0.25 m水头下出现土块整体流失。当含水率为24.5%时，开度1 mm的裂缝在0.25 m水头下裂缝有愈合迹象，在0.5 m水头下边壁出现贯穿性孔洞，大量土颗粒被水流带出，水只从边壁流出，孔洞逐渐变大直至破坏。开度为2和4 mm裂缝均出现部分愈合、部分裂缝开度变大的现象。其中，2 mm裂缝在0.75 m水头下破坏，4 mm裂缝在0.25 m水头下破坏。

土样2在裂缝形态为竖向裂缝，且含水率为19.6%，开度为1 mm的裂缝愈合。在开度为2 mm裂缝时，在0.25 m水头下，裂缝下部开度迅速扩大至破坏，土粒被大量带出。开度为4 mm的裂缝随着水头的上升逐渐减小，流量变化不稳定，每级水头上升后第1分钟流量最大，2～5 min流量减小并趋于稳定，流量总体呈上升趋势。当含水率为24.5%，开度为1、2和4 mm裂缝均在0.5 m水头下被破坏，出现土块整体流失和裂缝开度变大两种情况。值得说明的是，土样1和土样2在试验过程中虽然测定了流量和冲蚀量，但是由于试验本身精度以及影响因素的复杂性，流量和冲蚀量的试验结果仅作为参考。

上述试验表明，土样1、土样2的裂缝形态无论是横向裂缝还是纵向裂缝，当土体的含水率低于最优含水率5%左右、裂缝开度为1 mm时裂缝均能够自愈，土样没有发生冲蚀现象。当土体的含水率为最优含水率时，裂缝开度为1 mm时裂缝不能自愈，土体发生冲蚀现象。当裂缝开度超过1 mm时，则不论裂缝形态和含水率如何，均会出现冲蚀现象，在裂缝的部分区域会出现自愈现象。对于不同裂缝形态而言，横向裂缝由于水压的影响，在裂缝无法完全愈合的情况下，裂缝薄弱处会出现水力冲蚀现象，带走土颗粒，形成部分愈合，而部分愈合根据水力条件的不同则有向自愈和土块整体流失转变的趋势。竖向裂缝下部是薄弱地带，水流自下而上经过裂缝，土颗粒因水的冲蚀作用崩解，在裂缝无法愈合的情况下被带走，裂缝开度变大。有研究表明，土体裂缝具有的自愈合能力，在遇水后才有明显的表现，而干燥状态下的土体裂缝是无法愈合的［16］，这是由土体遇水后水化、膨胀、崩解的水理特性决定的。湿化是亲水性黏土矿物吸水崩解的过程，土体的含水率愈低，崩解速度愈快。另外还与矿物成分有直接关系，蒙脱石含量越高，遇水后膨胀崩解的速度快，崩解后的颗粒越小。这一过程一般都在遇水后几分钟内完成，它的结果是在无约束的情况下块体湿化解体成碎粒状散体，是一个不可逆过程。

土样1和土样2均为膨胀土，在含水率低的情况下，开缝宽度为1 mm的试样，在试验水头较小时，裂缝表面塌落的颗粒主要留存在裂缝中，阻碍了水的流动，膨胀力大于渗透水压力，裂缝全部愈合。在最优含水率和裂缝开度较大的情况下，在水流的作用下土样的水化崩解及重力塌落的颗粒留存在裂缝内的数量有限，且颗粒膨胀力较低，来不及愈合就被水流带走，在低水头下就被破坏，因此裂缝无法完全愈合。

裂缝的形态不同，对裂缝的演变过程也会产生影响。试验中发现，裂缝缝壁上的土体遇水后，由于土体的黏结力和内摩擦角明显减小，颗粒骨架的支撑力变小，在上覆土体作用下，土壁将不可避免地发生崩塌、垮落，崩塌下来的土体充填土内裂缝的下部。当裂缝为横向裂缝时，表现为不仅有水化崩解，而且在自重应力作用下还要向下塌落，裂缝开度变小，部分裂缝愈合。随着水位的上升，未愈合的部分容易出现贯穿性孔洞（一般在裂缝中部）；当裂缝为竖向裂缝时，水流冲蚀部分开度扩大，土粒堆积到下部后被水流带走，出现裂缝开度变大或者出现土块整体流失。两种形态不同的裂缝虽然对裂缝的演变过程产生影响，但是其表现的形式基本相同，土体裂缝随渗流的发展过程如图6所示。

图6 土体裂缝随渗流的发展过程

因此，土体中的裂缝演变过程有自愈、缩小、增大和整体流失等4种型式，其与土体的含水率、裂缝的开度大小及形态等因素有关。其中，土体含水率和开度大小是两个重要的影响因素，含水率越低，裂缝开度越小，裂缝越趋向自愈；反之，裂缝具有扩大甚至产生土体整体流失破坏的趋势。

5 结论

（1）蛤蟆通和引汤灌区的渠基土颗粒组成以黏粒和粉粒为主，蒙脱石和阳离子交换量较高，自由膨胀率大于40%，均属于弱膨胀土。两组土样的渗透系数低，渗透稳定性好。蛤蟆通渠基土的抗渗透破坏能力弱于引汤渠基土，这可能与酸碱度有关。

（2）挡水建筑物在水的作用下土体中的裂缝演变过程有自愈、缩小、增大和整体流失等4种型式，其与土的膨胀性、含水率、裂缝开度与形态、水头、水质、作用时间等因素有关。其中，土体含水率和开度大小是两个重要的影响因素，含水率越低，裂缝开度越小，裂缝越趋向自愈；反之，裂缝具有扩大甚至产生土体整体流失破坏的趋势。横向裂缝在中部易出现贯穿性孔洞，竖向裂缝的开度则在水流冲蚀的部位变大。