膨胀土岸坡堤坝渗透滑动检测评估关键技术研究与实践/长江设计文库

**章绪论 1.1问题的提出 膨胀土是自然界中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性质的土，黏粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石与伊利石等组成。其吸水膨胀、失水收缩，并且有反复变形的性质，而且土体中杂乱分布的裂隙对岸坡、堤坝及渠道边坡等有严重的破坏作用。膨胀土常给人类的工程活动带来危害，并造成全球性的地质灾害。 常规的膨胀土岸坡和堤坝失稳探测主要是依靠勘探手段查明土体地质缺陷与结构隐患来评估其稳定性，采用的方法主要有地质钻探、人工巡查和地球物理探测等。其中：地质钻探主要包括人工锥探与机械钻探，此类方法成本高、效率低、随机性强、代表性差，同时还具有破坏性；人工巡查主要靠人员实地眼观耳听查找隐患，效率低，对隐蔽缺陷通常难以察觉。上述两类方法均难以满足快速、准确、无损探测的要求。地球物理探测主要是通过物理探测手段，研究岸坡和堤坝物性结构特征，推断隐患的规模、形态和空间赋存状态，理论上来讲，地球物理探测是快速、无损、有效的岸坡和堤坝渗透滑动检测方法。 对于膨胀土岸坡与堤坝而言，内部水体渗透过程具有隐蔽、低可探性、持续性、多变性的特点。具体来说，由于堤坝土体不均匀，地震波速和电阻率偏低，在这种不均匀、低速、低阻背景下，探测裂缝、松散体和孔洞等目标体，不同于常规地球物理探测所适宜的条件。首先，低速、低阻介质严重阻碍了波场传播，如果目标体达不到一定规模，准确探测目标体的位置和大小极其困难；其次，膨胀土岸坡、堤坝和目标体的物理属性具有随水位变化的多变性，在汛期尤为明显，靠某一时刻的瞬态地球物理探测很难完全判断目标体的位置。例如：低水位时，膨胀土干缩，呈现相对高阻；雨季或高水位时，随着雨水的浸入，膨胀土吸水膨胀，其电阻率会降低，波阻抗也会出现变化。另外，现有的岸坡和堤坝渗透滑动探测大多只是获取某一时刻的堤防静态情况，由于缺乏非汛期探测数据的资料对比或者是多期资料的对比，很难查明水体渗透范围和状态，在探测速度、探测准确度上也难以满足对险情及时预警的需求。 鉴于此，需要转变以往以查找既有隐患为主要目的的探测思路，从单一时刻目标体的瞬态探测转变为对目标体物理属性变化过程的连续追踪探测，科学地运用物探异常在不同时刻的物理属性和范围的变化，结合时效响应模型和评估方法，以达到检测识别与评估预警的目的。 1.2膨胀土岸坡失稳滑动识别评估技术研究现状 1.2.1膨胀土岸坡失稳滑动破坏机理 关于膨胀土地质灾害的防治研究已近80年历史，但该问题一直未能得到根本性解决，一直是世界性的技术难题。由于膨胀土的水敏性高，边坡失稳时往往伴有降雨的发生，人们通常将膨胀土边坡失稳机理归结于土体强度的降低或衰减。膨胀土边坡在降雨、干燥反复循环的情况下，土体产生裂缝，逐渐发展直至贯通，导致滑坡产生。研究膨胀土滑坡发生机理的目的是，通过对这一过程进行深入研究，以探索裂隙对膨胀土滑坡发生的影响。 分析膨胀土滑坡受降雨、日照形成的干湿循环的影响时，对于本书所研究的膨胀土滑坡机理而言，裂隙性是关键因素，胀缩性是膨胀土产生裂隙的内因，滑坡现象的发生是裂隙作用的结果，为深刻揭示膨胀土滑坡机理提供理论依据。 研究膨胀土滑坡发生机理以膨胀土在干湿循环条件下，裂隙发育对滑坡的影响为主要研究内容，深入研究裂隙发育与干湿循环程度、力学特性的关系，进而揭示膨胀土滑坡机理，为膨胀土岸坡和堤坝滑坡的预防与治理提供一定的参考。 康卫东等指出罗家梁的滑坡体以黄褐、棕黄、黄绿色黏土为主，有些以薄膜状态附于裂隙表面；黏土中的主要成分是蒙脱石，因其性质特殊，加之各种来源水的相互作用，滑带土体湿软，力学强度发生变化，并且人类活动使得边坡变形，边坡变成了明显的滑坡区域，且多级整体开裂，具备牵引式滑动、累积式破坏等特点。根据理论和数据，得出因为斜坡土体由强膨胀土夹层构成滑动面，其自身具有吸水膨胀、失水收缩的特性，当有水渗入或有人为因素打破平衡时，将会导致土体滑动的结论。 王璞[2]通过对膨胀土滑坡的空间构成特征与诱发因素等进行分析研究，进一步认识了勉县膨胀土滑坡的发育特征，得出了膨胀土滑坡主要与江河冲击构成有着直接关系的观点，滑体的主要物质由膨胀土矿物构成，土体松散破碎，局部有空洞现象。勉县膨胀土滑坡多发生在雨季，季节性很强，王璞[2]总结出了勉县膨胀土滑坡的发育特征，这些特征和膨胀土的胀缩性与大气影响深度有着密切关系。 吴睿莉[3]通过对膨胀土的物理性质、含水率差异和应力应变进行论述，发现膨胀土的应力应变稳定结构发生改变的原因有很多，如自身的特殊性质、外界荷载及含水率差异等。将膨胀土滑坡分为三个阶段：外部环境风化弱变形阶段、部分开裂变形阶段、总体破坏滑动阶段。为了更好地处理膨胀土边坡稳定性这个难题，应通过实际地理位置勘察，综合研究地形构造和人为因素的影响，从物理特性方面进行改造，如添加其他矿物含量和种类，从根本上优化其内在特性，从而达到对膨胀土滑坡有效治理的目的。 张国强等[4]主要采用Morgenstern-Price方法中的折线搜索方式，对膨胀土滑坡的发生形态和发生过程进行分析。在大气作用下，膨胀土的内部裂隙发育不易被察觉，但工程中往往根据表面情况判定而忽略内部发展情况，故张国强等[4]指出，对裂隙发育情况进行分析时，可以利用网格搜索方法，得出*小安全系数的组合，建立膨胀土边坡稳定分析计算模型，并根据滑坡实例，表明提出的膨胀土边坡稳定分析模型是合理的。 张光鑫等[5]对沐川县全域的滑坡进行实地调查，并选出该区域内63处堆积层滑坡进行深入研究，通过查阅相关资料，总结了这些滑坡的发育分布规律。利用ArcGIS软件生成滑坡分布规律图，并结合室内试验，对提出的有关破坏机制的结论进行验证。他们发现选择研究的该区域的堆积层滑坡的坡度在15°～25°，降雨和地震作用影响*大，并利用数值模拟软件模拟了降雨和地震的影响。 刘良志等[6]在膨胀土边坡滑坡机理研究中，以实际公路工程中遇到的滑坡问题为出发点，阐述了滑坡现状，以及已发生滑坡采取的处理方法。他们考虑工程所在地段的地质构造、大气作用和地下水文等特点，又根据滑坡发生时的位置分布、抗滑桩剪切破坏的效果和滑体裂隙的发育情况，联系相关文献，确定了滑坡的发生规模，从而探讨相应的工程稳定性设计问题。 马驰[7]根据实地滑坡情况进行分析研究，并充分利用数值模拟手段，提出变形破坏机理。通过收集大量滑坡资料和文献，对研究的堆积层-基岩接触面滑坡特征进行总结，并以岚皋县祖师庙滑坡为实际试验模拟案例，利用室内试验和数值模拟的方式，根据相关实际资料、试验数据结果，进行深入分析论证，得出结构面脆弱和雨水渗入是滑坡发生的关键因素的结论。 综上所述，膨胀土岸坡失稳的现象是错综复杂的，有些在开挖过程中失稳，有些在运行过程中失稳，还有些在开挖数年，甚至数十年以后才逐渐发生滑动。目前，普遍认为岸坡失稳的主要原因是土层的抗剪强度随时间而衰减，而这种抗剪强度的衰减主要是由膨胀土的水敏性和降雨等因素引起的。上述分析无疑有一定的道理，但有相当一部分边坡，在滑坡后进行的反演分析中发现，实测土体强度远远高于反演分析强度，说明土体强度衰减并不是滑动发生的主要原因。胡波等[8]在深入研究膨胀土土体特性的基础上，在河南省南阳市和新乡市开展了大量膨胀土渠坡的现场试验工作，同时在室内开展了大型常重力模型和离心模型的边坡模型试验研究。根据现场试验和室内模型试验研究成果，结合数值模拟等多种手段，理清了膨胀土岸坡的破坏形式，发现了膨胀土岸坡产生破坏不同于一般黏土岸坡的主要原因，首次明确提出了膨胀土岸坡的两种破坏模式，即裂隙强度控制下的岸坡失稳和膨胀作用下的岸坡失稳。 裂隙强度控制下的岸坡失稳，主要是指对于常设坡比的岸坡，当非胀缩裂隙面倾向呈顺坡向时，裂隙面成为潜在滑动面，由于裂隙面强度偏低，岸坡的下滑力超过抗滑力，岸坡发生整体失稳。并非所用的膨胀土岸坡都会发生裂隙强度控制下的岸坡失稳，产生这种失稳的必要条件是岸坡内存在非胀缩裂隙且裂隙倾向与边坡倾向基本一致，其稳定性取决于坡高和坡比、非胀缩裂隙面占潜在滑动面的比例、外部作用大小。该失稳模式的安全性分析仍可采用极限平衡分析方法，与常规方法不同的是，需正确地模拟裂隙的空间分布，同时，裂隙面取裂隙面强度，其余土体取土块强度。 膨胀作用下的岸坡失稳，是指膨胀土岸坡在降雨入渗等作用后，土中含水量增加，土体产生膨胀应变，岸坡中的受水区及周边区域将发生应力重分布，岸坡中剪应力增加，导致土体破坏。对于膨胀作用下的岸坡失稳，膨胀变形在岸坡失稳中起主要作用，降雨等其他作用如同一般黏性土岸坡一样也是并存的，如基质的吸力减小、强度降低、渗流力增加等。这正是对于坡度较缓的岸坡，一般黏性土岸坡保持稳定，膨胀土岸坡却失稳的原因所在。 1.2.2膨胀土岸坡和堤坝滑动检测识别技术 我国岸坡和堤坝探测研究始于20世纪70年代，1974年，山东省水利科学研究所采用电法进行堤防工程质量评估，率先在国内开展了堤坝隐患探测技术的应用与研究，并于1985年形成了一套电法综合探测系统。90年代后，“堤防隐患探测技术研究”列入“九五”国家重点科技攻关计划项目和水利部重大科技攻关项目。2000年9月，国家防汛抗旱总指挥部办公室等单位在郑州市召开“全国堤坝隐患及渗漏探测技术研讨会”[9]，2000年“洪水特性与减灾方法研究”列入国家自然科学基金委员会与水利部长江水利委员会重大资助项目，其中的课题“堤防破坏机理和安全评价”就包括了堤防隐患快速无损探测与评价方法。1999年3月、2000年8月国家防汛抗旱总指挥部办公室先后在湖南省益阳市和北京市大兴区组织了堤坝隐患探测方法及仪器现场测评工作。这些科研课题的研究极大地推动了我国堤坝隐患探测技术的发展。 国外在岸坡和堤坝渗透滑动探测技术方面的研究趋少，大型的科研机构或专门的实验室较少，主要是因为西方国家对防洪减灾工程建设的投资大，特别是堤坝建设大多采用混凝土结构，所以堤坝质量好、隐患少，水体渗透运移导致的隐患风险也较少。而在很多发展中国家，由于技术、资金匮乏，对堤坝渗透滑动探测技术尚未展开专项研究。总的来说，国外对堤坝隐患探测技术进行过系统研究的只有美国、日本、德国、瑞典和意大利等国家。美国陆军工程兵团曾对密西西比河护坡隐患探测开展过系统研究，意大利、日本采用弹性波层析成像技术对混凝土大坝进行质量检测。瑞典在土坝渗漏监测方面做过很多工作，所用到的地球物理探测方法包括高密度电法、分布式光纤温度测量系统、探地雷达等。Johansson和Dahlin[10]开发了基于电阻率变化的土坝监测系统与评价方法；Rozycki等[11]采用电法探测土坝内部的水平破碎区域；Sj.dahl等[12]、Sj.dahl[13]将高密度电法用于土坝渗漏和侵蚀检测。 针对低可探物理背景下的堤防隐患，开展不同时间点、连续观测的时电法和时间推移地震探测，洞悉不同时刻岸坡和堤坝介质物性参数的动态演化特征；利用大数据处理技术，进行水体渗透发育过程的追踪，评估隐患险情灾变的可能性，实现隐患险情的快速定位、预警已成为时间推移地球物理探测技术的发展趋势。 在膨胀土岸坡和堤坝水体渗透滑动时间推移探测研究方面，刘健雄[14]采用高密度电法开展膨胀土电阻率的动态测试，定量分析膨胀土边坡裂隙的演化发育程度，研究膨胀土边坡裂隙的发育机制。杜华坤等[15]通过对堤坝渗漏监测的数值模拟研究，分析了在江河水位上涨过程中堤坝视电阻率的变化特征，总结出根据渗漏通道视电阻率异常范围的相对变化来研究渗漏通道走向的可能性。在2016年鄱阳湖圩堤防汛抢险中，万怡国等[16]在堤段的迎水面和背水面平行布置高密度电法测线，观测不同时段迎水面、背水面电阻率延时的变化，对比分析两个测试断面的电阻率分布特征及变化趋势，推测渗漏通道的埋深和走向，钻孔验证与物探推断结论相吻合。 在膨胀土岸坡和堤坝水体渗透滑动时间推移探测技术研