包邮高寒区供水渠道监测预警

第1章绪论 　　我国是一个水资源严重短缺的国家，水资源总量约为2.8万亿m3，居世界第六位，而人均水资源占有量仅为2300m3，约为世界人均水资源占有量的1/4。另外，我国土地范围广、气候类型复杂、降水空间分布不均衡等因素导致我国水资源分布不均[1]。新疆地处欧亚大陆腹地，属于典型的干旱、半干旱地区，降水稀少而蒸发强烈，存在着严重的资源性缺水问题。另外，新疆水资源还存在严重的时空分布不均衡性。从时间上来看，总体呈现春旱、夏洪、秋缺、冬枯的特点；从空间上来看，西部、北部地区水资源相对丰富，而南部地区水资源相对稀少，制约了当地工农业生产，影响了人民生活水平。 　　围绕国家将新疆建成“一带一路”中的经济带核心区和自治区“三化”建设的布局，新疆迎来发展的战略机遇期。总干渠正在开展的“一期二步”工程，是在原有的“一期一步”的基础上对渠道加高扩建，从而使其设计输水能力大幅提升，用以满足工农业生产、生活用水需求，这对于缓解疆内水资源不足和分布不均、保障疆内人民生活安定、维持新疆长治久安具有非常重要的意义。然而，输水渠道工程带来巨大社会经济效益的同时，其自身也承受着病害老化和超设计供水的压力。由于北疆输水明渠跨越距离长，沿线地质和气候情况异常复杂，因此渠道从建设期开始就经历着严峻考验。其中，以总干渠沿线的病害问题*为突出。总干渠渠道沿线膨胀泥岩分布广泛，每年边坡失稳、滑坡愈演愈烈；渠道整体坐落于高纬度、高寒地区，冻害现象严重；部分区域地下水为咸水，渠道混凝土衬砌易被剥蚀；由于土工膜破损、老化，膜后积水严重，停水期渗透水压力引起的混凝土衬砌破坏现象普遍发生。如何开展高寒区供水渠道安全监测、风险评估及灾害预警预报系统建设应用，是当前北疆供水渠道实际建设运行中亟须解决的重要问题。 　　1.1高寒区供水渠道工程病害发生机制 　　高寒区供水渠道在冻融循环、季节性输水、高纬度强光照等影响因素下可能产生渗漏等安全隐患，降低渠堤的渗流稳定性，导致溃堤等安全事故，给沿线地区的经济和人民财产安全造成不可估量的损失。既往工程实践经验表明，高寒区供水渠道工程病害主要可归纳为渠道冻害、渠道水害（渠道渗透破坏）、渠道滑坡及多种病害综合（图1.1）。 　　1.1.1渠道冻害 　　我国西北、华北及东北等季节性冻土地区，冬季气候寒冷，低温持续时间长，自然冻深较大，加之周而复始的昼夜温差作用，使得供水渠道普遍遭受不同程度的冻害[3]。往往在建成后的**个冬季，一些供水渠道工程就出现渠底上抬、渠身出现较大变形甚至裂缝，严重降低了渠道的供水能力；另一些供水渠道虽通水初期冻害破坏不甚严重，但因经常通水运行，冻害现象逐年累积、加剧发展，往往需花费大量人力物力年年维修，否则输水渠道运行三至五年即遭大规模破坏。 　　据调查资料，新疆维吾尔自治区的北疆渠道工程有半数以上的混凝土干、支渠均因冻胀受到不同程度的破坏。黑龙江省某大型灌区约83%的支渠以上渠系工程受到不同程度冻害。吉林省某大型灌区调查的216座工程中，受冻害的占39.4%。河北省对石津、唐河等10个灌区调查，部分未采取防冻胀措施的输水渠道普遍存在冻害问题，裂缝多，缝宽达15mm以上。陕西关中地区混凝土衬砌渠道冻害问题亦较严重，据某些灌区调查，渠道阴坡的平均冻胀率为75.3%，阳坡为27%。宁夏20世纪70～80年代修建的惠农渠、七星渠等渠道的衬砌工程，均因冻胀出现隆起、开裂，以致预制板架空、错位、互相穿插、重叠等破坏，冻胀非常严重。据青海省统计，全省万亩以上灌区干、支渠防渗工程中，有50%～60%遭受冻害。 　　总结分析既往工程经验，输水渠道冻害产生的主要机理为冻胀破坏、冻融破坏及冰冻破坏等。 　　1）冻胀破坏 　　土体处于负温条件时，孔隙中部分水分冻结成冰，将导致土体原有热学平衡被打破，在温度梯度影响下，未冻结区内水分向冻结锋面迁移并遇冷成冰；随着冻结锋面推进以及水分进一步迁移和集聚，土体体积逐渐增大，发生冻胀现象。土体冻结过程中水分迁移和成冰作用是产生土体冻胀的主要原因。影响土体冻胀的主要因素有土的粒度组成、矿物成分、水分、密度、温度、载荷以及盐分。 　　长距离输水渠道运行中如遇温度降低，渠基土中的水结冰膨胀而体积增大，当膨胀压力超过混凝土的耐压时，衬砌层就会发生隆起，导致长距离输水渠道出现损坏的现象。长距离输水渠道冻胀破坏的产生还会导致开裂、折断等问题。同时，进入春季，结冰融化以后，长距离输水渠道的强度就会降低，很容易导致主体结构出现滑塌现象，严重影响长距离输水渠道运行的稳定性。 　　2）冻融破坏 　　长距离输水渠道内部以混凝土衬砌层为主。混凝土衬砌层具有一定的吸水性，但在低温环境下会出现结冰膨胀的现象，一般情况下体积会比原来增大，严重影响长距离输水渠道的强度。另外，长距离输水渠道发生冻融破坏，很容易导致混凝土衬砌层出现脱落的现象，在水流的作用下，渠基土体被掏刷，以此引发渗漏、渠段滑塌等问题，影响长距离输水渠道运行的稳定性。 　　3）冰冻破坏 　　长距离输水渠道在低温情况下结冰是极易产生的一项冻害，主要是因为长距离输水渠道出现结冰或渠道水面被完全封冻以后，冻冰层会随着冰的积累不断加厚，对长距离输水渠道产生较大的冰自重以及膨胀压力等，进而引发变形、移位等问题，对长距离输水渠道运行的稳定性造成一定的影响。另外，长距离输水渠道冰冻问题的产生，可在一定程度上阻挡渠道内部水体的流动，进而影响输水的效率。同时，如果情况较为严重的话，还会出现冰顼、渠水漫溢等问题，对长距离输水渠道造成一定的安全威胁。 　　学者们围绕渠道冻害问题展开了相关研究，得到了众多研究成果。 　　杨继华等分析了渠道冻害的三个**条件，即易冻胀的土质条件、土的含水条件及温度条件，消除或削弱其中一个条件即可避免冻胀发生或减轻冻害程度。蔡正银等选取北疆输水灌渠典型土体，定量研究了该种渠基土在温度降低过程中盐-冻胀变形与土体干密度、Na2S〇4含量和含水率等主要因素之间的关系。张如意等分析了渠道原型观测成果，发现在负温影响下，水分迁移在60cm深度范围聚集是导致渠基土体冻胀引起渠道衬砌结构发生破坏的主要原因，可采取排水、防水措施以防止渠道冻胀破坏发生，使渠基土体含水率控制在起始冻胀含水率13.8%左右。 　　王正中等指出了太阳辐射是地表热量的主要来源，是影响渠道温度场的重要因素；因渠道走向、结构形式、所处位置等原因，渠道阴阳坡受到的太阳辐射不同，引起了渠道横向温度场的非对称分布，产生了不稳定的冻融状态。江浩源等建立了考虑太阳辐射及阴影遮蔽的渠道水-热-力耦合方程，以新疆阜康某灌区大型输水渠道为例，利用COMSOL软件进行仿真发现：太阳辐射和阴坡遮蔽导致阴阳坡热边界差异显著，其日均温差*大为3.5°C，阴坡早于阳坡15天冻结，晚于阳坡1天融化，冻深*大差值为31cm;输水渠道坡板和底板*大冻胀变形分别发生在1/4～1/3坡长处和偏阳坡处，阴阳坡冻胀变形差值*大为4.0cm。 　　王正中等以理论分析阐明了弧底梯形混凝土衬砌结构因法向冻胀力数值小、分布均匀、恢复力大，整体适应变形及抗冻胀能力强，从而更优于梯形断面。唐少容等开展了考虑冻融循环作用的U形混凝土衬砌渠道边坡冻胀特性离心模型试验，认为渠道在持续的低温环境中未发生明显的破坏，渠底和渠坡位置产生了显著的冻胀变形。 　　1.1.2渠道渗透破坏 　　渗流导致的渗透破坏有两种类型：一是由于渗流力的作用，局部渠道土体产生移动或者土体颗粒流失，从而使土体变形失稳，主要表现为流砂和管涌；二是由于渗流作用，水压力或浮力发生变化，从而使土体或结构失稳，主要表现为岸坡滑动或挡土墙等构筑物失稳。这些都严重危害着供水渠道工程的安全稳定性。 　　影响渗透变形发生的因素主要包括土体内部几何条件（主要包括颗粒细观组成与土体级配情况等）和外部水力条件（主要包括水力比降和渗透速率等），另外还与土体所受应力状态有关。 　　Skempton等认为，覆盖层的上部荷载主要是由粗颗粒构成的土骨架来承载的，因此，细颗粒承受了相对较小的有效压力，所以在初始孔隙率较大的土体中，只需要较小的水力比降就会发生渗透破坏。陈建生等认为管涌的发生具有一定的随机性，受到覆盖层厚度、颗粒不均匀系数等因素的影响，往往发生在*薄弱或经过冲刷的部分土层。Kenney等认为材料内部稳定性可定义为“在渗流作用下，颗粒材料阻止自身内部细颗粒流失的能力”，从而进一步将土体分为两部分:一部分是可支撑荷载并传递应力的粗颗粒骨架，另一部分是存在于粗颗粒骨架孔隙中的可动细颗粒，它的位置受到渗流力作用随时可能发生变化且不承担力的作用，细颗粒可以在由粗颗粒形成的孔隙之间自由移动。 　　毛昶熙等讨论了渗透力的本质，认为渗透力并非只是作用土骨架颗粒上的切向力，应当考虑到渗流过程中作用在土颗粒上的浮力，目前渗流力学并不完全类同于土力学的观点；其根据太沙基提出的向上渗流破坏的公式结合单个土颗粒上自重与渗流力平衡的原则，提出了管涌临界比降计算公式。 　　周晓杰等认为集中渗漏通道的形成和发展是一个渐进过程，在未达到临界水力比降时，细颗粒迁移形成通道的尖端处流速不断降低，且流速如果降低到细颗粒启动流速以下，渗透破坏将暂时趋于缓和稳定阶段，渗漏通道不再继续发展；而细颗粒的起动流速主要受通道截面、颗粒形状和通道倾角的影响。 　　利用数码可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术，周健等研究发现细颗粒运移的启动与渗漏通道的形成均具有很大的随机性，很大程度上与土骨架的结构有关，渗漏通道往往是从土体*薄弱的地方开始形成；还发现形成与砂土的级配曲线有关，不均匀系数越大，其渗透稳定性就越差。 　　刘昌军等利用显微摄像可视化跟踪技术、数字图形的计算机实时处理技术，开展室内小尺寸堤基管涌物理模型的细观试验研究，从细观角度研究堤基管涌发展过程中的渗流过程、水头、管涌通道前端的颗粒运动、颗粒含量和水力梯度等参数的动态变化过程，发现堤基的渗透破坏在宏观上可分为三个阶段：无明显渗透破坏阶段，堤基局部发生管涌破坏阶段和堤基整体破坏阶段；管涌前端破坏从细观上也分为三个阶段：细颗粒流失或局部调整阶段，可动颗粒与骨架颗粒互相转化阶段和骨架颗粒整体流失阶段。 　　1.1.3渠道滑坡 　　渠道滑坡的产生是由多种因素共同导致的，可分为内部因素和外部因素。岸坡结构是滑坡形成的内部因素。结构松散有软弱夹层，或者松散堆积斜坡的土石界面在饱水时出现泥化等情况均会导致岸坡滑动。持续强降水、地震作用、岸坡地下水位过高、冻融循环及干湿交替作用是导致渠道滑坡的外部因素。 　　高寒地区输水渠道滑坡的外部触发因素主要为冻融循环及干湿交替作用。其中，冻融作用之所以能诱发滑坡有两点原因：一是反复冻融会改变地下水的流场使得边坡土体软化，二是冻融循环会弱化土体的抗剪强度，从而降低边坡的稳定性。 　　叶万军等对洛川Q2黄土进行冻融循环和快剪试验后，指出反复冻融会使黄土强度弱化，冻融10次左右后其物理力学状态开始趋于稳定。张泽等采用压汞法获取黄土孔隙特征，定量研究了冻融循环作用对黄土孔隙结构的影响，结果表明冻融作用后小孔隙减少、大孔隙增多，孔隙结构均匀化、简单化。 　　邓铭江等以北疆高寒区供水工程为例，研究发现渠道膨胀土边坡在干湿交替、冻融循环作用下破坏明显，主要表现为浅层膨胀土开裂造成坡面完整性降低及其内部基土力学特性劣化，严重影响渠道膨胀土边坡的整体稳定性。蔡正银等以北疆膨胀土渠道边坡为研究对象，开展了湿干循环及湿干冻融耦合循环作用下膨胀土渠道边坡劣化过程离心模型试验，研究发现湿干循环作用下膨胀土渠道边坡的劣化模式主要为浅层土体强度衰减和表面裂隙发育，同时伴随着显著的土体崩解剥落特征；湿干冻融耦合循环作用下膨胀土渠道边坡劣化过程中则未出现明显的土体崩解剥落现象，主要劣化模式为渠顶区域土体裂隙拓展、连通[33]。陈生水等通过离心模型试验对干湿循环作用下的膨胀土边坡变形发展过程进行了探索，认为