南水北调中线膨胀土工程问题研究与进展

龚壁卫，程展林，，郭熙灵，李青云

(长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室;b.院长办公室;c.流域水环境研究所，武汉 430010)

1 概述

南水北调中线工程总干渠全长约1 432 km，干渠沿线经过膨胀土(岩)、黄土、易振动液化砂土等特殊土(岩)地区，渠道沿线工程地质条件复杂。其中，总干渠明渠段涉及到膨胀土(岩)累计长度约386.8 km。膨胀土(岩)因其具有特殊的工程特性，易造成渠坡失稳，对工程的安全运行影响很大，而且其处理难度、处理的工程量和投资也较大，因此，膨胀土(岩)的处理是南水北调中线工程的主要技术问题之一。

上世纪60－70年代，长江流域规划办公室(下简称长办)下属的勘察、科研等单位对中线工程的膨胀土进行了早期研究工作，对膨胀土的工程特性、试验技术以及处理措施等取得了初步的认识。至上世纪80－90年代，为配合南水北调中线工程的可行性研究和初步设计，长江水利委员会(下简称长江委)组织设计、勘察和科研单位对南水北调中线工程膨胀土的基本特性等进行了广泛的调查和试验研究。长江科学院(下简称长科院)等单位还相继在现场开展了“膨胀土渠坡变形和稳定”、“降雨对膨胀土边坡稳定的影响”等现场观测和试验研究，进一步分析和认识了膨胀土渠坡稳定的影响因素。这些研究成果，对认识膨胀土(岩)问题和指导南水北调中线工程建设具有非常重要的意义。

2002年12月，国务院正式批复了南水北调中线工程总体规划，提出先期实施东线和中线一期工程。2005年1月，长江委长江勘测规划设计研究院完成了《南水北调中线一期工程可行性研究总报告》并提交水规总院评审，南水北调中线一期工程正式启动。鉴于前期有关膨胀土工作的研究深度不足，2005年5月，水利水电规划设计总院(下简称水规总院)在北京召开了“南水北调中线一期工程总干渠膨胀土处理方案技术讨论会”，会议讨论了膨胀土渠坡处理措施设计上存在的问题，专家认为:经过长期的论证、规划，南水北调中线工程膨胀土(岩)渠段的工程问题及处理措施已取得阶段性研究成果，基本思路是合适的，但在处理方案和措施的选择上应进一步优化。专家建议在诸如膨胀土渠坡破坏模式、膨胀土改性及其它处理措施的可能性、如何减少工程占地和环境影响等方面，尽快开展深入研究。此后，结合国家“十一五”科技支撑计划的开展，南水北调中线工程膨胀土的研究进入了一个新的发展时期。

2 研究历程

南水北调中线工程膨胀土问题研究曾经历过3个重要的时期。

2.1 1972－1985 年时期

上世纪70年代，长办在兴建引汉工程中，开始遇到膨胀土的工程问题。在陶岔引渠边坡的开挖以及后续的施工过程中，相继发生了13处不同规模的滑坡，膨胀土的渠坡稳定问题开始受到各方的重视。当时，长办的工程技术人员通过现场地质勘探和少量的试验，对膨胀土对水利工程的危害有了初步的认识，并初步分析了滑坡的原因，提出了以放缓渠坡、浆砌块石拱压脚、混凝土抗滑桩支撑、排水盲沟等措施配合使用的综合处理方案，通过对13个滑坡采取不同工程处理措施，积累了膨胀土边坡处理的经验。

1977年，长江水利水电科学研究院(长江科学院前身、下简称长科院)开始参与水利工程膨胀土试验操作规程的修订工作，通过在我国南方省市开展膨胀土调查，借鉴前苏联的试验规程，初步制订了水利系统膨胀土的试验方法。在此后的一段时间，长科院对试验规程中有关试样尺寸、试验仪器、试验操作方法等多方面开展了系统的研究，为《土工试验规范》的多次修订工作提供了重要的研究成果。

1981年，长科院开始对膨胀土的膨胀压力、自由膨胀率、膨胀变形、收缩试验等试验方法进行系统的研究。

在膨胀压力的测试方法上，通过比较加荷平衡法、膨胀加压法和加压膨胀法等3种不同试验的成果，认为加荷平衡法试验操作更为可行，成果更为准确，因此，在规范的编制中建议了此种方法。同时，还分析了仪器本身变形对测定成果的影响，提出了仪器变形修正问题。在自由膨胀率试验中，选用几种类型土(蒙脱土、伊利土、高岭土)进行比较试验，得出自由膨胀率指标与黏土矿物成分的相互关系，并用纯蒙脱土与高岭土掺合进行试验，测得蒙脱土含量与自由膨胀率的相互关系，为制定自由膨胀率试验操作规程提供了较为可靠的资料。在膨胀变形试验方法研究中，进行了试样尺寸和不同接触压力的比较试验，证明土的膨胀量与仪器设备条件及试验操作方法有密切关系。这些研究成果，均反映到《土工试验规程》的修订工作中。

在这一时期，长科院还开始探索膨胀土的矿物成分、微观结构等土质学理论与胀缩机理。在膨胀土的黏土矿物成分及含量对抗剪强度影响方面，开展了较为系统的试验研究工作。通过在室内配制蒙脱土、伊利土和高岭土等3种典型黏土的试样，分别测定其抗剪强度，得出蒙脱土的强度最低，高岭土强度最高的结论。在研究蒙脱土与其它黏土矿物的混合料试验中，测得混合土的抗剪强度随蒙脱土含量增加而降低，当蒙脱土含量超过20% ～30%以后，土样的抗剪强度主要取决于蒙脱土。这些成果揭示了膨胀土强度偏低的本质，为研究膨胀土的强度特性提供了基本资料，同时，对研究葛洲坝等工程泥化夹层(含蒙脱石黏土矿物)的工程性质发挥了一定的作用。

2.2 1993－1995 年时期

南水北调中线工程膨胀土的研究工作始终是与中线工程的设计紧密联系的。1985年以前，中线工程的工作重点是宏观规划，设计单位主要是针对各种调水规模进行规划、设计，对调水渠道的线路进行方案比较论证，相关的科研工作也大多是围绕线路的比选开展，主要任务是对膨胀土进行判别和基本特性测试，为地质勘察提供试验指标。1987年，长江委完成了《南水北调中线工程规划报告》，并最终在1997年完成了《南水北调中线工程总干渠总体布置》，明确了调水规模145亿m3的方案和有关输水总干渠的分段初步设计。在这一阶段，配合设计工作，长科院在膨胀土的研究方面主要开展了渠道边坡稳定离心模型试验和数值分析等。

膨胀土渠道边坡稳定离心模型试验，主要研究坡高为35 m的开挖边坡，在坡比分别为1∶3.0和1∶2.4情况下的稳定状态。试样取自河南南阳，为天然原状无裂隙的弱膨胀土。试样尺寸1 100 mm×300 mm×500 mm(长×宽×高)。试验成果认为:在不经历干湿循环、无降雨影响的条件下，此类膨胀土渠坡是稳定的。

膨胀土渠坡稳定数值分析主要采用极限平衡法，分析程序采用REAME，分析方法为简化Bishop法。根据总干渠工程地质报告，将渠线工程地质进行分类，对9至27段共19种类型土质条件的渠坡进行边坡稳定复核。其中，涉及强膨胀土渠段约14 km。分析认为，对于强膨胀土渠坡，即使将边坡放缓到1∶4.0，其安全系数仍不能满足规范要求，因此，必须采取支挡或抗滑桩等必要的处理措施。

这一时期，主要是配合设计单位，完成总干渠膨胀土渠段设计中所遇到的边坡坡比选定、处理措施比选等问题。

2.3 1997－2002 年时期

进入20世纪90年代以后，非饱和土理论研究得到了世界很多国家的重视。1987年在都柏林举行的第9届欧洲土力学及基础工程会议上，Alonso以“土的特殊问题——非饱和土与很软的土”为题在会上作了精采的发言，并引起与会者的广泛关注。1992年，第7届国际膨胀土会议在美国召开，会上，非饱和土力学成为会议的主题。此次会议以后，国际膨胀土会议由国际非饱和土会议所取代。具有里程碑意义的是，1993年由加拿大Saskatchewan大学D.G.Fredlund教授和Rahardjo博士合著的《非饱和土力学》一书的出版。1994年，由时任国际非饱和土学会主席D.G.Fredlund教授建议，在武汉召开了“中加非饱和土学术研讨会”，会上发表了多篇应用非饱和土理论开展膨胀土、黄土的研究成果。其中，也包括鄂北岗地、刁南灌区膨胀土渠道的观测以及处理措施等方面的研究成果。

1998年，第2届国际非饱和土会议在北京召开，在这次会上，包承纲全面阐述了非饱和土的特性和膨胀土边坡的稳定问题，提出膨胀土作为非饱和土的典型代表，应采用有关非饱和土理论和研究方法进行研究。为此，文献［1］以南水北调中线工程的膨胀土为研究对象，以现场观测、室内非饱和土试验、数值分析等成果，从膨胀土非饱和渗透特性、非饱和强度特性以及降雨对渠坡稳定的影响等方面，阐述了膨胀土边坡破坏机理、渠坡稳定分析方法和滑坡早期预报等问题。

在有关膨胀土边坡的破坏机理方面，文献［1］认为:膨胀土的裂隙性是导致边坡滑动的关键因素，胀缩性和超固结性对稳定的影响都是通过裂隙性来表现的。胀缩性是造成裂隙的内在因素，而超固结性促进了裂隙的开展。因此，研究膨胀土的滑坡必然离不开对裂隙的调查研究及其发展预测。遗憾的是，当时所关注的裂隙，主要是大气影响深度范围以内的、由干湿循环产生的“次生裂隙”。因此，文献［1］特别强调了降雨沿“次生裂隙”入渗对膨胀土边坡稳定的影响，认为:降雨入渗导致土体内部吸力的降低、土体强度软化，开挖卸荷导致边坡内应力场重分布及边坡底部剪应力集中区的形成，并继而导致渠坡的失稳。在膨胀土边坡滑坡早期预报方面，应及时监测与分析降雨入渗引起的含水量场及吸力场变化和边坡开挖卸荷引起的应力、位移场变化，通过监测数据的变化预测边坡稳定。

在有关膨胀土的非饱和强度理论方面，文献［1］提出采用土水特征曲线上相关的特征点，对Fredlund提出的抗剪强度的表达式进行简化，从而将有关非饱和土强度理论在实际工程中进行运用。

2000年，长科院和香港科技大学联合申请了香港基金局基金研究课题“非饱和膨胀土边坡稳定研究”。为此，2001年7月至2002年8月，长科院在湖北枣阳市大岗坡二级泵站，选取了一个高11 m的中膨胀土挖方边坡，进行现场人工降雨模拟试验和原位综合监测，同时，在室内开展了膨胀土原状样的非饱和土强度、非饱和渗透特性等方面的试验研究工作［2、3］。通过现场试验和室内研究，认为降雨入渗造成渠坡2 m深度以内土层中孔隙水压力和含水量大幅度增加，致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水膨胀软化而降低;同时，降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加，并接近理论的极限状态应力比，以致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏，此破裂面在一定条件下(如持续降雨条件下)可能会逐渐扩展，最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。此观点延续了有关降雨引起膨胀土渠坡破坏机理的认识。

在这一时期，有关膨胀土的研究工作，主要强调了膨胀土的非饱和特性对边坡稳定的影响，在膨胀土的非饱和强度、非饱和渗透特性等方面进行了较为深入的研究。也正因为如此，在分析膨胀土边坡破坏机理时，仅关注到降雨对大气影响深度范围以内膨胀土土体强度的影响，而对于膨胀土膨胀性、膨胀土“原生”裂隙面的强度特性以及对边坡稳定的作用等尚未开展系统、深入的研究。

3 “十一五”期间膨胀土研究工作

3.1 项目申报阶段

2005年5月，水规总院在北京召开了“南水北调中线一期工程总干渠膨胀土处理方案技术讨论会”，会议讨论了膨胀土渠坡处理措施设计上存在的问题，明确了开展有关室内和现场试验的必要性。与会专家认为:经过长期的论证、规划，南水北调中线工程膨胀土(岩)渠段的工程问题及处理措施已取得阶段性研究成果，基本思路是合适的，但在初步设计阶段，这些处理措施仍有优化和细化的必要。与会专家建议对膨胀土(岩)的改性及其它处理措施的可行性、经济性及施工可操作性作进一步研究，同时认为，对渠水位以上的边坡和渠水位以下边坡的处理要有针对性，必要时可采取支挡、柔性结构、加筋和植被保护等措施。会议建议应尽快开展有关室内和现场的专项试验研究。为此，长科院于2005年8月，向南水北调中线干线工程建设管理局(下简称中线局)提交了《南水北调中线工程总干渠膨胀土渠段现场试验项目建议书》和《南水北调中线工程总干渠膨胀土渠坡处理现场试验大纲》。2005年9月，中线局组织相关单位在郑州召开了“南水北调中线工程总干渠膨胀土(岩)渠坡处理专家咨询会”，会上分别由长江设计院和河南省设计院汇报了膨胀土(岩)试验段的选址原则、典型渠段的地质条件和具体试验段选址建议，由长科院等4家单位汇报了现场试验工作大纲。与会专家代表经过2天的讨论和交流，在现场试验的整体思路、试验目的、试验段的选取及其代表性等方面取得了共识。与会专家和代表一致认为，膨胀土(岩)的处理是南水北调中线工程的主要技术难题之一，进行现场试验研究是十分必要的，研究成果可为南水北调中线工程总干渠膨胀土(岩)渠坡处理找到安全可靠、经济合理的措施，也为工程设计的优化提供依据，并建议现场试验应按膨胀土段、膨胀岩段分别进行。

2005年10月，受中线局委托，长科院根据专家咨询意见编制完善了《南水北调中线总干渠膨胀土(岩)渠坡处理现场试验工作大纲》，并于12月在河南郑州通过专家听证会的形式征求了各方专家的意见，该工作大纲得到了与会专家的肯定，并认为选择河南南阳作为膨胀土试验段，河南新乡作为中、弱膨胀岩试验段，河北邯郸渠段作为强膨胀岩试验段是合适的，同时建议根据南水北调中线总干渠工程总体设计审批进展情况，分期开展膨胀土、岩渠坡处理试验研究。

2006年11月，根据国务院南水北调建设委员会办公室(下简称国调办)发布的“十一五”国家科技支撑计划重大项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”需求，长科院联合南水北调中线有关设计、科研、管理单位以及高等院校组成课题组，在前期开展的有关膨胀土(岩)试验研究计划基础上，开始编制“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”课题申请，并于11月17日通过了国调办组织的专家评审。长科院作为课题的承担单位，牵头负责该课题的实施工作。至此，南水北调中线工程膨胀土问题研究成为国家“十一五”科技攻关的重要课题之一，被科技部正式立项。

自2005年下半年开始至2007年8月，长科院按照中线局、国调办的要求，编制南水北调中线工程有关膨胀土(岩)试验大纲、实施方案、实施细则、“十一五”科技支撑课题申报书、可行性研究报告等近20余份，参加了国调办、中线局等上级单位组织的多次技术讨论、试验方案咨询和评审、试验段选址、试验段设计和审查等工作，同时，在室内先期开展了部分试验工作，为尽快开展膨胀土(岩)的课题研究打下了一定的基础。

3.2 课题研究过程

国家“十一五”科技支撑计划课题“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”于2006年12月正式立项。该课题由2个现场试验段和部分室内试验研究构成。根据任务分工，新乡膨胀岩现场试验段试验研究工作由长科院、河南省水利勘测设计院(下简称河南院)和河海大学共同承担，长科院全面负责新乡膨胀岩试验段的现场试验和室内研究工作;南阳膨胀土现场试验段由长江设计院、长科院共同承担，长科院负责膨胀土的基本特性和水泥改性土的室内试验研究，同时，还参与了南阳膨胀土试验段的现场试验、观测等工作。

自2006年起，长科院开始在河南新乡、南阳、河北邯郸等地，对代表性的膨胀岩及膨胀土进行了大规模取样，并开展了大规模室内物理力学特性的研究工作;2006年至2007年，与河南院共同完成了膨胀岩试验段的选址、膨胀岩渠坡处理措施的比选和分析，以及试验段研究方案编制和审批工作。2007年9月，新乡膨胀岩试验段现场试验工作正式开始。同年，长科院还配合长江设计院完成了河南南阳膨胀土试验段选址，并完成了现场试验方案、观测仪器布置等现场试验研究工作。

2008年，新乡膨胀岩试验段完成了全部试验断面的现场测试、仪器埋设、碾压试验、定期观测等试验观测工作;完成了试验 1 区 1 ∶1.5，1 ∶2.0，1 ∶2.5，1∶3.0四种坡度的人工降雨试验;开展了土工袋、土工格栅处理方案的人工降雨试验和观测、测试;开展了不同岩性地层的现场渗透试验和土工袋、土工格栅处理方案的现场渗透试验;完成了试验2区、3区、5区和8区一级马道以下局部渗漏(注水)试验。

2008年9月，南阳试验段现场试验工作正式启动。课题组完成了处理措施的比选、试验段研究方案编制和审批等工作。开始进行仪器设备埋设和现场观测。开展了膨胀土地质结构分带特征、裂隙分布、地下水分布及影响研究;完成了换填黏性土、水泥改性土、土工格栅等处理方案的碾压试验研究工作。同时，围绕膨胀土、膨胀岩的特性，开展了大量的胀缩性、力学性质、渗透性室内试验工作;通过大型静力模型试验、离心模型试验研究了膨胀土渠坡的破坏机理;研究了膨胀岩土边坡数值分析方法;并进行了膨胀土物理改性及化学改性的相关试验研究。

2009年，长科院在室内开展了大型静力模型试验和离心模型试验研究，对膨胀土和膨胀岩的非饱和特性、干湿循环对强度的影响，创新性地开展了低应力下的力学强度参数试验，利用CT三轴仪研究了面裂隙率与强度的关系，研发了考虑膨胀变形的非线性有限元计算方法及软件，研发了非连续变形分析的膨胀土渠坡稳定分析软件，且对各类试验成果进行了汇总分析。在新乡膨胀岩试验段进行了蓄水疏干工况模拟试验研究，完成了观测和资料分析工作，并对各种处理措施的效果进行了初步评价;南阳试验段进行了大型人工降雨试验，完成了大部分的观测和资料分析工作，并对各种处理措施的效果进行了初步评价。

按原定计划，2009年进行课题验收。为了验证本课题研究成果的长期可靠性，2个试验段的观测和研究工作均延长至2010年底，通过延长现场试验的观测周期，并辅以破坏性试验，希望彻底查明不同处理措施的效果和长期性能。

2010年，新乡膨胀岩试验段各试验区进行了开槽浸水强化破坏试验工作，南阳试验段进行了蓄水疏干工况模拟试验研究。

对于钢筋混凝土板，认为钢筋与混凝土之间无相对滑移，视钢筋混凝土板为宏观均匀的正交各向异性材料，用X，Y，Z表示正交各向异性板的3个弹性主轴方向，则式(2)系数矩阵[C]可用X，Y，Z方向的工程弹性常数表示。E，G，μ分别为正交各向异性材料的3个弹性主轴方向的拉压弹性模量，切变模量和泊松比。由正交各向异性材料分别在3个单向拉伸和3个纯剪切应力状态下的应力应变关系可推导出材料的柔度矩阵为：

同年，长科院开始全面总结室内试验以及2个现场试验段的试验研究工作，系统提出了膨胀土渠坡的2种破坏模式以及相应的稳定分析方法;提出了膨胀土(岩)非线性强度及试验方法;提出了裂隙面强度试验和参数确定方法;提出了采用电导率进行膨胀土现场快速判别的方法。同时，还根据中线局要求，编写了膨胀岩及膨胀土渠道施工技术规定。

经过5年攻关，课题研究取得了丰富的研究成果:除编写完成课题总报告1份，专题报告4份，子题报告31份外，还在国内外期刊上发表论文99篇，编写专著3部，申请并获批实用新型专利7项;申请发明专利7项。

4 膨胀土问题研究的最新进展

“十一五”科技支撑计划课题“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”以南水北调中线工程的膨胀土问题为工程背景，针对膨胀土(岩)边坡稳定的世界级难题，以国内外最大规模的膨胀土(岩)渠道原型试验为依托，运用地质勘察、现场试验、室内试验、大型静力模型、离心模型试验、数值分析等多种研究手段，有效地解决了膨胀土渠道边坡稳定关键问题，在膨胀土的破坏机理、膨胀土的现场快速判别、膨胀土的强度指标及其试验方法、稳定分析方法以及处理措施等方面均取得了突破性的进展。

4.1 有关膨胀土边坡的破坏机理

在“十一五”攻关以前，岩土工程界从膨胀土边坡的破坏现象出发分析了边坡的破坏机理，认为膨胀土滑坡具有浅层性、多发性和重复性，膨胀土边坡破坏多由于干湿循环导致的土体强度衰减引起的。因此，对膨胀土边坡的处理，以往的研究多关注如何防止膨胀土的强度衰减问题上。“十一五”课题研究期间，研究人员从现场试验段的观测资料中发现，有些膨胀土边坡在开挖之后尚未经历干湿循环即开始发生变形或滑坡;有些膨胀土边坡即使采取了一定厚度的保护层保护，仍然发生了滑坡;还有一些边坡也确实在干湿循环以后发生了滑坡，但是，这些滑坡按照以往的计算理论和计算程序去分析很难与实际现象相符，说明对于膨胀土边坡的失稳机理在理论上尚有不清晰之处。为此，长科院首先针对膨胀土的破坏机理问题展开了攻关［4、5］。

针对膨胀土边坡反复失稳的问题，长科院在室内建造了600 cm×280 cm×300 cm(长×宽×高)大型膨胀土渠坡模型，采用人工降雨和蒸发等试验手段，模拟大气环境变化。通过反复的试验研究，终于在室内再现了膨胀土边坡破坏的过程，揭示了膨胀土边坡失稳的重要机理之一:膨胀变形作用下的边坡破坏，同时，结合数值模拟分析，进一步论证了膨胀变形导致边坡失稳的过程。

在对地质资料和现场变形观测资料的研判中，研究人员发现，在一定深度范围内的土层裂隙呈现有一定规律性的倾向，当渠道的边坡与地层中的裂隙倾向一致时，往往会发生顺地层裂隙层面方向的滑坡。对比分析观测资料，发现所有的滑坡均发生在裂隙密集的条带内，说明膨胀土层中裂隙的存在是滑坡的控制因素之一。为进一步验证这一设想，长科院的研究人员在试验段拆除过程中进行了现场开挖，结果证实了观测资料和分析成果的可靠性。同时，通过开展原状样裂隙面的强度试验，发现裂隙面的强度指标明显低于裂隙两侧土体的强度，证明滑坡破坏的直接原因就是裂隙面强度偏低所致。至此，课题的攻关取得了关键性的研究成果:根据现场观测和试验研究、结合数值模拟等多种手段，首次明确提出了膨胀土边坡的2种破坏机理［7］，即:裂隙强度控制下的边坡滑动和膨胀作用下的边坡滑动，并从力学机理上分别对这2种模式的破坏过程进行了系统的分析。该破坏模式的提出，重视了渠坡滑动时第一推动力的作用，强调了土体“首次滑动”的原因。该成果为膨胀土边坡处理措施的设计奠定了基础。

4.2 膨胀土的现场快速判别

南水北调中线工程初步设计阶段有关膨胀土的膨胀等级，主要是依据自由膨胀率进行划分。受规定的工作深度影响，初步设计阶段的地质勘查只能大致给出不同渠段的强、中、弱膨胀性分类，实际施工开挖后，需要在现场及时地对开挖渠段岩土膨胀性进行快速判别，并通过实际判别结果调整设计处理方案。由于自由膨胀率试验存在试验时间较长、仪器操作不易、人为误差较大等不足，因此，迫切需要研究适用于现场的快速测试和判别方法。

“十一五”期间，长科院的研究人员从膨胀土的微观结构以及膨胀机理出发，分析了膨胀性与黏土矿物成分、阳离子含量以及导电性能的关系，提出在膨胀土的黏土矿物成分－阳离子交换量－自由膨胀率－导电率之间具有某种关联的可能性。为验证这一观点，研究人员在室内开展了大量的试验研究工作。通过从野外不同地点取回各种膨胀土样，在室内进行土样的界限含水率、黏土矿物成分、自由膨胀率以及电导率试验，用试验数据证实了土壤导电性与界限含水率、黏土矿物成分、自由膨胀率等均有良好的相关性，从而也证实了电导率与膨胀性的关系。由于电导率测试具有试验仪器简单、易于现场操作等特点，对于影响电导率测试结果的各种因素，也采用了规范试验方法的方式给予解决，最终，提出了通过测定土壤的电导率来进行膨胀性快速判别的方法［6］。

4.3 膨胀土的强度及其试验方法

“十一五”课题研究期间，长科院提出裂隙强度控制下的边坡滑动破坏机理，为此，需要精确地测量膨胀土裂隙面上的强度指标。研究人员想尽一切方法，在现场和室内进行试验，最终，研究人员将仪器设备进行了改造，将CT扫描技术引进到膨胀土裂隙面的强度试验中，成功地测量到裂隙面上的真实强度，解决了长期困惑设计人员的参数测试问题。

4.4 膨胀土的边坡稳定分析

膨胀土的边坡稳定分析，是膨胀土边坡设计的基础［7］。课题研究以前，膨胀土边坡的稳定分析方法和一般黏性土边坡没有区别，造成计算成果难以反映工程实际，也使得稳定分析失去了对设计的指导意义。课题研究过程中，研究人员在认真分析了膨胀土的破坏机理以后，提出对于不同的破坏机理应采用不同的分析理论和分析方法，为此，长科院研究人员精心设计了一系列的室内试验方案，系统研究了膨胀土在吸湿膨胀过程的变形和力学响应，在大量试验数据的基础上，运用力学和数学方法，分析归纳出反映膨胀土力学特性的数学模型，并将该数学模型引入有关分析程序，建立了考虑膨胀变形的边坡稳定的有限元分析方法。同时，基于裂隙强度指标和地质勘察所获取的裂隙空间分布特征，创新性地提出了反映裂隙空间分布的稳定分析方法，提出了膨胀土渠道边坡的处理原则和思路，从而从理论和实践上系统、完整地解决了膨胀土边坡的稳定分析理论和方法，为有效解决南水北调中线工程膨胀边坡稳定问题奠定了基础。

4.5 膨胀土的处理措施

通过在中线工程渠线上开展实体工程大规模的处理措施施工和效果验证试验。为强化环境因素对边坡稳定的影响，研究人员采用大型喷洒设施模拟大范围的大气降雨，并根据当地的雨量、雨型特征，进行人工降雨试验，通过预先埋设在边坡土层中的各种仪器设备，观测降雨期间土坡内部的变形、含水量等观测数据的变化规律，取得了大量宝贵的第一手观测试验资料，为边坡破坏机理和处理效果分析奠定了基础。此外，为研究不同处理措施的施工工艺和施工质量控制方法，在现场进行了大型碾压试验，对设计拟采用的处理方案进行了施工技术研究，攻克了诸如土工格栅、土工袋等施工技术难关。

5 结语与展望

南水北调中线工程中的膨胀土问题，历经近50年的研究，从早期对膨胀土试验方法的探索，到20世纪80－90年代对膨胀土问题全面基础性的研究，再到“十一五”期间，以2个大型现场试验段为工程背景的攻关课题，长科院为南水北调中线工程膨胀土问题的解决作出了巨大的贡献，在有关膨胀土渠坡破坏机理、膨胀土的强度理论及试验方法、渠坡稳定分析理论及分析方法、膨胀土的判别等方面取得了重大突破，同时，还应该清醒地认识到，有关膨胀土的理论和工程实践还有进一步深入研究的必要。

以往的工程经验显示，膨胀土渠坡稳定具明显的时间效应，很多渠道在稳定运行一定年限后，仍会发生渠坡失稳，这可能与膨胀岩土体内的裂隙发展和大气降雨的长期作用有关。因此，有关膨胀土裂隙的成因，以及裂隙强度控制下膨胀性岩土体的强度演变规律、渠坡的长期稳定性等问题尚有待进一步的研究。

此外，在有关膨胀土渠坡稳定的处理措施方面，“十一五”课题立项时，人们普遍认为，膨胀土的边坡失稳主要为浅层的牵引式破坏，因此，在该课题的研究内容中，处理措施主要是针对膨胀土的“浅层”破坏问题。“十一五”课题研究发现:膨胀土边坡不仅在受水增湿条件下会产生浅层失稳，浅层失稳的主要机理为土的膨胀变形;而且存在重力作用下的整体稳定问题，整体稳定受裂隙面强度控制。对于膨胀变形引起的渠坡破坏，采用换填土(包括换填非膨胀土、水泥改性土、土工格栅加筋、土工袋等)的处理措施可以有效地解决膨胀变形作用下的渠坡稳定问题;而对于裂隙强度控制下的渠坡稳定问题则需要采取抗滑桩、锚杆、混凝土框架梁等支挡加固措施，对支挡措施的稳定分析方法以及加固效果等也是今后值得深入研究的课题。

［1］BAO Cheng-gang，GONG Bi-wei，ZHAN Liang-tong.Properties of Unsaturated Soils and Slope Stability for Expansive Soils［C］∥Proceedings of the 2nd International Conference on Unsaturated Soils ICI.Beijing:International Academic Publishers，1998.

［2］龚壁卫，CHARLES W W N G，包承纲，等.膨胀土渠坡降雨入渗现场试验研究［J］.长江科学院院报，2002，(增刊 1):94－97.(GONG Bi-wei，CHARLES W W N G，BAO Cheng-gang，et al.Field Study of the Effects of Rainfall Infiltration on Channel Slope of Expansive Soils［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2002，(Sup.1):94－97.(in Chinese))

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［5］李青云，程展林，龚壁卫，等.南水北调中线工程膨胀土(岩)渠坡破坏机理及处理技术研究［J］.长江科学院院报，2009，26(11):1－10.(LI Qing-yun，CHENG Zhan-lin，GONG Bi-wei，et al.Failure Mechanism and Treatment Technology of Expansive Soil Slope of Middle Route Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(11):1－10.(in Chinese))

［6］龚壁卫，鞠佳伟，叶艳雀.用电导率测定自由膨胀率的方法研究［J］.岩土工程学报，2011，33(8):1280－1284.(GONG Bi-wei，JU Jia-wei，YE Yan-que.Correlative Researches on Free Swelling Ratio and Electrical Conductivity of Expansive Soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(8):1280－1284.(in Chinese))

［7］程展林，李青云，郭熙灵，等.膨胀土边坡稳定性研究［J］.长江科学院院报，2011，28(10):102－111.(CHENG Zhan-lin，LI Qing-yun，GUO Xi-ling，et al.Study on the Stability of Expansive Soil Slope［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(10):102－111.(in Chinese))