安 鵬,邢義川,王松鶴,程大偉
(1. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安 710054;2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100048;3. 西安理工大學(xué)巖土工程研究所,西安 710048;4. 長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710054)
坎兒井是適應(yīng)干旱氣候區(qū)山前盆地獨(dú)特氣候、地形、地質(zhì)條件的一種古老而先進(jìn)的水利工程[1],主要分布于中國(guó)、巴基斯坦、阿富汗、伊朗等國(guó)家[2]??矁壕环Q為中國(guó)古代三大工程之一[3-4],是“一帶一路”沿線重要的歷史文物遺產(chǎn)。其由豎井、暗渠、明渠和澇壩組成,明渠與暗渠分界稱為龍口。坎兒井通過(guò)截留山前沖積扇地下潛水,采用暗渠將地下水引至盆地,具有蒸發(fā)損失小、自流、四季水量和水溫穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),至今仍在人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)保護(hù)、綠洲文化等方面發(fā)揮著不可替代的作用[5-6]。然而,由于地下水資源不合理開發(fā)[7]、自身結(jié)構(gòu)缺陷等問(wèn)題導(dǎo)致其數(shù)量每年以20余條的速度急劇衰減[8]。
目前約 20%的坎兒井暗渠、豎井出現(xiàn)坍塌破損,不僅破壞了其穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而且造成淤堵,影響正常出水,增加掏淤工作量[9]??矁壕鶕?jù)下游段地層土質(zhì),分為“沙坎”和“土坎”[9]。暗渠與豎井的剝落坍塌是其破壞的主要原因之一[10],在其破壞機(jī)理方面,文獻(xiàn)[11]通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)沙坎豎井井口和井壁受水汽和溫度影響較大,而暗渠出口受水汽溫度影響不大。文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)與干濕交替會(huì)引起土坎土體結(jié)構(gòu)破壞、黏聚力與彈性模量顯著降低,但對(duì)井壁土凍脹性、凍脹區(qū)域和凍脹所需水分來(lái)源需進(jìn)一步研究,才能明確凍融對(duì)井壁破壞的貢獻(xiàn)大小。
暗渠加固方面,當(dāng)前有卵形涵、城門形漿砌石拱、預(yù)制防護(hù)板以及錨桿掛土工格柵噴(抹)混凝土[13]等措施。文獻(xiàn)[14]對(duì)應(yīng)用較多的卵形涵進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)受力分析。文獻(xiàn)[15]對(duì)鋼筋混凝土卵形涵洞的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。因暗渠隧洞空間狹小、斷面不規(guī)則,前 3種形式存在材料運(yùn)輸難、施工難度大、結(jié)構(gòu)與斷面存在錯(cuò)位與回填等問(wèn)題。最后一種形式適應(yīng)斷面、美觀、材料易運(yùn)輸,但造價(jià)高、施工較難、需鑿除一定厚度的井壁。同時(shí),上述措施均未考慮坎兒井暗渠破壞機(jī)理,僅從剛性支護(hù)角度加固暗渠隧洞,均無(wú)法保留坎兒井這一文物的歷史原貌,同時(shí)加固縱深無(wú)合理依據(jù)。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文擬從坎兒井(本文均指土坎)暗渠隧洞破壞特征分析入手,選取典型坎兒井,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)含水率實(shí)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn),研究冬季井壁的主要水分來(lái)源與井壁凍脹性,探討隧洞剝落破壞的主要原因。建立有限元二維模型,進(jìn)行坎兒井非飽和穩(wěn)態(tài)滲流分析,研究地下水位對(duì)井壁水分分布影響,提出一種工程量小、施工方便、可保持坎兒井歷史原貌的局部防滲加固方法,最后通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行防滲止水抗凍脹效果驗(yàn)證,給出龍口內(nèi)外的防滲段尺寸。
選取吐魯番艾丁湖鄉(xiāng)阿洪坎兒井(42°49′N、89°07′E)為研究對(duì)象,在其井壁和內(nèi)部土層不同高度進(jìn)行取樣,進(jìn)行室內(nèi)基本物理試驗(yàn),采用TST-55滲透儀進(jìn)行了滲透試驗(yàn),見表1。
表1 坎兒井土性物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of Karez’ soil
現(xiàn)存坎兒井基本上距今有60至上千年的歷史,而凍融試驗(yàn)表明 3~10次循環(huán)后土體結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)參數(shù)趨穩(wěn)[16-17],逐次進(jìn)行凍融試驗(yàn)獲取參數(shù)劣化曲線對(duì)坎兒井來(lái)說(shuō)意義不大。因此,直接進(jìn)行了6組20次凍融后和非凍融三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)(CD)。圍壓σ3分級(jí)為20、50、70、100、200、300、400 kPa。對(duì)于坎兒井出口段而言圍壓較低,故分別進(jìn)行高、低圍壓分析,有效強(qiáng)度參數(shù)如表2。
表2 坎兒井土凍融前后強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of strength parameters before and after freeze thawing for Karez's soil
凍融循環(huán)后,有效內(nèi)摩擦角降低率Δφ′約為 5%,有效黏聚力降低率Δc′較大,其中低圍壓時(shí),凍融對(duì) c′影響較大,Δc′高達(dá)41.67%。分析表明,凍融通過(guò)破壞土體粒間黏聚力的方式降低土體強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致表面土體剝落破壞。
吐魯番年均降雨量為17.6~25.3 mm,而蒸發(fā)量高達(dá)2 751.0~3 216.2 mm以上[18],屬于典型暖溫帶荒漠氣候,常年氣候干燥。這決定了井壁水分來(lái)源主要是暗渠毛細(xì)水和水汽,且井壁含水率變化主要受控于氣溫。冬夏兩季井壁含水率如表3。
表3 冬夏兩季坎兒井井壁含水率對(duì)比Table 3 Comparison of water content between winter and summer of Karez’ wall
由表 3可知:冬季井壁含水率高于夏季,含水率差值隨高度先增大后減小,在0.7 m處達(dá)到最大值8.5%,最小值2.59%在井壁底部,井壁常年含水率基本穩(wěn)定。然而坎兒井井壁仍存在干濕循環(huán),但與其他地區(qū)干濕循環(huán)受控于降雨等因素不同,坎兒井屬季節(jié)性大周期干濕循環(huán)(基本 1年 1次),且含水率變化幅度遠(yuǎn)小于其他地區(qū)[17],干濕循環(huán)的初始含水率較大,其中井壁0.3 m以下含水率常年保持在 20%以上。因此,在循環(huán)周期較長(zhǎng),含水率變化幅度較小,初始含水率較大環(huán)境下的干濕循環(huán)造成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化及其導(dǎo)致抗拉、抗壓強(qiáng)度的劣化程度較小[19-20],故井壁干濕循環(huán)不易造成其嚴(yán)重剝落。而冬季暗渠縱深正溫范圍內(nèi)井壁無(wú)嚴(yán)重剝落現(xiàn)象也證明了這一點(diǎn)。
冬季極端低溫為–28.7 ℃,多年平均凍深達(dá)50 cm;由規(guī)范[21]可知:井壁土粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為68.3%,遠(yuǎn)大于10%的凍脹性土判別標(biāo)準(zhǔn),因此其為凍脹性土。井壁滿足凍脹性土與持續(xù)低溫 2個(gè)條件。為研究冬季低溫對(duì)井壁的影響,實(shí)測(cè)井壁和內(nèi)部土不同高度的含水率,結(jié)果如圖1所示。
圖1 坎兒井井壁土體含水率與高度的關(guān)系Fig.1 Curves of water content with height of wall for Karez
由圖1a可知:含水率隨高度持續(xù)衰減,由于冬季存在渠水水汽凝結(jié)以及向冷端面的水分遷移,使得井壁含水率高于內(nèi)部,含水率差值隨著高度增大,其中含水率最大差值為2.61%,平均差值為1.15%。因此,坎兒井土層中的主要水分來(lái)源是暗渠毛細(xì)水,冬季水汽凝結(jié)和水分遷移作用不強(qiáng)。
由圖1b可知:含水率單位高度變化率隨高度先增大后減小最后趨于 0,其自 0.6 m以上大幅降低,其中在0.6~0.7 m,該參數(shù)由30.5%降至7.3%。這表明坎兒井井壁0.6 m以下為暗渠毛細(xì)水強(qiáng)烈影響區(qū)。
坎兒井暗渠隧洞破壞主要表現(xiàn)為出口段剝落坍塌[12]。其中暗渠井壁剝落到一定程度后,隧洞矢跨比改變,直至失穩(wěn)坍塌。破壞過(guò)程可分為 3個(gè)階段:井壁剝落(如圖2a、2b)—拱頂裂縫(如圖2c)—隧洞坍塌(如圖2d)。調(diào)研發(fā)現(xiàn),很多坎兒井出口段具有井壁剝落破壞程度遠(yuǎn)大于拱頂,井壁兩側(cè)剝落嚴(yán)重,剝落嚴(yán)重段與拱頂分界線清晰等特征,通過(guò)拱頂可推測(cè)隧洞初始輪廓;其中 7個(gè)坎兒井的斷面實(shí)測(cè)結(jié)果見表4。由表4可知:暗渠水面以上、約1.0~1.5 m高度以下的井壁剝落破壞嚴(yán)重,因此其嚴(yán)重剝落高度介于1.0~1.5 m。而隧洞縱深約8~10 m后不具備上述出口段剝落特征。
圖2 坎兒井隧洞破壞現(xiàn)狀Fig.2 Destruction condition of Karez tunnel
表4 坎兒井出口段嚴(yán)重剝落高度Table 4 Serious exfoliation height in outlet of Karez
由表1可知該土塑限wp為16.7%,其中起始凍脹含水率wv=(0.7~0.9)wp[22],計(jì)算可知該土wv介于11.55%~14.63%(對(duì)應(yīng)的體積含水率 θv介于 17.54%~22.21%)。與圖1a對(duì)比發(fā)現(xiàn):11.55%與14.63%在井壁上對(duì)應(yīng)高度分別為 1.1 m與 0.7 m,最不利(最?。┢鹗純雒浐?1.55%對(duì)應(yīng)高度1.1 m與嚴(yán)重剝落高度(1.0~1.5 m)基本一致。結(jié)合上述井壁剝落破壞特征通常僅出現(xiàn)在出口段,可排除干濕循環(huán)對(duì)井壁土的影響,而凍融會(huì)造成低圍壓下土體c′的大幅衰減,因此可明確凍融是隧洞剝落破壞的主要原因。
坎兒井渠水在井壁的毛細(xì)作用屬增濕過(guò)程,經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行井壁水分分布趨穩(wěn),屬非飽和穩(wěn)態(tài)滲流問(wèn)題。因此,本文采用濾紙法進(jìn)行增濕土-水特征曲線試驗(yàn),具體為:制備環(huán)刀型重塑土樣,平均干密度1.51 g/m3,初始體積含水率為5%,并分別增濕至6%、7%、8%、10%、12%、15%、25%、35%、40%、43%等11級(jí),依據(jù)文獻(xiàn)[23],采用保鮮膜封裹土體,靜置12 d后待濾紙中吸力與土中基質(zhì)吸力基本平衡,實(shí)測(cè)濾紙與土樣含水率,通過(guò)濾紙吸力及其率定關(guān)系計(jì)算基質(zhì)吸力,采用單對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制土-水特征曲線如圖3。
圖3 土-水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curve
土-水特征曲線呈現(xiàn)顯著3階段特征,其形態(tài)與土孔隙大小分布、顆粒級(jí)配、密度以及有機(jī)質(zhì)、礦物對(duì)水分吸附有關(guān)?;|(zhì)吸力處于1~5 kPa時(shí),含水率隨基質(zhì)吸力的變化不顯著,可估算進(jìn)氣值約為5 kPa;146 kPa之后,基質(zhì)吸力大幅增加不再引起含水率顯著變化,可估算殘余體積含水率約為6.2%。
坎兒井暗渠屬于線路性工程,本文僅進(jìn)行暗渠水在坎兒井土層的滲流分析,可假設(shè)為二維平面滲流問(wèn)題,進(jìn)行二維非飽和穩(wěn)態(tài)滲流分析,基本控制方程為[24]
式中wH 為總水頭,分別為x和y方向的水力梯度,無(wú)量綱; kwx、 kwy分別為水平、豎直方向與基質(zhì)吸力相關(guān)的滲透系數(shù)函數(shù),m/s;(ua- uw)為基質(zhì)吸力,Pa。飽和滲流是非飽和滲流的特殊情況,其通過(guò)不同基質(zhì)吸力情況下的滲透系數(shù)函數(shù)進(jìn)行控制。
在非飽和滲流分析軟件 GEO-SEEP/w模塊輸入土-水特征曲線(圖3)和飽和滲透系數(shù),通過(guò)Fredlund & Xing法估算滲透系數(shù)函數(shù),采用基本控制方程(1)進(jìn)行數(shù)值分析即可[25]。
依據(jù)阿洪坎兒井地層參數(shù)建立二維有限元模型,隧洞初始開挖尺寸約為:寬0.6 m,高1.3 m,頂為圓弧,暗渠水深約為0.2 m。邊界條件:模型底部邊界為地下水位,暗渠渠底為0.2 m的壓力水頭,其余邊界為潛在滲流出水面[25]。
坎兒井土層水分分布受暗渠和地下水的影響程度是暗渠防滲加固所需了解的。為此進(jìn)行不同地下水位 Zw(2~15 m)下地層水分分布數(shù)值分析,結(jié)果如圖4。地下水位的選取依據(jù)亞爾鄉(xiāng)機(jī)電井實(shí)測(cè)值25.75 m、恰特喀勒鄉(xiāng)水管所2002-2010年實(shí)測(cè)值(13.2~45.1 m)及當(dāng)前水資源嚴(yán)控措施(機(jī)電井?dāng)?shù)量和抽水量嚴(yán)控,坎兒井農(nóng)閑水就地回灌地下水等)對(duì)地下水位抬升正產(chǎn)生的積極影響[9],同時(shí)重點(diǎn)考慮了其對(duì)井壁水分分布的最不利影響。
圖4 不同地下水位下坎兒井地層體積含水率云圖Fig.4 Contour images of volumetric water content of Karez in different groundwater level
暗渠水面以下,滲流與無(wú)襯砌渠道類似,可分為自由和頂托滲流[26]。Zw=2.0 m時(shí),地下水與暗渠水力連通,暗渠水以飽和滲流方式補(bǔ)給地下水;Zw=4.0 m時(shí),暗渠以非飽和形式補(bǔ)給地下水,但補(bǔ)給作用減弱,地下水峰明顯,并逐漸向兩邊擴(kuò)展;Zw=8.0 m時(shí),非飽和補(bǔ)給作用持續(xù)減弱,地下水峰不明顯,暗渠水面下最小體積含水率為37%;Zw=10.0 m及更深時(shí),兩者補(bǔ)給關(guān)系不明顯,地下水位較深時(shí)滲徑變長(zhǎng),非飽和區(qū)含水率更低,水分下滲作用減弱,存在滯留現(xiàn)象,側(cè)向滲流明顯,暗渠下飽和區(qū)面積擴(kuò)大,這與渠道滲流特征一致[26]。說(shuō)明地下水位較淺時(shí),坎兒井補(bǔ)給地下水,地下水位對(duì)暗渠以下土體水分分布影響較大;當(dāng)Zw大于10.0 m時(shí),兩者不存在直接顯著補(bǔ)給關(guān)系,地下水對(duì)暗渠下水分分布影響小。
暗渠水面以上土層存在非飽和滲流,現(xiàn)提取圖 4中坎兒井井壁土層體積含水率模擬值,將其與內(nèi)部土體實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,如圖5所示。
圖5 坎兒井井壁土層水分的實(shí)測(cè)與模擬值比較Fig.5 Comparison between measured and simulated of volumetric water content of Karez’ wall
由圖 5可知:井壁土體積含水率模擬值在暗渠水面以上0.2~1.0 m范圍內(nèi)存在一定差異,地下水位對(duì)其稍有影響,1.0 m以上,地下水位對(duì)井壁水分分布影響較弱。體積含水率模擬值在0.1~1.0 m范圍內(nèi)稍大于實(shí)測(cè)值,在1.0 m以上稍小于實(shí)測(cè)值,最大差值僅為1.8%。綜上,地下水位對(duì)坎兒井井壁水分分布影響可忽略,同時(shí)模擬值與實(shí)測(cè)值差異不大,說(shuō)明數(shù)值模擬方法和參數(shù)選取合理。
為保持歷史原貌,本著“修舊如舊”的文物保護(hù)原則,提出僅在暗渠縱深負(fù)溫范圍內(nèi)進(jìn)行局部防滲來(lái)降低凍脹段浸潤(rùn)線的方法,破壞井壁凍脹的水分條件,達(dá)到抗凍脹目的。通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究局部防滲長(zhǎng)度 d1與井壁不凍脹段長(zhǎng)度 d2(可定義為經(jīng)防滲后,暗渠井壁底部土層體積含水率低于起始凍脹體積含水率的長(zhǎng)度)的關(guān)系。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅取暗渠水面以下土體進(jìn)行分析,計(jì)算井壁底部(模型頂面)體積含水率。模型頂部為暗渠底部,施加0.2 m壓力水頭模擬暗渠靜水壓力,地下水位處總水頭為0 m,局部防滲段施加滲流量為0的邊界條件。為獲取d1與d2的關(guān)系,分別進(jìn)行地下水位Zw為4.0、10.0、15.0 m,局部防滲長(zhǎng)度d1為4.0、8.0、12.0、16.0 m的數(shù)值分析。其中Zw=4.0 m時(shí)不同局部防滲長(zhǎng)度d1下井壁底部土體體積含水率與暗渠長(zhǎng)度關(guān)系如圖6。
由圖6可知:井壁底部土體體積含水率呈U型,即中間小,兩側(cè)偏大,局部防滲長(zhǎng)度d1越大,開口越大。由 2.2小節(jié)可知,偏安全的取起始凍脹體積含水率θv=17.54 %,依據(jù)圖6將低于θv的暗渠長(zhǎng)度求出,即井壁不凍脹段長(zhǎng)度d2如表5。
圖6 局部防滲后井壁底部土體體積含水率分布圖(Zw=4 m)Fig.6 Curves of volumetric water content at bottom of Karez’s wall after local seepage control (Zw=4 m)
表5 井壁不凍脹段長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculated results of no-frost heave section length for Karez’ wall
由表5可知:井壁不凍脹段長(zhǎng)度d2隨著局部防滲長(zhǎng)度 d1增加,受地下水位影響可忽略。調(diào)研發(fā)現(xiàn):在吐魯番冬季,典型尺寸的隧洞約在8~10 m以內(nèi)井壁表面會(huì)出現(xiàn)白霜并發(fā)生凍結(jié),即暗渠縱深負(fù)溫范圍介于8~10 m。因此,井壁不凍脹段長(zhǎng)度d2應(yīng)不少于10 m為宜,由表5插值,可算出局部防滲長(zhǎng)度d1為12.13 m,在坎兒井龍口內(nèi)外選擇d1=12.2 m可滿足抗凍脹要求。不同隧洞尺寸時(shí)可根據(jù)實(shí)際縱深負(fù)溫情況獲取局部防滲長(zhǎng)度d1。
防滲設(shè)計(jì)施工時(shí),龍口兩側(cè)防滲長(zhǎng)度可通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得。局部防滲長(zhǎng)度d1=12.2 m的計(jì)算圖如圖7,防滲后井壁底部體積含水率分布與防滲方案推算圖如圖8。
圖7 防滲段長(zhǎng)度12.2 m時(shí)的體積含水率分布圖(Zw=4 m)Fig.7 Contour image of volumetric water content of seepage control length of 12.2 m(Zw=4 m)
L1、L2、L3、L4在圖 8 橫軸對(duì)應(yīng)刻度分別為 2.9、3.94、13.8和15.1m。由此推算:防滲段長(zhǎng)度d1:L4–L1=12.2 m;井壁不凍脹段長(zhǎng)度d2:L3–L2=10.12 m;其中暗渠段防滲長(zhǎng)度 d3:L4–L2=11.16 m;明渠段防滲長(zhǎng)度 d4:L2–L1=1.04 m。該防滲方案基于嚴(yán)格的防滲計(jì)算所得,實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇較好的防滲材料設(shè)計(jì)施工。
圖8 防滲方案推算圖(防滲段長(zhǎng)度d1=12.2 m)Fig.8 Calculation chart of seepage control scheme(Seepage control length d1=12.2 m)
局部防滲加固措施抓住了坎兒井剝落破壞主要原因,可有效防止井壁嚴(yán)重凍融剝落,而由重力、風(fēng)蝕等其他因素造成的剝落則需聯(lián)合井壁土薄層防護(hù)措施加以徹底解決。與卵形涵、預(yù)制板等剛性支護(hù)、錨桿掛土工格柵噴(抹)混凝土等柔性支護(hù)措施相比,局部防滲加固措施具有井壁抗凍脹效果良好、施工維護(hù)簡(jiǎn)單、工程量小、不破壞坎兒井歷史原貌等優(yōu)點(diǎn)。
1)坎兒井冬季井壁土含水率稍大于內(nèi)部土體含水率,距離暗渠水面越高,差值增大,最大差值為2.61%,因此井壁水分主要為毛細(xì)水,水汽凝結(jié)和凍結(jié)水分遷移作用不強(qiáng)。暗渠以上0~0.6 m為毛細(xì)強(qiáng)烈影響區(qū)。
2)隧洞井壁嚴(yán)重剝落高度約為1.0~1.5 m,拱頂仍可保持初始輪廓。結(jié)合該土起始凍脹含水率判斷,暗渠水面1.1 m以上井壁不發(fā)生凍脹,這與井壁嚴(yán)重剝落高度基本一致,結(jié)合暗渠內(nèi)部無(wú)上述特征,凍融可顯著降低有效粘聚力等原因,可明確凍融是坎兒井井壁剝落破壞的主要原因。
3)數(shù)值分析表明:地下水位對(duì)暗渠以下土體水分分布影響大,但對(duì)暗渠以上土體的水分分布影響較小;體積含水率計(jì)算值在0.1~1.0 m高度范圍內(nèi)稍大于實(shí)測(cè)值,1.0 m以上稍小于實(shí)測(cè)值,最大差值為1.8%。表明數(shù)值模擬方法和參數(shù)選取合理,可用于坎兒井非飽和滲流計(jì)算。
4)基于將坎兒井暗渠縱深負(fù)溫范圍內(nèi)井壁底部土體含水率降到起始凍脹含水率以下即可防止井壁凍脹的思路,提出了局部防滲的加固方法。針對(duì)所選典型坎兒井,僅需在龍口內(nèi)外分別防滲11.16 m和1.04 m即可防止凍脹剝落。同時(shí)與井壁土薄層防護(hù)措施相結(jié)合可徹底解決出口段剝落破壞問(wèn)題。
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