New prevention and treatment techniques and their applications to landslides and engineering slopes of expansive soils
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摘要: 中国膨胀土分布十分广泛且与人类活动密集区高度重叠。由于其胀缩性、裂隙性与超固结性（“三性”）特征，膨胀土极易受气候变化和工程活动影响而诱发滑坡灾害。然而，传统的防治技术无法适应具有“三性”特征的膨胀土滑坡与工程边坡治理要求，导致滑坡屡治不止，成为工程“癌症”。“十三五”国家重点研发计划项目“膨胀土滑坡与工程边坡新型防治技术与工程示范研究”紧扣膨胀土的“三性”及其互馈作用，揭示了膨胀土滑坡和工程边坡的失稳机理与关键致灾因子，突破了膨胀土边坡多场信息监测与滑坡灾害早期预警技术，研发了“表-浅-深”一体化的膨胀土边坡韧性生态防护技术，形成了膨胀土边坡防护工程健康诊断方法与快速修复技术，初步集成了膨胀土边坡生态防护综合技术体系并实施工程示范三处。项目研究成果为膨胀土滑坡与工程边坡防治提供了新理论、新技术和新工法，社会、经济和环境效益显著，应用前景广阔。Abstract: Expansive soils are widely distributed in China, especially in the regions with high population density. Characterized by the well-known 'three properties', i.e., swelling-shrinkage, cracking and over-consolidation, the expansive soils are highly susceptible to climate change and engineering activities, and thus can easily cause landslides. Due to the lack of consideration to the interactive 'three properties' of the expansive soils, the traditional techniques can hardly be effective for the treatment of expansive soil landslides and engineering slopes, leaving the latter known as 'cancer' that imperils the safety of engineering projects. During the 13th Five-Year Plan period, the National Key Research and Development Program of China "New prevention and treatment techniques and their applications to landslides and engineering slopes of expansive soils" was approved. With special attention to the interactive 'three properties' of the expansive soils, the program has made series of innovations including the instability mechanism and the key disaster factors of expansive soil landslides, multi-field information monitoring and early warning techniques, 'surface-shallow-deep' integrated and ecological reinforcement technique, health diagnosis and rapid restoration techniques for slope protection structures. These techniques are integrated as a technical system and have been implemented in three engineering demonstrations. The relevant achievements have provided new theories, techniques and construction methods for treating the landslides and engineering slopes of the expansive soils. Meanwhile, they have achieved significant social, economic and environmental benefits, with broad application prospects.
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0. 引言
堰塞坝是指在一定的地质与地貌条件下，由于地震或降雨等引起的山崩、滑坡、泥石流等阻塞山谷、河道所形成的堆积体[1]。作为自然过程的产物，堰塞坝呈现出级配宽泛、形状不规则、结构复杂等特点[2]。堰塞坝在世界范围内广泛存在，特别是近年来极端天气和地质灾害频发，导致堰塞坝数量显著增多[3-4]。与人工填筑坝不同，堰塞坝是由土壤和岩石在自然不稳定状态下混合而成，缺少溢洪道或泄流槽[2]。因此，一旦上游持续来流，堰塞坝的溃决风险远高于人工填筑坝。Shen等[5]对352个具有寿命信息的堰塞坝进行统计分析，发现生存时间小于1 d的占29.8%，小于1个月的占68.2%，小于1 a的占84.4%。
漫顶和渗透破坏是堰塞坝最常见的溃坝模式[4]，94%的堰塞坝因漫顶而溃坝，5%因渗透破坏而溃坝，1%因坝坡失稳而溃坝[2]。因此，深入研究堰塞坝漫顶溃坝过程和溃决机理，对科学高效应急处置，最大限度减少其灾害损失至关重要。
堰塞坝漫顶溃决是一个涉及水土耦合和结构破坏的复杂过程。物理模型试验是研究其漫顶溃坝过程和溃决机理的常用手段，近年来，学者们开展了一系列模型试验，包括大尺度模型试验（坝高 > 1 m）[6]和小尺度模型试验（坝高 < 1 m）[7-8]。小尺度试验模型与原型应力水平差别显著，试验结果往往与实际存在差异，不同学者得到的结论也不一致。虽然大尺度试验的结果更接近原型坝，但试验成本高、周期长、风险难以控制。在高速旋转条件下，土工离心机产生的超重力场具有“时空放大”效应，可以在小尺度模型中产生原型级别的有效应力，同时满足坝体材料、水动力条件等相似准则。因此，离心模型试验可以用于研究由宽级配坝料组成的堰塞坝的漫顶溃决，它能够以较低成本在短时间内再现其漫顶溃坝过程，这对于揭示其漫顶溃决机理和溃坝过程具有重要意义和价值。
本文利用离心模型试验研究了堰塞坝漫顶溃决问题，揭示了溃决机理、溃口演化规律及溃口流量过程，首次通过离心模型试验研究了坝高、下游坡比和坝料级配对堰塞坝漫顶溃坝过程的影响，为堰塞坝漫顶溃坝过程和溃决机理的认知提供了科学参考。
1. 溃坝离心模型试验系统
以400g·t土工离心机为基础，南京水利科学研究院研制了溃坝离心模型试验系统[9]，主要由大流量水流控制系统、专用模型箱、数据采集系统和图像记录装置组成（如图 1）。
1.1 大流量水流控制系统
以与离心机同轴旋转的环形接水环为核心，试验用水由屋顶水箱提供，据试验前设定的供水流量过程，由伺服水阀流量控制系统精确控制上游来水条件，入水口与接水环无硬件接触，输水流量也不受接触限制，实现了从1g重力场到Ng重力场的水流转化。该系统可持续提供足够的溃坝水流，最大流量达50 L/s。
1.2 专用模型箱
有效尺寸为1.2 m×0.4 m×0.8 m（长×宽×高）（如图 2（a）），在模型箱下游端嵌入薄壁矩形量水堰，并安装2个孔压传感器（如图 2（b）），输出信号为电压信号，可转换为水深，以获得准确的溃口流量过程。溃口流量可根据水深采用下式计算：
Q=m0Bw√2Nght1.5。 (1) 式中：Q为溃口流量；m0为流量系数；Bw为量水堰宽度；Ng为离心机加速度；h为水深；t为时间。
1.3 数据采集系统和图像记录装置
数据采集系统由转臂上的数据采集模块和地面上的工控机组成，孔压传感器与数据采集系统相连。图像记录装置为分别位于模型箱顶部和侧面的相机。
1.4 相似准则
溃坝是典型的水土耦合过程，在使用离心机进行溃坝探究时，需建立应力和溃坝水流的相似准则，推导方法详见文献[9]，常用物理量的相似准则见表 1。
表 1 常用物理量相似准则Table 1. Similarity criteria of common physical quantities物理量 加速度 长度 面积 体积 应力 相似比(模型/原型) N 1/N 1/N2 1/N3 1 物理量 孔隙比 密度 质量 流量 时间 相似比(模型/原型) 1 1 1/N3 1/N2 1/N 2. 试验设计与过程
选择坝高、下游坡比、坝料级配3个影响因素进行试验设计，利用溃坝离心模型试验系统进行4种工况下堰塞坝漫顶溃决试验，探究溃口形态演化规律、溃口流量过程，以及不同影响因素对漫顶溃坝过程的影响，揭示堰塞坝漫顶溃决机理。
2.1 试验设计
基于模型箱尺寸、供水条件及试验用坝料，设定了各工况试验参数（见表 2）。以唐家山堰塞坝现场采样的平均级配为原型级配，试验坝料最大粒径设为40 mm，用等量替代法得到模型级配（见图 3）。
表 2 4种工况参数设定Table 2. Parameter settings of four conditions工况 坝高/mm 下游坡比 d50/mm 1 250 1∶3 5 2 350 1∶3 5 3 250 1∶5 5 4 250 1∶3 1 注：d50为级配平均粒径。 坝料经晾晒、筛分后分为5个粒径组，分别为40~20，20~10，10~5，5~1， < 1 mm。土料相对质量密度为2.75，试样孔隙率设为28%，对应干密度为1.98 g/cm3，含水率设为5%。离心加速度设置为50g。为了便于观察溃口下切和下游坡冲蚀情况，在模型箱钢化玻璃一侧开设初始溃口，初始溃口形状为梯形，顶宽70 mm，底宽30 mm，高40 mm。
2.2 试验过程
各工况试验按照如下步骤依次进行：①土样准备；②模型坝制作；③离心机配重；④孔压传感器与相机安装；⑤溃坝试验；⑥试验数据测量、记录与保存；⑦机室清理。
3. 试验结果及分析
以工况4为例分析堰塞坝漫顶溃坝过程与溃决机理，并基于各工况试验结果，分别比较坝高、下游坡比和坝料级配对溃坝过程的影响。下文中试验结果均已按照相似准则换算为原型坝的物理量。
3.1 溃口演化规律
两台相机记录了工况4溃坝过程的视频，通过对溃口形态和流量演化过程中的突变进行分析，将堰塞坝漫顶溃决的过程分为4个阶段。
阶段1：表层冲刷。溃坝初期，漫顶水流从溃口溢出，对下游坡进行冲蚀。坝体表面细颗粒被水流带走，形成高浓度挟砂水流，此阶段溃口变化不明显。
阶段2：溯源冲蚀。由于下游坡脚处水流流速更大，初始冲坑在此形成，在水动力作用下冲坑逐渐向上游发展直至坝顶，此阶段下游坝坡明显变缓。
阶段3：沿程侵蚀。坝顶高程在溯源冲蚀结束后突然下降，溃口水动力条件突然增加，溃口迅速下切展宽，并伴随溃口边坡的失稳，溃口流量出现峰值。
阶段4：溃口稳定。随着上游水位下降，水流冲蚀能力减弱。粗颗粒滞留在下游边坡，导致边坡粗化，直至溃口不再发展，溃口流量趋于稳定。
定义漫顶水流从溃口溢出时为初始时刻，各阶段选取典型坝体图像（如图 4），绘制了溃口处坝体纵剖面图（如图 5（a））。
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图 5 工况4溃口演化过程和溃口流量过程Figure 5. Breach evolution process and breach flow discharge process of Condition 43.2 溃口流量过程
试验前测定流量系数m0=0.278，h(t)可由孔压传感器读数得到，根据式（1）计算得到溃口流量过程。
图 5（b）描绘了工况4原型坝的溃口流量过程。首先，在溃坝开始的最初几分钟，流量缓慢增加，对应阶段1。其次，流量迅速增大，在t=9.6 min时达到14.0 m3/s，对应阶段2。随后，流量增加的速率略有减慢，在t=13.4 min时达到峰值流量17.8 m3/s，并迅速下降，对应阶段3。最后，当t=38.3 min时，流量逐渐趋于稳定，溃口出流量等于入流量，对应阶段4。
3.3 不同因素对溃坝过程影响
以工况1为对照组，通过改变坝高、下游坡比和坝料级配，研究不同因素对堰塞坝漫顶溃坝过程的影响。选取峰值流量、达峰时间和溃坝后的相对残余坝高（残余坝高与初始坝高的比值）3个溃坝参数进行比较分析（见表 3）。
表 3 4种工况溃坝参数对比Table 3. Comparison of dam breach parameters of four conditions工况 影响因素 峰值流量/(m3·s−1) 变化幅度/% 达峰时间/min 变化幅度/% 相对残余坝高/% 变化幅度/% 1 — 11.4 18.9 66.4 2 坝高 18.6 +62.6 16.1 -14.8 55.4 -16.5 3 坡比 9.5 -16.6 24.5 +30.0 75.2 +13.3 4 级配 17.8 +56.0 13.4 -29.0 47.2 -28.9 注：变化幅度表示与工况1相比，各溃坝参数的增量。 可以看出，各因素对溃坝参数的影响规律如下：当坝高增加或坝料平均粒径减小时，峰值流量显著增大，达峰时间提前，相对残余坝高减小；当下游坡比减小时，峰值流量减小，达峰时间明显推迟，相对残余坝高增大。溃口峰值流量对坝高最为敏感，平均粒径次之，达峰时间对下游坡比最为敏感，相对残余坝高对平均粒径最为敏感。
下面从坝料冲蚀的角度对上述影响在机理层面上进行分析，坝料的冲蚀率可采用下式计算[10]：
E=kd(τb−τc)。 (2) 式中：E为冲蚀率；kd为冲蚀系数；τb为水流剪应力；τc为坝料临界起动剪应力。
对比工况1和2，当堰塞坝坝高增加时，漫顶水流势能增加，水动力条件增强，τb增大，对下游坡冲蚀作用更强，故E增大，从而加快了溃坝进程与溃口发展。因此峰值流量增加，峰值时间提前，相对残余坝高减小。
对比工况1和3，当堰塞坝下游坡比减小时，坝料颗粒自重在坝坡方向的分量减小，坝体自身更加稳定，τc增大，漫顶水流重力势能释放转换为动能的过程减缓，τb减小，故E减小，从而抑制了溃坝进程与溃口发展。因此峰值流量减小，峰值时间延后，相对残余坝高增加。
对比工况1和4，在相同水动力条件下，当堰塞坝平均粒径减小，即坝体材料变细时，τc减小，坝体更容易被冲蚀，故E增大，从而加快了溃坝进程与溃口发展。因此峰值流量增加，峰值时间提前，相对残余坝高减小。
4. 结论
（1）基于堰塞坝漫顶溃坝过程中的溃口形态和流量演化过程的突变特征，可将溃坝过程划分为4个阶段：表层冲刷、溯源冲蚀、沿程侵蚀和溃口稳定，并对每个阶段的出现时刻和发展过程进行了界定。
（2）坝高、下游坡比和坝料级配对堰塞坝漫顶溃坝过程影响较大。当坝高增加或坝料平均粒径减小时，峰值流量增大，达峰时间提前，相对残余坝高减小；当下游坡比减小时，峰值流量减小，达峰时间推迟，相对残余坝高增大。
（3）溃口峰值流量主要受坝高影响，其次是平均粒径；达峰时间对下游坡比最为敏感，相对残余坝高主要受平均粒径影响。
致谢: 本文采用了项目骨干柏巍、顾凯、唐朝生、刘尊言、许龙、康博、王琼、苏薇、李志清、张冬梅、蔡强、贺伟明及其团队的部分研究成果，一并表示感谢。感谢参加本项目的有关单位和科研人员的辛勤付出！ -
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图 2 中国膨胀（岩）土边坡灾害点分布（473处）
Figure 2. Expansive soils-related disasters in China (473 cases)
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图 3 不同区域膨胀土边坡灾害类型与关键致灾因子
Figure 3. Types and causes of expansive soils-related disasters in different regions of China
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图 5 基于变权重模糊综合评判与层次分析法的膨胀土边坡动态安全评价软件
Figure 5. Software running with fuzzy-AHP-based variable weight safety evaluation model for safety of expansive soil slopes
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图 6 膨胀土裂隙快速捕获与智能识别技术
Figure 6. Fast-capture and intelligent-identification techniques for cracks of expansive soils
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图 7 基于分布式光纤测温系统的膨胀土水分监测技术
Figure 7. Distributed temperature sensor (DTS)-based moisture monitoring technique
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图 8 基于分布式光纤测温系统的膨胀土裂隙监测技术
Figure 8. Distributed fiber optic sensing (DFOS)-based crack monitoring technique
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图 9 降雨入渗作用下膨胀土变形与裂隙度演化特征
Figure 9. Temporal evolution of deformation and crack density of expansive soils subjected to rainfall
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图 10 膨胀土边坡“表-浅-深”一体化韧性生态防护技术
Figure 10. 'Surface-shallow-deep' integrated and ecological reinforcement technology for expansive soil slopes
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图 11 钙基纳米二氧化硅改性膨胀土的水-力特性
Figure 11. Hydro-mechanical behaviors of expansive soils modified with Ca-SiO2 powder
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图 13 防护工程健康状态诊断系统
Figure 13. Diagnostic system for health status of protection structures
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图 16 瓦东干渠刘岗电灌站#2滑坡(治理前)
Figure 16. Landslide No. 2 (before treatment) near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal
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图 17 瓦东干渠刘岗电灌站#2滑坡治理方案
Figure 17. Design of landslide No. 2 near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal
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图 18 瓦东干渠刘岗电灌站#2滑坡监测方案
Figure 18. Monitoring program of landslide No. 2 near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal
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图 19 瓦东干渠刘岗电灌站#2滑坡（治理后）
Figure 19. Landslide No. 2 (after treatment) near Liugang electric irrigation station of Wadong main canal
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图 20 合六叶高速公路K707+900边坡防治方案
Figure 20. Design of K707+900 slope of Hefei-Lu'an-Yeji high-speed way
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图 21 合六叶高速公路K707+900边坡防治效果
Figure 21. K707+900 slope of Hefei-Lu'an-Yeji high-speed way before and after treatment
表 1 课题设置
Table 1 Arrangement of tasks
课题序号 课题名称 牵头单位 课题负责人 1 膨胀土滑坡与工程边坡水力作用失稳特征与安全性评价方法 中国科学院武汉岩土力学研究所 孔令伟 2 膨胀土滑坡和工程边坡实时监测与早期预警技术 中国科学院地质与地球物理研究所 胡瑞林 3 膨胀土滑坡和工程边坡防治工程新型材料与新型技术 合肥工业大学 查甫生 4 膨胀土滑坡和工程边坡防护工程健康诊断和快速修复技术 中国地质科学院探矿工艺研究所 石胜伟 5 膨胀土滑坡和工程边坡生态防护综合技术体系及应用示范 同济大学 叶为民 
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表 2 膨胀土边坡灾害类型
Table 2 Disaster types of expansive soil slope
区域 典型地区 灾害类型 代表性案例 西南、华南 四川盆地、昆明盆地、南宁盆地、百色盆地 冲蚀、坍塌、滑坡 百东新区百贤路、广西南友高速公路 东北、华北 延吉盆地、图晖盆地 剥落、胀裂、滑坡 吉林至珲春GDK275边坡 中部 南襄盆地、江淮丘陵区 整体滑动、浅层滑动 南水北调、淠史杭灌区、引江济汉
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