北疆长距离供水渠道渗漏险情模式与成因分析

仇巅，王羿

（1.新疆额尔齐斯河投资开发（集团）有限公司，乌鲁木齐 830000；2.南京水利科学研究院岩土工程研究所，南京 210000）

1 工程概况及问题

北疆供水工程一期工程总干渠与南干渠总长约500 km，跨越多个地质带，平均冻深1.8 m，属于高寒区[1]。工程区域内渠道土质饱和砂砾石、膨胀泥岩、风积沙、低液限粉土、分散性流沙土和盐渍化土等多种类型，渠道填筑类型包括填方（填方高度7～15 m）渠道、挖方渠道（挖方深度5～40 m）和半挖半填渠道，断面形式有弧脚梯形和梯形两类。渠道防渗结构类型多样，包括预制混凝土板+一布一膜复合防渗、全断面现浇混凝土衬砌+土工膜复合防渗、弧底现浇+坡面预制混凝土块+防渗膜以及聚脲涂层、LEAC聚丙烯酸涂层等表面防渗涂料[2]。在排水体系方面，根据渠道土质、挖填方形式和周边地势，设置有高填方区纵横向排水管+竖井集水抽排设施、纵横向排水管+横向自流排水沟设施以及底部排水填筑料+横向排水棱体自流排水设施。

经过20余年的运行，北疆供水工程防渗体系出现不同程度的老化失效，排水体系也有不同程度的淤堵导致的排水效率下降，渠道渗漏情况逐年加剧导致基土水分变动剧烈[3]。对于不同的土质，水分变化与寒区低温双重影响可能导致渠基土吸水膨胀、湿化软化、冻融变形和固结沉降等变化，长期作用下土体物理力学性能和强度劣化是北疆供水渠道各类险情产生的本质原因。系统梳理北疆长距离供水渠道沿线各类渗漏险情诱发因素、险情特征及产生机理，对于渠道安全运行管理及灾害防治具有重要意义。

2 北疆供水渠道沿线渗漏险情诱发因素分析

通过现场调研结合历年运管数据，可将北疆供水渠道沿线因渗漏产生的险情归纳为不均匀变形、衬砌结构破坏、坡面裂缝、管涌、流土及滑坡等，险情诱发因素，包括外部防渗、排水体系失效及内部膜后水位、不良土质条件两方面。

2.1 渠道渗漏险情外部诱因

2.1.1 输水渠道防渗结构破坏是渗漏险情源头

北疆供水渠道防渗结构由混凝土衬砌和下方土工膜共同构成，此类防渗结构存在较大的渗漏隐患，根据实际工程调研资料，衬砌与防渗土工膜的组合防渗结构极易因土工膜施工破损、接缝不严和低温老化等原因失去防渗能力。衬砌层尤其是预制混凝土衬砌板相较于现浇混凝土衬砌，具有变形适应性好，易施工防裂缝的优点。但是板间接缝砂浆强度不足，难以在长期水流冲刷和冻融作用下保持稳定，因此，板间接缝砂浆脱落导致衬砌层完全丧失防渗能力。

2.1.2 渠道排水体系效率降低使渗漏险情加剧

渠道排水体系是防渗结构的补充，用于解决防渗结构缺陷造成缓慢渗漏而引起的膜后水位升高问题。在防渗结构与渠基之间还设置了透水垫层，与底部纵横向排水棱体或排水管道相连。在北疆供水工程中，因渠道表面换填砂砾料排水垫层的施工，加之排水体系工作效率低，导致每年停水期严重破坏衬砌扬压力浮托。另外，由于纵向排水体系的联通，局部大量渗漏水经由纵向排水体系向下游汇聚，在排泄不畅处水压升高，造成该处的渠基绕渗，使得渠道的渗漏更加复杂。

2.2 渠道渗漏险情内部诱因

2.2.1 膜后水位变动是渗漏险情荷载诱因

渠道膜后水位由渠水入渗到防渗结构之后形成的防渗结构与渠基土体之间的压力水头，将直接作为渠基土体入渗压力，是渠基渗流浸润线的直接影响因素。在渠道行水期，渠槽内水位高，从而不断补给膜后水位，渠基土内孔隙水压随即不断升高，浸润线向渠基内部延伸；在降水期和停水期，膜后水位较高，从而反渗进入渠道，但是由于防渗结构阻渗，膜后水压难以短时释放，造成防渗结构浮托、隆起变形，尤其混凝土衬砌结构发生大面积破坏。

2.2.2 渠道不良土质劣化是渗漏险情直接诱因

北疆供水渠道跨越多个地质单元，渠堤及基础常见不良土质包括膨胀性土、分散性土、冻胀敏感性土和盐渍土等，均存在遇水后物理力学性质突变的特性。在不良土质中，膨胀性、分散性和冻胀敏感性同时存在，诸如北疆长距离供水工程中，膨胀泥岩遇水膨胀脱水干缩开裂，同时饱水后产生崩解形成流沙态，渠坡稳定性丧失。北疆供水渠道冲击平原地区分布的低液限粉土细颗粒含量高，具有较强的隔水性、难固结，因此，一旦水体入渗后水分难以快速排出，造成渠基内部的土体软化变形；同时由于细颗粒的毛细作用，地下水快速上升至土体表面，蒸发后形成盐渍化，导致孔隙率增大，土体固结度逐渐减小，形成强度丧失的欠固结态土。以上不良土质在渗漏这一外在环境因素影响下，产生不均匀变形、裂缝、管涌、流土和滑坡等多种灾害的发生。

3 北疆供水渠道渗漏险情特征及机理分析

渠道防渗结构破坏、排水缺陷、膜后水位变动和不良土质渗水劣化构成了输水工程渗漏险情的诱发因素，渠道的结构不同表现的灾害破坏特征并不相同。

3.1 渗漏-不均匀变形险情

渠道不均匀变形表现因渠道形式、环境作用、土质和衬砌类型等方面因素的影响而呈现不同破坏特征。根据渠道填筑形式，将其分为填方渠道、挖方渠道和半挖半填渠道3类；环境作用分为温度和水分两类；土质因素较为复杂，包括黏土、粉土、砂土、膨胀土、盐渍土等多种类别。

填方渠道，在渠道运行过程中，由于渠道渗漏水的长期作用，渠堤浸润线以下土体软化、抗剪强度降低、盐分或细颗粒流失等原因，产生较大的沉降和坡面向内塌陷。从整体上表现为填方渠堤沉降同时坡面行水位以下内凹，行水位以上外凸的不均匀变形。在停水期冻结作用下，由于渠底水分无法疏干，冻胀变形较为严重，因此，表现为渠底鼓胀。

挖方渠道，由原地面下挖而成，组成渠坡的土体为卸荷状态，可能产生裂隙，因此，压实度和防渗性能均低于填方渠道。此外，由于渗漏水出流受限，渠基浸润线高，坡面土体孔压升高，有效应力降低和抗滑力下降，因此，挖方渠道行水期坡面整体下滑，渠顶拉裂；坡面土体上部下凹，下部隆起，带动衬砌起伏变形。在冻结期，渠基水分难以排出，较多聚集于渠道中下部和底部，且冻胀量大，导致衬砌严重破坏。

渠道渗漏-不均匀变形属于渗漏险情最初表现，是渠道不均匀变形的起点，不均匀变形的发展又是渠坡裂缝开展、集中渗透破坏（管涌、流土）、失稳滑坡等更加严重灾害的诱发因子。

3.2 渗漏-变形-裂缝险情

输水渠道裂缝是其他险情的先兆，有些裂缝可能发展为渗透变形，引起滑坡险情。按其走向可分为横向裂缝、纵向裂缝、龟纹裂缝，其中以横向裂缝和滑坡裂缝危害性较大。

输水渠道长期运行过程中因渗漏导致裂缝产生的主要过程有：

1）入渗水长期作用下渠堤基础地质条件、物理力学性质在浸润线上下产生差异；基础边界条件变化，填土高差悬殊，压缩变形不相同，土壤承载能力差别大，引起不均匀沉陷裂缝。

2）渠堤与跨渠桥梁或过水涵洞等混凝土建筑物结合处，由于结合不良，在不均匀沉陷以及渗水作用下引起裂缝。

3）填筑料采用膨胀性泥岩或低液限粉土等细颗粒含量高的不良土质，引起干缩或冰冻裂缝。

3.3 渠道渗透破坏险情

根据北疆输水渠道运行现状调研成果，为了能够在现场更加直观地从渗透破坏险情的特征及表象上识别险情，将主要渗透破坏现象归结为管涌型、流土型、集中渗漏型、散浸型、顶托型5种主要模式。

结合北疆供水渠道调研情况，易发生管涌的部位主要存在于总干渠与南干渠戈壁滩区域，渠道及建筑物地基中存在风化砂砾岩透水层，渠堤采用砂砾岩、戈壁料等无黏性土填筑。在部分平原冲击扇渠道挖方段部分渠道为下方粗砂、表面粉砂层的双层地基，也会发生相应的管涌破坏。

北疆供水渠道流土的易发渠段分布在接近尾部的平原冲击扇区域，出险部位：（1）平原冲击扇地区渠道及建筑物地基中存在出露的细砂、粉细砂、粉土地层。（2）采用建筑物外侧粉质土、粉细砂填筑的填筑体。

北疆供水渠道集中渗漏主要发生在渠道与排洪涵、跨渠交通桥桥墩结合部以及渠道自身内部裂缝或孔洞处。不均匀沉降、变形等外因导致的建筑物结合面脱开，相邻填筑土层渗透性差异大、土与混凝土结合面呈非整合结合状态或结合部填土不密实导致接触面集中渗漏，以及其他原因导致的贯穿通道等都是集中渗漏发生的前期诱因。

北疆供水渠道散浸是最常发生的险情，在运行期持续高水位情况下，渗水异常从背水侧堤坡较高位置出逸，造成大面积坡面出水。散浸渠段均为填方或半挖半填，渠堤由透水性较好的风化砂砾岩填筑，一般地基下方具有泥岩构成的隔水层，导致渗漏水无法快速下渗而从渠坡背后出逸。渠堤外坡面的散浸危害主要是导致坡脚软化，降低渠道外坡的边坡稳定，导致边坡局部失稳。

北疆供水渠道顶托型破坏发生于降水期，顶托破坏现象的发生主要是由于某一土层或结构体承担的地下水顶托力过高而发生失稳破坏。结合输水渠道特点，其易发部位有：（1）渠道衬砌、防渗体下方排水不畅，而渠道水位大幅度快速下降。（2）排水体出口处排水反滤体排水功能失效或排水功能大幅度下降，排水反滤体承担过大的水头等。

3.4 渗漏-滑坡险情

北疆供水渠道渗漏滑坡险情发展过程包括渗漏—不均匀变形—内外坡拉裂—滑坡，渗漏—渗透破坏—滑坡，渗漏—扬压力顶托—内坡滑坡三大类型。

渗漏—不均匀变形—内外坡拉裂—滑坡险情常见于戈壁滩泥岩段渠道。首先，渠堤产生因不均匀变形的横向裂缝，裂缝处土体抗剪强度丧失，裂缝处集中渗流附加拖曳力成为附加滑动力，导致填方渠堤滑坡溃决。

渗漏-渗透破坏-滑坡险情常发生于平原冲击扇区域无黏性粉土和分散性土渠道。渗透破坏造成的细颗粒大量流失、坡脚掏蚀等破坏，直接破坏渠堤出逸点附近或坡脚土体整体结构，由渠堤下方的坍塌进而引发整体溃决。

渗漏-扬压力顶托-内坡滑坡险情常见于挖方分散性土、膨胀性土渠道水位降低的运行工况下。由于渠基内水外渗且渠槽水位下降产生的卸荷作用，迎水面渠坡下滑力增加。同时具有分散性、膨胀性的渠基土遇水后强度几乎丧失形成流沙态，导致渠坡坡脚首先破坏，进而引起渠坡整体滑塌。

4 结论

北疆供水渠道建成后经过20余年运行，防渗、排水体系均已产生不同程度的老化，渠道运行期渗漏不断加剧，致使险情频发。通过现场调研结合工程运行管理资料分析，梳理北疆供水渠道渗漏险情诱发原因，包括防渗结构破坏、排水体系效率降低、膜后水位变动和渠道不良土质等。

因工程地质跨度大、渠道结构形式复杂、运行工况多变，北疆供水渠道的渗漏险情出险模式和致险机理复杂。将工程沿线典型频发险情划分为不均匀变形、衬砌破坏、裂缝、渗透破坏及滑坡等类型，针对不同险情类型和致险机理进行了梳理分析，为工程管理和处置提供了支撑。