摘要：介绍了正在开展的南水北调中线引江济汉工程膨胀土渠坡快速分级判定及现场监测试验工作。分析了基于未确知均值聚类理论根据多项分级指标综合判定单一土样膨胀潜势的方法，选取土样野外判别因子，根据单样品分级方法评价结果，反分析各因子分级敏感度及分级权重程度，建立膨胀土野外快速判定多因子权重专家打分系统。提出了对渠道断面整体膨胀潜势进行分级的厚度分层统计分析法。探讨了渠坡膨胀的含水量、基质吸力、土压力及侧向变形的现场监测及设计方案。
        关键词：引江济汉工程，膨胀土，分级评判，现场监测设计

Study on the swelling potential classification and on-site monitoring design of expansive soil for the Yangtze River-Hanjiang River Water Transfer Project
        Abstract: This paper described the ongoing study on swelling potential classification and on-site monitoring design of expansive soil for the Yangtze River-Hanjiang River Water Transfer Project.Based on the unascertained average clustering method, a classification model of expansive soil was established.According to the above established classification method, several selected field discriminating factor are evaluated in terms of grade weight level and an incorporated expert multi-factor scoring system are then set up. A novel layer thickness statistical analysis was proposed to classify the overall swelling potential of expansive soil channel section. The in situ monitoring of water content, suction, pressure and lateral deformation of expansive soil slope and corresponding design work were finally discussed.
        Key words: the Yangtze River-Hanjiang River Water Transfer Project, expansive soil, classification of expansion, in-situ monitoring design

        1 引言
　　膨胀土主要是强亲水性粘土矿物，如蒙脱石、伊利石组成的一种具有膨胀结构、多裂隙性、以及强度衰减的高塑性粘性土，是一种典型的非饱和土和灾害土[1-3]。迄今为止，广大科研和工程技术人员就膨胀土矿物组分，宏微观结构，胀缩变形特性以及物理力学性质开展了一系列卓有价值的理论研究[4-7]，在膨胀土工程处理技术方法上积累了丰富的资料。尽管如此，由于膨胀土分布的区域多样性，以及各行各业对膨胀土研究侧重点的差异，目前国家没有出台相关可有效指导膨胀土地区工程施工的规范和标准。
　　引江济汉工程输水渠道中段为岗波状平原地貌，属长江、汉江二级阶地，为膨胀土分布区。随着膨胀土渠道施工开挖，发现前期勘察阶段对于膨胀土的分类等级难于符合土层实际膨胀性状表现，指导施工的可操作性不强。结合渠坡膨胀土特殊“呈层分布”特点，在前期地质勘查及试验分析的基础上，深入开展引江济汉工程膨胀土的膨胀潜势分级及现场原位监测试验工作是必要的。通过开挖断面的整体膨胀潜势统计模型及膨胀土渠段进行不同工况模拟的大型监测设计方案，以期为南水北调膨胀土性质研究、治理设计提供有益的参考。

        2 膨胀土膨胀潜势野外快速判别方法
　　在渠道施工过程中，对开挖的新鲜面，在野外现场能快速、精确对边坡土体是否具备膨胀性，以及膨胀潜势的等级进行初判，可为后续施工方法的调整及断面支护方法提供科学的依据。
 

2.1 速判因子及评分系统
　　不同膨胀等级的土体，因沉积过程及内部粘土矿物成分、含量、颗粒单元连接排列的不同，在宏观上均表现出独特的结构性和外观性差异。这些特征大都可以通过先期资料与现场勘察直观感受，这些独特的表观特征，是形成膨胀土野外速判因子选择的基础。
　　根据研究区膨胀土特征野外素描，选取：地层岩性、土体颜色、裂隙结构特征及充填物成分、结核物含量及分布、土体孔隙性等因子作为土体膨胀性以及膨胀潜势的野外快速判别依据。同时将膨胀性土的上述判别因子进行亚类划分，对不同级别的指标分别赋予相应的权重分。
　　对于判别指标体系的权重而言，现在常用的方法有专家打分法、模糊数学法、逻辑回归方程法等。对于例如专家打分法等定性方法而言，其权重的确定根据专家的不同，结果往往有较大的差异，存在一定的随机性；因此，本工程采用基于非线性多元统计学原理的定量方法来对评价指标权重进行确定，以此建立野外土体现场观察特征与该土体实际是否属膨胀土或膨胀潜势之间的关系，从而保证野外快速判定结果的可靠性。

        2.2 单个土样膨胀潜势未确知均值聚类分析模型
　　为使评价指标体系正确合理，在某一研究段内取已开挖渠道断面上各层土体的土样若干，测定相应关键性分级指标，通过数学分析方法确定其膨胀等级，并以室内试验结果为基础，建立土体野外表观特征与其实际膨胀潜势的理论关系。
        对200m渠道段的一岸进行取样：沿渠道走向取样间隔20米一组（合计10组）；在每组取样点断面处，沿垂直方向，每层土体（根据地质素描成果，试验段边坡断面土体多分为4层土体）在垂直方向的不同部位再取样3组，也即每个断面点共取样12组；最后整个渠道范围内拟取样10×12=120组。
　　在野外取样的同时，对取样点各层膨胀土按照之前拟定的判别指标体系进行全面编录，做到使每个样品均有相应的详细野外性状描述；再根据其后由实验得到的每个样品的膨胀潜势，从而构建土体野外判别因子与其膨胀潜势之间的对应关系，进而作为判别指标定量化研究的基础。
 

2.2.1膨胀土室内试验关键性分级评价指标选择
　　膨胀土分类应抓住决定其膨胀潜势固有属性特征，其中粘土矿物成分及含量，矿物水化活性能力是决定性因素。基于这一原则，遵循简单易行的分类要求，采用以下指标作为单个膨胀土样胀缩等级分类的参考指标：（1）自由膨胀率；(2)塑性指数；（3）胶粒含量；（4）85%相对湿度下吸湿含水率W85；（5）粘土矿物成分含量。
　　其中吸湿含水率W85作为分级指标的意义为：在中等相对湿度环境下，粘土矿物与气态水分子的相互作用主要由发生在矿物与水介质界面上的小范围微观理化机制控制，主要作用形式包括氢键链接，水分子偶极子电场极化效应，范德华力，可交换阳离子水合效应等，粘土矿物与水分子在中湿度下的这些物理化学作用机制均体现在其吸附水汽总量的直观表现上，并深刻反应出粘土矿物表面和层间水化活性特征，从而能较好反应出其亲水性，持水性和分散膨胀性能。
 

2.2.2 采用未确知均值聚类分析模型对单一土样膨胀性分级
　　上述五项指标可作为膨胀土分级的关键性指标，均在某一个角度反映了土样膨胀潜势的内在本质，但若选用单指标或少数几个指标进行评判的传统方法，则往往容易出现各指标之间得出的评价结果互相矛盾，难以取舍，有很大的局限性和片面性。膨胀土胀缩性等级分类的难点在于许多因素的不确定性，如何将这些不确定的信息考虑在内并进行分析，未确知数学理论提供了一种比较好的途径，基于未确知测度评价模型的理论和思想，建立起膨胀土等级判定的未确知均值聚类分析