寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用

摘要

本发明涉及寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用，以寒区膨胀土渠道的通水、停水时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为湿润期、干燥期；以地表温度正温、负温时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为融化期、冻结期；以寒区膨胀土渠道的一次完整的通水、停水为一个周期，将寒区膨胀土渠道的湿润期、干燥期、融化期、冻结期在同一时间线上表示，基于时间线上一个周期内各个时期的湿干冻融交叉耦合状态，进行试样试验。本发明从渠道每年实际经历的通停水及冻融过程出发，提出从湿干冻融耦合作用的角度出发研究寒区膨胀土渠道的劣化破坏过程，为全面揭示复杂环境作用下膨胀土渠道的劣化破坏机理提供了新的研究思路。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用。

背景技术

输水渠道是长距离调水工程的主要输水建筑物。我国拥有各类输水渠道450万km，然而渠系水利用系数仅约53%，即有将近一半的水在输送过程中损失掉了。渠道渗漏的主要原因是渠道结构破坏造成的防渗能力降低。我国季节性冻土占国土面积的53.5%，造成季冻区渠道结构损毁的主要原因是渠基膨胀土的冻胀和融沉作用，占渠道破坏总量的40%以上，严重影响了渠道的正常运行。

冻害是造成气候寒冷地区渠道损毁的主要原因。当土的温度低于0℃时，土中部分水冻结成冰，引起土体体积膨胀，这就是土的“冻胀”。而当气温升高时，由于土中冰的融化，造成土体结构的破坏和强度的急剧减弱，使土体在自重下就产生下沉，即通常所指的“融沉”。长距离输水渠道一般采用混凝土衬砌做表面防护层，不管是渠基膨胀土的冻胀还是融沉，渠道衬砌如果不能适应这种变形，就会产生结构破坏，并进一步造成渠水的长期入渗，加速渠道的劣化损毁。

长距离输水渠道是线性工程，经常会不可避免的穿越膨胀土地区，膨胀土是一种以粘土矿物为主，对环境湿、热变化非常敏感的高塑性粘土。膨胀土在在我国新疆、甘肃、云南、广西、河南、吉林等20几个省份有分布，面积超过10万km²。众多学者的研究表明膨胀土具有裂隙性、胀缩性、强度衰减性、超固结性等，由于其性质差，改良难，被称之为工程界的典型“问题土”。

渠道输水工程实践表明，寒冷地区的膨胀土渠道破坏异常严重。相比较于非冻土地区的膨胀土渠道工程，寒冷地区的膨胀土渠道工程破坏更加严重，例如，北疆供水工程总干渠位于新疆阿勒泰地区，总长133公里，其中膨胀泥岩集中出露段43公里，该地区冬季极端低温达-40℃，最大冻土深度达2.0m。总干渠2000年建成通水运行，2001年发生了8处滑坡，总长度397米；而到了2014年发生了27处滑坡，总长度3537米；截止到2017年底，总干渠已累计滑坡28.5公里。为此，相关单位每年都要耗费大量的人力、物力进行维修，每年维修费用都在5000万元以上，而且浪费了宝贵的渠道输水时间，总干渠设计年输水时间是180天/年，而实际只能运行约130天/年。

因此寒区膨胀土输水渠道工程劣化机理的研究和工程技术措施的研发具有重要意义。目前国内外学者对粘土等普通土体的冻融特性开展了非常多的研究，对膨胀土的研究则集中在干湿循环作用后膨胀土裂隙发展和物理力学特性的变化。而近些年伴随着寒区工程的大量建设，对膨胀土冻融作用的研究，逐渐受到学者们的重视。渠道作为输水建筑物，受水分的影响最为直接和长期，冻融和干湿本质都是由于水分的多少或形态的变化引起的工程问题，因此，从干湿和冻融耦合的角度研究寒区膨胀土渠道的问题应该是最为有效的方法，然而目前还没有看到针对实际工程中寒区膨胀土渠道所经历的状态变化，进行湿干冻融过程的详细研究和分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法，基于湿干冻融耦合研究寒区膨胀土渠道劣化破坏成因，包括如下步骤：

以寒区膨胀土渠道的通水、停水时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为湿润期、干燥期；

以地表温度正温、负温时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为融化期、冻结期；

以寒区膨胀土渠道的一次完整的通水、停水为一个周期，将寒区膨胀土渠道的湿润期、干燥期、融化期、冻结期在同一时间线上表示，基于时间线上一个周期内各个时期的湿干冻融交叉耦合状态，进行试样试验。

作为本发明的进一步改进，基于已定节点划分的时期，对交叉耦合时期进行简化，简化方法如下：

将一个周期内，渠道第一次通水开始的时间记为W1，渠道第一次停水开始的时间记为D1，地表气温第一次由+0℃变为-0℃的时间记为F1，地表气温第一次由-0℃变为+0℃的时间记为T1；

W1至D1的期间湿润期主导，为渠道的湿润阶段；D1至F1期间干燥期主导，为渠道的干燥阶段；F1至T1期间冻结期主导，为渠道的冻结阶段；T1至W1期间融化期主导，为渠道的融化阶段。

本发明的另一目的在于提供上述方法在室内单元试验中的应用，室内单元试验的过程如下：

（1）制备膨胀土试样；

（2）根据已划分的简化阶段，对膨胀土试样进行湿润阶段、干燥阶段、冻结阶段和融化阶段的湿干冻融模拟；

（3）分析膨胀土试样表面和内部裂隙变化；

（4）测定膨胀土试样的力学性能变化。

所述步骤（1）中，试样制备方式如下：

测定过筛土的初始含水率，按试验目标含水率和目标干密度制备称取相应质量的水和土；

水以喷雾形式加入土样中，密封闷料使土样内部水分均匀；

将土料一次性倒入涂有凡士林的模具中，两头压实以制取目标试样，用保鲜膜包裹模具以防止水分蒸发。两头压实的制取方式具体为：将试样置于模具中，上下两端同时施压，完成一次成型两头压实制样。

所述步骤（2）中，在模拟湿干冻融过程时，对试样采用单向环境边界加载，试样仅上表面接触模拟环境。进一步的，选择含水率w作为湿干冻融过程中的控制指标；

湿干冻融过程中边界条件如下：

以初始含水率w₀为渠基膨胀土初始压实状态，湿润阶段结束时刻为饱和含水率w_sat，以含水率0.7w_sat为干燥阶段结束含水率；冻结阶段-20℃，持续24h结束；融化阶段20℃，持续36h结束。

所述步骤（3）中，试样表面和内部裂隙通过数字图像处理获取；

表面裂隙采用相机直接拍摄获取；

内部裂隙通过CT扫描获取，处理步骤如下：

①CT扫描获取切片图片，删除顶部和底部各一张切片，将其余切片裁剪后转化为8位灰度图像；

②基于步骤①获取的切片图像，构建全部图像的整体灰度直方图；

③从整体灰度直方图中随机选取k个灰度值作为k个聚类中心；对剩余各灰度值按欧式长度计算其到各聚类中心的长度，形成新的聚类中心；

④将新获得的聚类中心带入K均值聚类函数至函数D收敛，停止迭代；

⑤计算④中聚类中心对应的整体裂隙网络连通度，获取最小连通性所对应的阈值；

⑥采用步骤⑤确定的阈值对试样各切片图像进行二值化分割，最终得到各单张切片的裂隙分布。

进一步的，对分割后的图像进行三维重建，采用3D细化算法对三维重建后的裂隙网格进行骨架化处理，提取其裂隙中心轴主干，同时对裂隙分支长度、节点位置和死端点位置进行统计；

定义两端节点间实际分支长度与空间直线距离的比值作为描述裂隙连通度的指标，记为弯曲度t，计算公式为：其中l₁为某分支两端节点间裂隙的实际长度，l₂为两端节点间空间直线距离。

本发明还提供了上述方法在土工离心模型试验中的应用，包括如下步骤：

①确定相似率N；

②基于相似率N计算模型渠道尺寸，模型渠道尺寸为n/N，其中n为原型渠道尺寸；

③计算模型试验中湿干冻融各过程的持续时间，持续时间为M/N²；其中M为各阶段实际持续时间；

④采用锤击法将膨胀土分层击入模型箱内，击实过程中将孔隙水压力传感器、位移传感器以及连续温度传感器埋设在预定位置；

⑤按照步骤③计算的时间，依次实施湿干冻融过程。

本发明针对寒冷地区的膨胀土输水渠道破坏异常严重的问题，从渠道每年实际经历的通停水及冻融过程出发，提出从湿干冻融耦合作用的角度出发研究揭示寒区膨胀土渠道的劣化破坏过程，并提出湿润-干燥-冻结-融化的状态划分方法和室内试验研究时的简化模拟方法。本发明的方法为全面揭示复杂环境作用下膨胀土渠道的劣化破坏机理提供了新的研究思路。

附图说明

图1是北疆供水总干渠所经历的湿润和干燥状态分析；

图2是北疆供水总干渠所经历的冻结和融化状态分析；

图3是北疆供水总干渠所经历的复杂交叉耦合循环全过程；

图4是北疆供水总干渠所经历的湿-干-冻-融的连续状态变化过程，其中气温资料和通停水时间由额河建管局顶山气象站提供；

图5是北疆供水总干渠的简化湿干冻融循环过程；

图6是实施例3所述制样装置的结构示意图；

图7为实施例3所述的单向环境边界加载装置；

图8为湿干冻融耦合循环过程边界设置；

图9为单元试样表面裂隙采集装置示意图；

图10为单元三维裂隙处理方法及定量化处理步骤；

图11为基于灰度直方图的聚类法裂隙图像最佳阈值选取流程图；

图12为裂隙骨架化及数据提取示意图；

图13为超重力场自动供排水系统结构示意图；

图14为超重力场烘干排湿系统结构示意图；

图15为超重力场下膨胀土渠道干湿冻融耦合循环系统整体结构示意图；

图16为膨胀土渠道干湿冻融离心模型试验的典型测点布置图；（a）测点布置剖面图，（b）测点布置平面图。

具体实施方式

实施例以北疆供水工程总干渠为例，对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例说明寒区膨胀土渠道工程每年经受的湿干冻融过程分析

（1）以寒区膨胀土渠道的通水、停水时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为湿润期、干燥期；

寒区输水渠道绝大部分为冬季不供水渠道，一般在春季通水，秋季停水，以北疆供水工程总干渠在2014年和2015年的通停水时间为例进行详细分析。2014年4月25日，总干渠开始通水，9月14日，总干渠开始停水；2015年4月23日，总干渠开始通水，9月13日，总干渠开始停水；16年4月28日，总干渠开始通水。具体的通停水时间如图1所示。

总干渠渠道在每年的4月下旬开始通水后，渠水入渗，渠基膨胀土含水率升高，渠道处于湿润状态；每年的9月中旬，渠道开始停水，渠身内的水回渗，并经渠底排渗系统将渠基膨胀土内的渗流水排出，渠道处于变干的非饱和状态，如图1所示。如此反复，渠道每年经历通水和停水，从岩土工程的角度出发，相当于土体经历反复的湿润和干燥循环过程，这里讲的湿润是指土体变湿润的过程以及处于湿润的状态，所讲的干燥是指土体变干的过程以及处于干燥的状态。

（2）以地表温度正温、负温时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为融化期、冻结期；

寒区输水渠道绝大部分为冬季不供水渠道，而冬季气温降为负温后，渠基膨胀土会长期处于冻结状态；春天来临，气温升高，渠基膨胀土处于融化状态。仍以北疆供水总干渠为例说明，根据顶山气象站提供的气象资料，2014年11月11日地表气温开始由正温变负温，即气温达到0℃，渠基膨胀土开始冻结，之后在冻深范围内的土体会一直处于冻结状态，直到2015年3月21日，地表气温又由负温转变为正温，土体处于融化状态，如图2所示。需要说明的是此处讲的冻结是指土体冻结的过程以及处于冻结的状态，所讲的融化是指渠基膨胀土融化的过程以及融化后的状态。

（3）以寒区膨胀土渠道的一次完整的通水、停水为一个周期，将寒区膨胀土渠道的湿润期、干燥期、融化期、冻结期在同一时间线上表示，基于时间线上一个周期内各个时期的湿干冻融交叉耦合状态，进行试样试验。

上述分析表明，如果以膨胀土渠道的通水开始时间和停水开始时间为节点，可以将渠道分别视为湿润期和干燥期；如果以地表气温的正温变负温时间和负温变正温时间为节点，又可以分别将渠道视为冻结期和融化期。将上述的渠道在一年四季中所经历的湿润期、干燥期、冻结期、融化期在一张图中表示如图3。可以看出，渠道每年经受“干”中有“冻”、“融”中有“湿”的交叉耦合的复杂过程。

实施例2

本实施例说明寒区膨胀土渠道湿干冻融过程的简化分析方法

由于交叉耦合过程复杂，在单元试验、模型试验或数值模拟中，都很难完全再现，因此本发明经对实际耦合过程的研究，对交叉耦合过程进行了简化。

从图3中分析，渠道从2014年的4月25日通水至9月14日的停水时间段内，渠身都是处于湿润的状态。而在9月14日停水之后，渠身土体在渠底纵横向排水体系的作用下，开始变干进入干燥状态，这种干燥的状态，理论上讲一直持续到2015年的4月23日再次通水为止，但是由于在2014年11月11日之后，气温开始降低到0℃以下，渠基膨胀土体开始进入冻结状态，尽管土体在冻结状态时，冰态水也会直接升华，造成土体干燥，然而这个过程非常缓慢，加之渠道有衬砌板覆盖，相对于通过渠底纵横向排水体系的液态水抽排过程而言，固态冰的升华干燥过程很小，因此，可以简化认为从2014年9月14日停水开始，至11月11日土体结冰之前，是以干燥为主的状态。

渠道从2014年11月11日，气温由正温降为0℃开始，至2015年3月21日，气温由负温升至0℃为止，此时间段内，渠身土体处于冻结状态。而2015年3月21日～11月17日，渠道土体都是处于融化的过程和融土的状态，根据对北疆供水干渠现场气温的监测和水分的监测，发现至2015年4月23日，渠道开始通水时，渠身土体的融化过程已经完成，因此，可以认为2015年3月21日～4月23日主要是渠身土体的融化状态，而2015年4月23日～9月13日则是渠道新的湿润状态。据此，可以认为在一年之中，渠道所受的复杂交叉耦合的湿润、干燥、冻结、融化的过程完全可以简化为湿-干-冻-融的连续状态变化过程，见下图4。

据此，对寒冷地区的冬季不供水渠道，可以按照如下如下方法，将一年中渠道所经历的状态划分为湿润-干燥-冻结-融化四个过程。（1）渠道历年的通、停水时间基本相对稳定，通水时间基本在4月下旬，停水时间在9月中旬；（2）将渠道第一次通水开始的时间记为W1，渠道第一次停水开始的时间记为D1，地表气温第一次由+0℃变为-0℃的时间记为F1，地表气温第一次由-0℃变为+0℃即达到0℃的时间记为T1；（3）W1至D1的时间间隔为渠道的湿润阶段，D1至F1的时间间隔为渠道的干燥阶段，F1至T1为渠道的冻结阶段，T1至W1为渠道的融化阶段；（4）渠道所经历的湿干冻融循环以一年为一个周期，W1D1F1T1为第一个周期的湿干冻融，简记为WDFT₁，W2D2F2T2为第二个周期的湿干冻融，简记为WDFT₂，第N个周期的湿干冻融，简记为WDFT_n。

实施例3

本实施例说明基于寒区膨胀土渠道湿干冻融过程简化分析方法的室内单元试验应用

寒区膨胀土渠道主要的破坏为边坡失稳滑坡，其主要原因在于湿干冻融耦合作用造成的土体开裂对其力学特性的弱化，体现在土体裂隙的发展，可以通过单元裂隙试验获得。下面以单元裂隙试验为基础，对湿干冻融过程简化分析方法在试验中的应用进行说明。

（1）“一次成型两头压实”的制样方法

在进行单元土体的裂隙试验前，需要对试样进行预处理，其中试样的制作尤为关键。常规的分层压实制样方法容易存在“层间薄弱带”，当试样经历干湿或冻融过程后，裂隙会首先在层间薄弱带处生成并向试样内部扩展，导致其裂隙的发生规律和天然土体自然状态下裂隙的发育有较大差异。经反复试验研究，本发明设计了“一次成型两头压实”的制样方法，制得试样的初始损伤小，可以实现预定干密度试样的准确制取，试样均匀性高，并且对后续试样裂隙的形成干扰小。该方法为将试样置于模具中，上下两端同时施压，完成一次成型两头压实制样。

主要步骤为：

①首先测定过筛土的初始含水率，按试验目标含水率和目标干密度（例如，w_opt和ρ_dmax）制备称取相应质量的水和土；

②采用喷雾法均匀的将水加入土样中，密封闷料24h使土样内部水分均匀；

③将土料一次性倒入涂有凡士林的模具中，采用两头压实法制取目标试样，用保鲜膜包裹模具以防止水分蒸发。

一次成型的制样装置如图6所示。包括试样1、压头2、传力杆3和反力架4，制作模具中容纳试样1，试样1顶部与底部的两个压头2及传力杆3在电动马达的带动下以相同速度向试样中心顶进，以目标试样高度控制顶进距离，最终实现试样1的一次成型。压头2为可拆卸压头，可根据目标试样直径更换对应尺寸的压头2，便于进行多个常用尺寸试样的制作。传力杆3为可变速率传力杆。根据上述方法和装置制得的单元试样尺寸为直径为200mm、高度为105mm，该尺寸的试样经试验发现，可以较好的反映裂隙的发生和发展过程。

（2）单向环境边界加载装置

由于现场渠基膨胀土在经历湿干冻融循环作用时裂隙呈现出由表层向深部发育的过程，因此室内单元裂隙试验边界应为单向施加，即仅使试样上表面受边界影响。为此，本发明提供了一种可用于单向环境边界的加载装置，如图7所示，包括有机玻璃材质的模具2和隔热层，隔热层设置于模具2周围及底部，使试样1仅上表面与环境接触，本发明采用隔热海绵、玻璃棉和隔热板形成三道隔热层，第一道隔热层3直接接触模具，为厚度为50mm的隔热海绵，用箍圈及胶水进行固定；第三道隔热层5为底部和侧壁均设置厚度为150mm的隔热板的隔热箱；在隔热海绵与隔热板间填充玻璃棉作为第二道隔热层4，以确保模具四壁和底部的隔热。试验表明，该装置可以很好的实施单向边界的施加，即温度边界只能通过模具上方和大气进行热交换，可以较真实的模拟现场的情况。

（3）“湿”“干”“冻”“融”各个过程的实现方法

对单元土体湿干冻融过程的模拟，需要选择合适的指标。前述分析已表明，土体的含水率(w)受湿干冻融耦合循环过程影响最为明显，且容易通过试验获取，故选择含水率(w)作为湿干冻融过程中的控制指标。

几个状态的含水率标记如下，初始含水率w₀为渠基膨胀土初始压实状态（一般为w_opt）；湿润阶段结束时刻为饱和含水率w_sat，对应渠道通水后考虑最不利工况下渠基膨胀土的最大含水率状态；临界含水率w_cr表示渠基膨胀土经历干燥阶段后对应的含水率，根据现场实测结果，干燥结束后的临界含水率w_cr宜取为>w_sat；含水率w_f和w_t分别对应渠基膨胀土经历冻结和融化阶段后的含水率。单元试验中一个完整的湿干冻融循环含水率边界见图8。

①“湿”的过程

对于采用两端压实方法制备的初始含水率为w₀的试样，去除包裹的塑料膜后，把含有土样的机玻璃模具在两端用透水石封闭后一同放入饱和缸中，有机玻璃模具为两端可控开口的圆柱形模具，保持上下端敞口。采用常用的抽气饱和法对试样抽气4h，浸泡24h，以确保试样饱和。

②“干”的过程

实际渠道的干燥过程是在不同的温度下完成的，而经过现场测试发现，尽管温度不同，而干燥阶段结束时的含水率是基本相同，w_cr宜取为0.7w_sat，室内单元试验中，采用烘箱模拟这一干燥过程，烘箱温度设置为40℃。试验时将土样连同有机玻璃模具一起放入烘箱中，并采用精度为0.01g的天平测试土样质量的变化，当土样质量刚好达到0.7w_sat时，干燥阶段结束，此时试样的含水率为w_cr。

③“冻”的过程

当试样到达临界含水率w_cr时立刻停止干燥阶段试验，将试样连同有机玻璃模具从烘箱中拿出后放入冻融循环箱中，开始冻结阶段。土体在现场冻结阶段的冻结温度是不同的，但最终都是在冻结阶段结束时，冻深范围内的渠基膨胀土完全冻结，根据北疆供水工程冬季的平均气温为-20℃，因此在室内试验时，采用冻结温度为-20℃，持续24h，可以比较真实的反映土体的冻结过程。

④“融”的过程

融化的过程也是在冻融循环箱中完成，根据现场的融化温度，确定冻融循环箱的融化温度为20℃，融化时间设定为36h，可以较好的完成试样的融化过程。

上述的“湿”、“干”、“冻”、“融”四个过程具体的边界设置见下表1。

表1 室内单元试验中试样的湿干冻融耦合循环边界设置

湿润阶段干燥阶段冻结阶段融化阶段温度/℃室温40-2020时间/h24h至w_cr2436边界施加方式抽气法称重法对试样质量进行监控冻融循环箱冻融循环箱

（4）湿干冻融过程简化分析方法在膨胀土裂隙研究中的应用

裂隙性是膨胀土的重要性质，对膨胀土裂隙性的研究已经很多，然而对膨胀土渠道的研究目前还未有从湿干冻融耦合作用角度出发研究渠基膨胀土的裂隙性的报道，只有对膨胀土的裂隙行进行了准确研究的基础上，才能进一步结合无侧限抗压强度试验、三轴剪切试验等对干湿冻融耦合循环后的膨胀土力学特性开展研究。

采用湿干冻融过程简化分析方法研究膨胀土渠基的裂隙时，单元试验中边界条件的设置仍然如表1所示。采用此方法对单元试样完成湿、干、冻、融的多个循环，在设定的循环后可以观测单元试样的裂隙产生和发展情况。

①表面二维裂隙的获取方法

单元试样表面裂隙的获取方法如下：对于完成既定的湿干冻融循环次数的膨胀土单元试样，采用在试样顶部架设数码相机的方法实现试验全过程试样表面二维裂隙的采集，如图9所示。相机固定高度为50cm，同时为了使得试样表面裂隙清晰，在试样两侧各设置一个白炽灯照明。

②土体内部三维裂隙的获取方法

土体内部三维裂隙的获取是一大难点，可以采用CT扫描系统对不同湿干冻融循环后的试样进行扫描，CT试验机已经是一种较成熟的仪器，在此不再给出仪器装置图。下面主要讲述如何通过CT试验获取裂隙。

CT扫描法获取试样裂隙的方法主要分为图像采集、图像分割、三维重建和定量化分析等步骤，具体操作如图10所示。首先是图像采集，将达到预定循环次数的试样置于CT床规定区域，调整试样位置使试样侧壁与顶部激光相垂直。CT扫描从试样底部开始至顶部停止，由于在扫描过程中常存在探测器扫描工作不一致等原因，易在试样顶部和底部形成环状伪影，影响后期对裂隙定量化处理。因此删除顶部和底部各一张切片。对删减后的CT图片进行裁剪，去除有机玻璃模具对试样的影响。随后试样转化为灰度8 bit图像以方便后续处理，在此基础上对图像采用中值球形滤波法以降低高频噪声。

图像分割是图像处理的重要步骤，分割效果的好坏对后续试样内部裂隙识别的准确率产生直接影响，最终影响造成三维裂隙定量化结果的失真。目前多采用基于灰度直方图的方法自动确定二值的分割阈值，但也限于对单个切片进行分割，在试样整体多张图像进行分割时存在阈值划分不准确的问题。针对这一问题，这里提出采用全局选取结合局部验证两个步骤对试样裂隙分割的阈值进行选取，流程图如图11所示。

具体操作如下：

(i) 对试样所有切片的像素点进行统计并构建基于整体试样的灰度直方图；

(ii) 选择matlab软件中自带的K均值聚类(K-means)函数作为本次最佳阈值选取流程中的聚类准则函数D；

(iii)) 从整体灰度直方图中随机选取k个灰度值作为k个聚类中心，对剩余各灰度值按欧式长度计算其到各聚类中心的长度，形成新的聚类中心；

(iv) 将新获得的聚类中心带入聚类准则函数D中，至函数D收敛，停止迭代；

(v) 考虑到结构连通性对图像噪声较为敏感，计算(iv)中聚类中心对应的整体裂隙网络连通度，得到的最小连通性所对应的阈值即为适合试样所有切片的阈值参数。

采用imageJ中的3D viewer 插件对CT扫描后的图像进行三维重构，通过三维重构后试样与实物图进行对比，验证三维重建方法的准确性。采用最佳阈值选取步骤确定的最佳阈值对试样各切片图像进行二值化分割，最终得到各单张切片的裂隙分布，如图10所示。再次采用imageJ中的3D viewer 插件对分割后的裂隙图像进行三维重构(图10，其中白色为重构后的裂隙，黑色为试样底座)。通过重构后的裂隙网络，可以直接计算裂隙的总体积、总裂隙密度及裂隙所对应的深度。同时采用meshlab软件生成满足精度要求的裂隙表面三角形单元网格，通过顺序计数法计算出其表面积。

骨架是图像几何形态学中一种重要的拓扑描述，对原始图像进行骨架化处理，可以在保持图像重要拓扑特征(连通性、拓扑、长度及方向)的前提下，减少图像中的冗余信息对最终分析结果的影响。采用3D 细化算法对三维重建后的裂隙网络进行骨架化处理，提取其裂隙中心轴主干(图12b)，同时对裂隙分支长度、节点位置和死端点位置进行统计(图12c)。参考连通性原理，定义两端节点间实际分支长度与空间直线距离的比值(图12d)作为描述裂隙连通度的指标，记为弯曲度t，计算公式如(1)所示：

（1）

其中l₁为某分支两端节点间裂隙的实际长度，l₂为两端节点间空间直线距离。

在对单元试样的裂隙特征获取完毕后，就可以开展不同湿干冻融循环后的无侧限抗压强度试验、三轴剪切试验等，从而全面明晰湿干冻融耦合作用下裂隙性对渠基膨胀土力学特性的影响。这里主要提出的即是完成这些单元试验需要遵循的湿干冻融耦合边界条件。

实施例4

本实施例具体说明寒区膨胀土渠道湿干冻融过程简化分析方法在土工离心模型试验中的应用

寒区膨胀土渠道的工程运行表明，滑坡仍然是主要破坏形式，其原因归根结底在于湿干冻融作用造成的渠基膨胀土裂隙性以及由此引起的土体力学特性的弱化。按照上述的湿干冻融的边界条件设置，进行单元试验可以揭示裂隙的发生发展规律以及力学特性的变化，而要更深刻的研究寒区膨胀土渠道的劣化破坏过程，则需要借助大型土工离心模型试验。土工离心模型试验是拥有“应力全等型”的物理模拟技术，对于一定模型率的模型，通过离心加速度可达到模型与原型的应力相等，而在研究渗流、热扩散问题时具有“缩时效应”。

（1）可模拟渠道湿干冻融耦合作用的离心模型试验装置

现有离心模拟实验装置大都模拟冻融循环，对干燥和湿润状态的实现是在离心机停机时自然风干和人工加水完成，造成应力水平和时间尺度的不连续。本发明在可视化冻融模型箱的基础上，增加用于供水、排水的水路控制装置，以及超重力烘干排湿装置，实现在不停机的情况下可以连续完成湿干冻融的循环过程。

如图13~15所示，本发明的装置包括离心机、模型箱1、计算机控制系统，所述模型箱1内放置膨胀土渠道模型2，模型箱处设有烘干排湿装置，包括烘干装置3、热交换装置4、排水装置和储水箱；

所述烘干装置3设置于渠道模型2上方，其组成包括一个或多个串联的金属陶瓷发热片。用于加热渠道模型；烘干装置3对应的模型箱内表面外侧设有热交换装置4；如图15所示，还包括可调节网架31和导轨32，所述可调节网架31设置于烘干装置3上方，导轨32设置于模型箱1内表面，可调节网架31为三段结构，包括依次连接的调节段、水平段和垂直段，调节段、水平段和垂直段间的连接为可旋转连接，垂直段末端连接导轨32，沿导轨32移动；可调节网架31的垂直段末端沿导轨32移动，使得垂直段首端高度垂直变化，带动水平段和调节段移动，改变调节段倾斜角度，实现调坡。

所述排水装置包括排水孔52和导水板51；所述储水箱包括模型箱1内部的内置储水箱62和设置于模型箱1外部的外置储水箱61；模型箱1上端内表面设置排水孔52和内置储水箱62，模型箱1下端内表面设置导水板51，导水板51通过导水管道连接外置储水箱61。

所述外置储水箱61为挂式储水箱，与模型箱1外表面连接。

如图14所示，所述外置储水箱61通过供水管路7连接水路控制装置74，所述水路控制装置74包括虹吸装置71，水泵72和电磁阀73，电磁阀73连接水泵72，控制水泵72启停，通过水泵72控制供水管路7通水或排水；所述虹吸装置71设置于供水管路7上。水路控制装置结合烘干排水装置可实现超重力场下渠道内快速通水或排水，以及渠基内的水位调节。

如图13、14所示，所述模型箱1外侧设有透明窗口，所述透明窗口外侧安装摄像装置8和离心机光源，用于摄像。本发明中采用PIV系统摄像。

所述渠道模型内设置孔隙水压力传感器、位移传感器以及连续温度传感器，用于实时监测模型内的饱和状态、渠道变形以及温度。

所述离心机上设有模块接口9，连接计算机控制系统的控制模块；包括烘干装置的温度控制模块91、传感器数据采集模块92和摄像控制及图像采集模块93。传感器数据采集模块采集传感器数据，摄像控制及图像采集模块获取摄像数据。

（2）寒区膨胀土渠道湿干冻融过程简化分析方法在离心模型试验中的应用

①离心模型试验湿干冻融过程的统一比尺关系

在模型试验中，模型与原型除了保持几何相似以外，还应当保持应力和应变相似，这样试验完成之后才能通过相似比尺得出原型实际的应力、应变、位移等物理量的值，离心模型试验已经有一套相对成熟的比尺关系。在离心机中开展湿干冻融循环是个非常复杂的过程，超重力场作用下湿润、干燥、冻结、融化四个过程的比尺关系尤为重要。

基于离心模型试验的基本原理，以土体热扩散效应、未冻水迁移、融沉固结等过程为基础，采用Butterfield量纲分析法，对“冻融”和“干湿”的过程分别进行了时间比尺的系列推导，所推导的结果为t=N²，其中N是相似率，为原型尺寸/模型尺寸，因此，在离心模型试验中，“湿”、“干”、“冻”、“融”都遵循了相同的比尺关系，在离心模型试验中可以在很短的时间内模拟实际渠道长期的湿干冻融循环过程。

为了验证上述所推导的比尺关系在整个连续的湿干冻融过程中的正确性采用“模型的模拟”（Modelling of models），开展了不同比尺N下膨胀土渠道边坡的离心模型试验，N分别取为20，30，50，试验结果表明不同比尺下膨胀土渠道的变形和应力都表现出很好的一致性，从而证明超重力场下湿干冻融的整个过程中t=N²的比尺关系是统一的、正确的。具体如何开展湿干冻融下膨胀土渠道的离心模型试验见下面详述。

②寒区膨胀土渠道湿干冻融离心模型试验方法

（a）确定相似率N

相似率是指在土工离心模型试验中所模拟原型物体尺寸与模型尺寸的比尺，例如，如果所模拟的原型膨胀土渠道渠深为5米，边坡比为1:2，如果相似率N取为50，则离心模型试验中，模型渠道的渠深则为5/50米=0.1米，如果相似率N取为20，则离心模型试验中，模型渠道的渠深则为5/20米=0.25米。一般来讲，模型N应根据模型箱的大小合理取值，N越大，所模拟原型越大，而精度会变差，因此在选择模型率N时，应在模型箱允许的范围内，尽量选择N的较小值，以提高模型试验的准确性。

（b）计算模型渠道尺寸

假设原型渠道尺寸为H，则模型渠道尺寸h=H/N，据此，计算模型渠道的渠深、渠底宽度、水位等尺寸。

（c）计算模型试验中湿干冻融各过程的时间

首先计算实际膨胀土渠道“湿”、“干”、“冻”、“融”各个阶段所经历的时间长短。仍以上述北疆供水总干渠为例，2014年至2015年的一个完整湿干冻融循环周期中，“湿”为141天，“干”为58天，“冻”为131天，“融”为35天。假设某个阶段的持续时间为M，则在离心模型试验中，该对应时间段的持续时间m=M/N²，其中N为相似率，采用该方法计算“湿”、“干”、“冻”、“融”各个阶段在模型试验中的具体时间，例如，如果将模型率N取为50，则上述北疆供水渠道在离心模型试验中各个阶段持续的时间分别为：“湿”为81.2min，“干”为33.4min，“冻”为75.4min，“融”为20.2min，其中，min为分钟。

（d）渠道模型的制作和传感器的埋设

根据室内击实试验的结果得到的最优含水率w_opt和最大干密度ρ_d,max，在离心模型试验专用模型箱内按照所获得的上述最优值，采用锤击法将膨胀土分层击入模型箱内，层与层之间应拉毛，在击实的过程中，应将不同类型的传感器按照预定的位置埋设好，同时，击实的过程中，应注意取样测试干密度和最优含水率是否得到要求。渠道湿干冻融离心模型试验中，需要布设孔隙水压力传感器、位移传感器以及连续温度传感器，用以对模型内的饱和状态、渠道变形以及温度实时监测，用以研究渠道的劣化过程。典型的传感器布置图见图16，其中，含水率测点是在试验结束后，取土样进行含水率的测试，而强度测点是在试验结束后，采用微型十字板剪切仪进行试验获得。

（e）“湿”、“干”、“冻”、“融”各个过程的实现方法

上述渠道模型在模型箱中制备完成后，将模型箱放置于离心机吊篮中，开启离心机，使离心机达到设定的离心加速度。以下都以上述北疆供水工程的离心模型试验为例，设定模型率N取为50时，则对应的离心加速度即为50g。当离心机达到50g时，开启储水箱进水电磁阀门，使水流入模型土体内达到设定的水位深度，整个湿润的过程按照上述计算应取为“湿”为81.2min。“湿”的过程完成后，关闭储水箱进水电磁阀门，打开模型箱排水孔阀门，使渠道内的水排出后，开启烘干装置，设定烘干温度为40℃（和单元试验一致），保持烘干33.4min，以完成“干”的过程。之后，关闭烘干装置，开启半导体热交换装置的制冷模式，将温度设定为-20℃（和单元试验一致），保持制冷75.4min，以完成“冻”的过程。之后将半导体热交换装置切换为制热模式，将温度设定为20℃（和单元试验一致），保持制热20.2min分钟，之后关闭热交换装置。至此，一个完整周期的湿干冻融循环完成。在湿干冻融的过程中，通过图像采集系统实时摄像膨胀土渠道表面的裂隙发展情况，以便于试验结束后采用PIV技术分析湿干冻融过程中渠道裂隙的生成和演化规律。后续的湿干冻融循环也是在不停机的状态下，重复上述的四个过程，直至完成需要的湿干冻融循环的次数。

通过上述方法完成湿干冻融的单元试验和离心模型试验后，两者相结合即可以全面揭示湿干冻融下寒区膨胀土渠道的劣化破坏过程和机理，从而为寒区膨胀土渠道的处治技术提供理论支撑。