土工合成材料在南水北调膨胀岩渠坡加固中的应用

2009-03-05龚壁卫

长江科学院院报 2009年11期

龚壁卫，童军

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 概述

南水北调工程是目前我国乃至世界最宏伟的调水工程之一，中线工程总干渠将跨越我国长江、黄河、淮河、海河等多个流域，以及从南往北不同的气候带和地质结构。干渠沿线存在着诸如膨胀土、黄土、砂土等特殊性质的岩土所产生的工程地质问题，其中，有数百公里渠段将穿越膨胀土（岩）地区，这些渠段的断面设计以及相应的工程处理措施，一直是工程技术人员所关注的问题。

根据初步设计报告［1］，中线一期工程总干渠沿线地表至渠底板以下5 m范围内分布有膨胀土（岩）的渠段累计长约300余km，主要分布在陶岔北汝河段，辉县新乡段，淇河洪河南，邯郸邢台段，此外颍河及小南河两岸，安阳河北东稻田，沙河，临城，高邑，石家庄等地也有零星分布。

膨胀性土（岩）分布区地貌形态多为丘陵，垄岗和山前冲洪积、坡洪积裙，渠道挖深以小于10 m为主，部分渠段挖深可达10～15 m，局部渠段挖深15～30 m，少数渠段挖深可超过30 m。

上述膨胀性土（岩）渠段中，分布有膨胀岩的渠段长169．7 km，分布有膨胀土的渠段长279．7 km（部分渠段既分布有膨胀土，又分布有膨胀岩）。在膨胀岩渠段中，强膨胀岩渠段长34．2 km，中等膨胀岩渠段长58．73 km，弱膨胀岩渠段长76．79 km；在膨胀土渠段中，强膨胀土渠段长5．69 km，中等膨胀土渠段长103．5 km，弱膨胀土渠段长170．5 km。不同地域膨胀土（岩）的分布、时代、成因等存在一定的差异。

根据总体可研和初步设计阶段的设计方案，膨胀土渠段采用换填非膨胀性黏土方法进行处理，其中，强膨胀土渠段换土厚度为2．0 m，中膨胀土渠段换土厚度为1．5～2．0 m，弱膨胀土换土厚度为1．0 m。这些措施是否合理以及这些设计方案的应用，还存在许多值得探讨的问题。首先，换填非膨胀土是膨胀土地区地基处理的常用措施之一。对于中线工程，大面积的换土需要大量非膨胀土料源，往往运距远、代价高，同时取料将占用大量土地资源，征地费用大，还会引起拆迁以及环境保护、水土流失等多方面问题。第二，膨胀土是一种易受降雨、蒸发、地下水位、沉积历史等自然环境和地质条件影响的特殊土，总干渠沿线地质条件差异较大，自然环境不同，采用单一的处理方式可能难以同时满足不同的地质条件和自然条件的要求。第三，大量的膨胀土挖方作为弃土需要转运、堆放，而这些弃土在短期内很难作为耕地使用，从而增加复耕等环境修复工作，间接提高工程造价。最重要的是，由于目前所采用的设计理论和分析方法，均是针对一般黏性土的分析方法，没有考虑膨胀土特殊性，不尽符合膨胀土边坡破坏的实际情况。因此，换填非膨胀性后，仍然难以从根本上解决膨胀土地段渠道的稳定问题。因此，必须研究更为合理的、替代换土方案的工程处理措施。

2 膨胀土渠道处理原则

膨胀土边坡失稳主要有2种类型：浅层滑动和深层滑动。在实际工程中，浅层滑动较为多见，主要发生在浅层大气影响范围内，并主要受裂隙控制；深层滑动则主要由软弱结构面控制。观测资料显示，膨胀土渠道坡脚部位的位移比坡肩部位的位移大得多，这表明边坡的失稳一般先从坡脚开始发生，然后逐步向上牵引式发展；膨胀土在非饱和状态下的吸力是影响渠坡稳定的重要因素，降雨导致含水量增大和吸力降低，并导致抗剪强度（主要是凝聚力）的衰减，这是浅层滑坡的重要原因之一。另外，膨胀土含水量的变化还会导致膨胀土胀缩性的显现，这也是影响膨胀土边坡稳定的重要因素。

因此，膨胀土渠坡稳定的处理措施，应紧密结合膨胀土上述破坏机理，考虑膨胀土的裂隙性、膨胀性、超固结性、吸水软化等特性以及渠道的运行特点，采取针对性的处理措施［2］。

（1）裂隙处理：膨胀土体的破坏，主要源于水对土的作用，而水首先是通过土体的裂隙入渗的。地表部的膨胀土因受气候的影响裂隙最为发育，其深度约在2 m左右的范围内。这些裂隙面失水开裂，吸水膨胀，并导致裂隙不断扩展，因此，膨胀土的治理应首先着眼于土体的裂隙问题。处治裂隙的最佳措施就是通过开挖破坏土体的原有结构，消除由于裂隙引起的潜在滑动面［3］。

（2）胀缩性处理：尽可能避免膨胀土与外界的水分交换，保持土体水分恒定（即保持吸力恒定）。

（3）浅层滑动和深层滑动的破坏机理是不同的，因此，它们的处理方法也不一样。

（4）中、强膨胀土工程危害性大，是渠道工程的重点防治对象；弱膨胀土胀缩性较弱，对工程危害性较小，处理中也应区别对待。

（5）渠道过水断面以上和过水断面以下的膨胀土渠坡有不同的特点，处理也应有针对性。

考虑到膨胀土边坡的上述特点，在膨胀土渠坡处理工程中应遵循以下几个原则［3］：

（1）坡顶（上）以防护为主，防止土体开裂和雨水入渗；坡脚（下）以支挡和排水为主，提高土体抗滑能力。

（2）水下和水位变动区域设置混凝土衬砌，并在衬砌下部铺设柔性垫层，吸收膨胀势能。

（3）开挖缓坡，破坏大气影响深度范围的土体裂隙结构，然后，按一定的设计坡比回填，形成稳定的坡型。渠坡坡的回填可考虑采用大型机械翻挖原土，再根据需要设置土工合成材料加筋等处理措施。

3 膨胀岩渠段处理措施

鉴于土工合成材料已广泛应用于地基基础处理、边坡支挡等岩土工程，中线工程膨胀岩土渠坡，将考虑采用土工合成材料的加固措施，以替代换土处理方案。根据既有工程的加固处理经验，主要采用土工格栅、土工袋2种材料。

土工格栅具有高强度、低延伸率和耐久性好等特点，将其分层水平铺设在膨胀土边坡中，形成加筋体，当膨胀土在干湿循环作用下产生胀缩时，由于土工格栅与土的界面摩擦和咬合作用，使土体的变形受到抑制，从而达到防止坡面开裂、提高边坡浅表层土体整体稳定性的目的。

一级马道以上土工格栅处理层的保护，可以采用直接在表面植喷或选用普通编织袋装根植土，并预先拌合当地易于生长的、耐旱性草种，在外层堆码整齐。编织袋宜疏松，并有一定孔隙以便草籽生长。一级马道以下的土工格栅处理层，可以采用混凝土衬砌保护。

土工袋实质上是可以对膨胀土边坡起到支挡作用的一种柔性结构，以约束膨胀变形和膨胀力的作用。土工袋的优点是可以装填膨胀土，同时单个土工袋的体积较小，便于施工。该技术近年来在日本等国应用较广，在我国水利工程中，类似土工袋的构件也有较为广泛的应用。

3．1 土工格栅加筋处理

3．1．1 材料及技术指标

格栅处理层施工主要材料为膨胀土（岩）开挖料、土工格栅、粗砂、编织袋、草种等。土工格栅应选用耐久性能、耐温性能和施工性能均较好的HDPE土工格栅（幅宽大于1．0 m），根据渠道的不同部位，选择合适的格栅材料。根据现有室内试验成果，材料的抗拉强度宜50～80 kN／m；延伸率≤12%；2%应变对应的强度≥10～20 kN／m；5%应变对应的强度≥24～40 kN／m；蠕变强度（20℃）≥20～25 kN／m；碳黑含量≥2．0%。土工格栅回填采用开挖中弱膨胀性土料，其最大粒径应≤100 mm，控制含水率为最优含水率＋（1～2）%。

3．1．2 施工过程

土工格栅处理层的施工过程可分为清基、放样、格栅铺设、铺土、碾压5个步骤。首先应按照施工图要求开挖边坡，清除坡面及渠底浮土，要求基层平整度不超过±5 cm。遇地表积水应提前进行抽排，并清挖被水浸泡后的软土，换填黏性土压实，保证基坑清洁、干燥。然后严格按照施工图放样，做好边桩、填土高度、格栅边线、边坡坡比控制等。土工格栅采用人工分层铺设，在坡面向上层包裹形成反包搭接，反包长度（从土工袋尾端起）不小于100 cm，相邻两块格栅之间为平接；格栅之间用连接棒搭接、格栅与土体之间用U型钢筋锚接。格栅铺设完成后，应先对铺土岩土料的含水量、自由膨胀率进行检测，在含水量、自由膨胀率满足回填开挖料基本要求以后方可填筑施工。若开挖料实测含水率低于规定的含水率，应将筛下土料用洒水车喷洒湿润，用挖掘机翻拌均匀（不少于3遍），直至达到以上要求后方可填筑施工。含水率调整后的土料，应及时用土工膜包裹，以防止含水率再次变化。最后，进行碾压施工，其碾压施工控制参数如表1所示。

表1 土工格栅处理层碾压施工控制参数Table 1 The control parameters of the roller compaction of the geogrid treatment layer

3．1．3 施工质量控制

土工格栅处理层施工应重点控制原材料、碾压工艺和压实效果3个环节。其中，原材料应严格按照相关材料的技术指标进行控制；碾压工艺应根据实际工程情况，在施工前通过碾压试验确定。格栅处理层坡面形成后的平整度不超过±5 cm；粗砂找平层按0．7的相对密度控制；处理层的压实效果按照表2所规定的指标控制。

表2 土工格栅处理层的压实效果控制指标Table 2 The control parameters for the compaction effects of the geogridtreated layer

3．2 土工袋处理

3．2．1 材料及技术指标

土工袋施工主要材料为土工袋、膨胀土（岩）开挖料、水泥、中粗砂、草种等。土工袋采用2种规格，大土工编织袋120 cm×147 cm，小土工编织袋45 cm×57 cm，可根据施工条件适当增加小土工编织袋尺寸。土工编织袋原材料的主要成分是掺有1%老化剂（UV）的聚丙烯（PP）。土工袋应在克重、经纬纱UV含量，经向、纬向拉力标准等项目上满足相关技术指标。大土工袋装袋料的最大粒径应≤100 mm，小土工袋装袋料最大粒径应≤50 mm。膨胀土（岩）袋装土料和填缝土料含水率应控制在最优含水率＋（1～2）%。采用具有良好级配的中粗砂进行找平。

3．2．2 施工过程

土工袋处理层的施工过程中可分为清基、放样、土工袋装袋、土工袋和水泥土铺设碾压4个步骤。在土工袋铺设施工前，应首先清除开挖断面表层的浮土，接着严格按照施工图放样，做好边桩、边线和边坡坡比控制等。土工袋装袋时，应尽可能采用机械装袋，如挖机装料。装袋土料应按照材料的技术要求进行控制，不同的装袋料源需做含水率和自由膨胀率等参数检测。在进行土工袋和水泥土铺设碾压时，土工袋采用逐层铺设、逐层找平的方式施工，土工袋找平采用小型振动平板夯或轻型碾压机械。土工袋铺设后遇天气变化或隔夜施工时，应注意场地的保护，避免已完成的结构体长时间暴露在大气中。

3．2．3 施工质量控制

土工袋处理层施工应重点控制原材料、碾压工艺和压实效果3环节。其中，原材料应严格按照相关材料的技术指标进行控制；碾压工艺在满足压实效果的前提下可根据实际情况进行施工优化或调整，土工带处理层坡面形成后的外切平整度不超过±2 cm，粗砂找平层按0．7的相对密实度控制；处理层的压实质量控制标准见表3。

表3 土工袋处理层压实质量控制标准Table 3 Control parameters for the compaction effects of the soilbagtreated layer

4 渠坡处理效果的原位试验研究

4．1 原位双环渗透试验

为比较土工格栅、土工袋处理层的渗透性状，在现场开展了2种处理措施的原位双环渗透试验，同时，还进行了现场开挖渠坡原岩的渗透试验以进行比较。

表4为不同岩性土层及处理措施场地渗透系数及入渗影响深度比较。由表可知：①泥灰岩和黏土岩的现场稳定渗透系数均为10－5cm／s数量级，后者仅在系数上略高于前者；②泥灰岩和黏土岩的现场最大入渗深度分别为1．6 m和1．0 m，黏土岩的入渗深度明显小于泥灰岩；③比较土工格栅处理层和土工袋处理层的现场渗透系数可见，土工格栅加筋处理层的渗透系数为10－6cm／s数量级，土工袋处理层的渗透系数为10－5cm／s数量级，两者相差一个数量级，而入渗深度前者为0．8 m，后者为1．5 m，两者相差近一倍。

表4 不同岩性及处理措施渗透系数及入渗影响深度比较Table 4 The comparison of the permeability coefficients and infiltration depths between different rock properties and treatmentsmeasures

4．2 现场降雨试验

4．2．1 水平变形

为了解土工格栅和土工袋的处理措施在环境变化条件下的响应规律，分别在土工格栅处理区和土工袋处理区一级马道以上渠坡开展了人工降雨试验。同时，为便于比对，将裸坡试验区在相同条件下的变形观测数据汇总于表5。

表5 坡面水平变形量Table 5 Horizontal deformations of the bare slopes

观测成果显示：土工袋、格栅处理试验区在人工降雨后渠坡的水平变形明显比裸坡小，表明处理措施对渠坡水平变形的抑制效果十分明显。

4．2．2 膨胀变形

为了比较降雨入渗条件下2种处理方案对抑制渠坡膨胀变形的作用，观测了降雨后渠坡坡面的垂直变形成果。观测成果显示：裸坡区黏土岩渠坡在降雨条件下的最大膨胀变形为450．0 mm，土工袋处理层的最大膨胀变形为14．0 mm，土工格栅处理层的最大膨胀变形为7．0 mm。从抑制膨胀变形的效果上看，土工格栅处理层的效果最为明显。