土工材料在膨胀土渠道边坡的应用

□王长生（河南省燕山水库管理局）

□罗红琦（河南省郑州水利学校）

膨胀土是一种分布较为广泛、具有不良地质作用的特殊土。水利工程实践中，膨胀土边坡主要遭受滑坡、溜塌、坍滑等危害，尤其是其膨胀性危害，使得渠道衬砌产生鼓胀、裂缝等破坏。文章在分析膨胀土工程特性的基础上，初步研究了利用先进的工程技术、新型材料及施工技术对膨胀土渠坡进行防护的可行性，对类似工程具有重要的借鉴意义。

1.膨胀土的工程特性

膨胀土的矿物成分一般为蒙脱石和伊利石，其具有很强的亲水性，膨胀土一般液限指数较高，属高液限粘土，膨胀土的矿物成分中起膨胀作用的是蒙脱石，膨胀土自由膨胀率的高低蒙脱石的含量起决定作用。

膨胀土属超固结土，一般发育有裂隙，具有失水开裂、遇水膨胀的工程特性。在自然状态下，膨胀土的强度较高，一般为低压缩性土。未发生干湿交替的膨胀土，沿新鲜的开挖面很难发现裂隙面，一旦暴露在空气中，含水率发生变化后，土体就会出现网状的裂隙，接下来土体表层会崩解成1~2cm的方块，其强度也迅速衰减，在膨胀土体内发育有长大裂隙时，即使是很缓的边坡也易发生滑坡。膨胀土的工程特性常导致工程问题或地质灾害的频繁发生，膨胀土在世界各国都有广泛分布，膨胀土问题已成为困扰各类浅表层轻型工程建设的全球性技术难题。

2.膨胀土边坡的破坏形式

2.1 滑坡

滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受内在或外界因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面、软弱带或结构面，整体地或者分散地顺坡向下滑动的现象。膨胀土滑坡通常具有明显的弧形外貌、明显的滑床及后壁陡直、前缘平缓、受长大裂隙控制的特点。纵观众多膨胀土边坡失稳事故，膨胀土滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状、片状发生，滑体呈纵长形，部分滑坡从坡脚一直牵引至坡顶，对工程破坏巨大。滑体厚度一般为1.0~3.0m，多数<6.0m，通常与大气影响深度、土体内裂隙发育程度密切相关。

2.2 溜塌

边坡坍塌的一种表现形式。边坡覆盖层、强风化层内的岩体吸水饱和后，在重力与渗透压力的双重作用下，岩土体沿坡面向下产生流塑性溜塌现象。溜塌是膨胀土（岩）边坡表层最普遍的一种破坏，常发生在雨季，与边坡坡度关系不大。溜塌上方一般有弧形小坎，坎高一般10cm，无明显裂缝与滑面，塌体多在小范围内发生位移，且很快自稳，其厚度受覆盖层、风化层深度控制，工程实体多见于1.0~1.5m深度范围内。

2.3 坍滑

边坡浅层膨胀土（岩）体在干湿交替与风化作用影响下，由此产生的裂缝在水（多为降水）的作用下，土体强度快速衰减，边坡失稳，沿一定滑面整体滑移，多伴有坍落现象。坍滑多发生在雨季，滑面清晰并有擦痕，滑面一般在裂隙密布位置，滑面多为高角度，在坡面下部或软弱的夹层滑出，若继续发展，可牵引形成滑坡，厚度多为1.0~3.0m。

3.膨胀土的处理

膨胀土边坡滑坡的机制与其它滑坡一样，在诱因作用下而发生的一系列过程所组成，但由于膨胀土的失水开裂、遇水膨胀性、多裂隙性等特性，使得膨胀土滑坡较一般的岩土体滑坡更为复杂。由于膨胀土分布广泛，加之对工程危害甚大，膨胀土边坡的加固处理凸显重要，膨胀土边坡一般采取“预防为主”的原则，在预防膨胀土边坡滑坡的措施中，应强调“四防”原则，即“防水、防风化、防反复胀缩循环、防强度衰减”，提高膨胀土滑坡的防治效果。常见的膨胀土边坡防治措施有坡顶设置截流沟、坡脚防积水、超挖换填、开挖回填防渗土体、加大放缓边坡、水泥改性、设置格栅、加筋、支挡（抗滑桩）等。

4.土工合成材料的特点和优势

土工合成材料是工程建设中应用的土工织物、土工膜、土工复合材料、土工特种材料的总称。土工合成材料以高分子聚合物为基础原材料制成，主要用于岩土工程，置于土体内部、表面或各层土体之间，起到发挥加强或保护土体的作用。

常见的土工材料主要有土工合成材料、膨胀土改性剂、水泥、石灰等。土工合成材料主要有反滤、排水、隔离、加筋、防护、防渗等多种功能，这些功能并不是绝对独立的，有时一种土工合成材料应用于某一项工程中，同时具备上述的几种功能。

下面仅介绍几种常见土工材料在渠道膨胀土边坡防护中的应用：

①土工格栅＋开挖泥灰岩土料可用于膨胀土边坡防护处理，处理深度为1.5～2.0m。格栅应采用抗拉强度≥80kN/m的HDPE（高密度聚乙烯）单向土工格栅。施工控制参数为：开挖泥灰岩料（中～弱膨胀性），其最大粒径≤100mm，>5mm粒径的颗粒含量不超过50%；控制含水率为最优含水率+1%～+2%；采用18t以上的振动平碾、铺厚50cm和碾压12遍的条件下,土工格栅+泥灰岩开挖料的压实度能达到95%以上,压实效果较好。

②土工袋是新型的膨胀土处理措施，施工过程包括清基碾压、装袋、渠坡土袋铺设、碾压等工序。土工袋装填+开挖泥灰岩土料可用于膨胀土边坡防护处理，处理深度为2.0m。大土工袋120cm×147cm，机械配合施工，大土工袋用随车吊或起重机直接吊入铺设位置，人工扶正铺设，土工袋子之间保留约10～15cm的间隙，充填料的粒径≤10cm；小土工编制袋45cm×57cm，人工配合施工，袋子之间保留约4～8cm的间隙，充填料的粒径≤5cm。用小型振动平板夯来回夯压2～3遍或用轻型碾压机械（≤16t）静碾1～2遍，进行土工袋初平，以确保土袋能形成扁平状；相邻土工袋之间的间隙用装袋料相同岩性的土料回填，回填料的粒径≤5cm；每碾压层铺填厚度按40cm控制，土工袋100%充填率、18t以上的振动平碾和碾压12遍的条件下,土工袋+泥灰岩开挖料的压实度能达到90%以上,压实效果较好。为了增加土工袋组合体的稳定性，上、下层土工袋间需错缝铺设，局部可以适当放宽袋子的间距而使上、下层面的土工袋相互错距。

③复合土工膜具有良好的抗渗、抗老化性能。采用复合土工膜覆盖坡面，喷护水泥砂浆保护层的处理措施，是膨胀土边坡施工过程中一种良好的临时保护措施，对于保证边坡的安全施工具有重要意义。复合土工膜的施工要尽量减少接缝，保证焊接长度，保证密封性，施工过程要尽量避免机械碾压，防止材料受损。复合土工膜施工质量检查和检测的重点是密封性能检测和膜材本身强度的检测。

④土工网是一种特种土工合成材料，它的生产工艺是将聚乙烯原料按比例配好，在加热温控的条件下，由挤塑机挤出至一特制的旋转模头内,产生各种不同网孔形状及网孔大小的网格，经冷却定型后成为整体的土工聚合物网栅。在坡面回填料上和坡顶复合土工膜上铺设土工网，土工网幅宽≥2m，单位面积质量≥730g/m2，纵横向拉伸屈服强度≥6.2kN/m，网眼尺寸＞2.5cm×2.5cm,同时＜8cm×6cm，碳黑含量≥1%。土工网要求纵向上搭接长度≥7.5cm，在横向上搭接长度≥15cm。横缝为顺坡搭接，用塑料带把材料拴紧在一起。土工网植草是一种有效的边坡防护措施。

⑤水泥改性土作为膨胀土治理措施的一种，目前应用比较广泛。水泥土施工过程需要做到快速摊铺、快速整平、碾压密实、快速检测，避免水泥和混合料受雨淋，从加水拌和到碾压终止的延续时间不宜超过3-4h，采用20t压路机碾压。施工工序为筛分、料场铺料整平、洒水闷料、布灰、拌和、汽车运输、区铺料整平、碾压，取样合格后进行下一层施工。

5.结论

正值国内基础建设高峰期，很多工程项目都涉及膨胀土体的开挖，处理不当易造成质量、安全事故，根据工程经验，一般应在膨胀土边坡开挖过程中坡面预留有厚度1~2m的保护层，施工要尽量避开雨季，为了预防膨胀土的溜塌、滑坡等现象，施工中应尽量缩短膨胀土处理的周期，达到快速开挖、及时覆盖、保湿、负重、约束膨胀目的，另外施工期间坡顶禁止堆载，若雨季施工应采取坡面防软化措施，如覆盖彩条布等，坡脚积水应及时抽排。