南水北调中线河北省永年县段膨胀土处理

2014-03-22张福泉

东北水利水电 2014年2期

关键词：渠段渠底裂隙

张福泉

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

南水北调中线河北省永年县段膨胀土处理

张福泉

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

膨胀土是一种高塑性土，具有吸水膨胀，失水收缩变形的特性，不利于其上建筑物稳定。南水北调中线河北省永年县段，对存在的膨胀土，进行防排水结合换填的方法，进行了处理，达到了预期效果。

膨胀土；处理方案；防排水；换填施工

南水北调中线干线工程穿越膨胀土渠段大约有 380 多 km，已施工完成的渠段曾发生大规模滑塌，不仅造成很大经济损失，更严重影响建设工期。

总干渠河北省永年县段（桩号为 61+168~76+ 07 和 77+537~70+360）位于太行山东麓与华北平原的接壤地带，渠段通过平原、岗地、丘陵地貌单元，以平原和丘陵为主。据地质勘查揭露，膨胀土主要分布在桩号 61+168~67+966 的部分渠段。沿轴线剖面渠底线以上累计分布长度 4.197km，其中，中等膨胀土 3737km，弱膨胀土 0.46km，均位于半挖半填渠段，开挖过程中，局部有地下水渗出。为消除膨胀土的危害，保证渠道运行安全，设计采用防排水与换填结合的方法进行处理。

1 膨胀土的破坏机理研究

前已述及，膨胀土具有吸水膨胀，失水后显著收缩并致干缩裂隙发育的特性。研究发现，正是这种胀缩变形和裂隙发育，是造成其上建筑物失稳的主要根源。

土体裂隙发育，使得雨水及其他来源水很快沿其下渗并迅速扩散，造成土体很快吸水饱和。

土体吸水膨胀，一是降低了土中的负孔压，使有效应力降低；二是土体膨胀软化，使土体的内摩擦角减小。这两方面都消弱了土的抗剪强度指标，从而使边坡失稳。

研究还发现，地表水沿裂隙下渗的影响深度，一般在上部 2m 左右的土体内。降雨时，雨水很快沿裂隙下渗到这个深度，使裂隙周边的土吸水膨胀并逐渐向周边扩散，从而使此深度范围内的土体饱和。与此同时，裂隙也因膨胀而逐渐闭合，土体的渗透系数因而减小，水分下渗的阻力增大，因此雨水下渗的深度受限。

膨胀土渠道破坏形式主要有三种：

1）膨胀型滑坡。在大气环境作用下，渠坡土体反复胀缩，结构遭破坏，在雨水参与下，发生浅表层蠕动变形，深度一般 1~2m，没有明显的底边界。

2）结构面控制型滑坡。当土体中长大裂隙发育时，在渠道开挖期间，或在渠道开挖后一段时间，发生受裂隙面控制的折线状推移式滑坡，其深度以 3~7m 最为普遍，最深可达 8~10m。

3）抬升变形。当渠道挖深超过过渡带，揭露正常的非饱和膨胀土时，由于土体围压降低，土体将逐步产生松弛并出现吸湿作用，直至达到新的土-水平衡，在这一过程中，土体含水量逐步增加并发生膨胀，引起渠底抬升，甚至造成渠道衬砌开裂破坏。

2 处理方案研究

从前面膨胀土的破坏机理研究可以看出，膨胀土工程地质性质的恶化，都是通过外来水的加入而发生的。因此，水的加入，是造成膨胀土物理力学性质发生变化，最终导致边坡失稳的根本原因。因此，设计上采取“以防为主，防排结合”的防止大气降水和地表水渗入边坡土体的处理方案，具体要求一是在开挖线以外，按照左、右侧截流沟设计做好截流沟的开挖和衬砌，保证截流沟拦截地表水并汇集引出，同时做好开挖区临时排水，保证干场作业；二是采用换土措施，即对渠道内坡膨胀土体采用壤土、粘性土置换，封闭膨胀土，隔绝其与外部水分交换。换填层具有两方面的作用：一是起防渗作用，隔离膨胀土与外界水的联系；二是对坡内膨胀土变形起到缓冲和均化作用。由于总干渠将常年输水，渠道渗漏将造成过水断面的膨胀土遭遇水的介入，导致其膨胀变形，破坏边坡稳定，需加强处理措施。过水断面强、中、弱膨胀土的换土厚度分别为 2.5m，2m，1m。过水断面以上膨胀土，不再受潜在渠水渗漏影响，大气降水的影响深度也有限，中、强膨胀土换土厚度为分别为1.0m 和 1.5m，弱膨胀土不做专门处理，换填土压实度指标为 0.98；三是规定换填施工完成后，须过一个雨季的时间方可开始衬砌施工，保证换填后膨胀土及换填土完成主要变形。

3 膨胀土处理施工

1）膨胀土开挖施工。测量定位后，采用 1m3挖掘机倒退法全断面进行开挖，自卸汽车运输，分层厚度 3~5m。按设计要求，开挖渠段的两侧结合永久截流沟开挖施工排水沟，有效截断地表径流。开挖时，边坡及渠底预留 50cm 保护层，待下道工序开工前人工配合机械清除保护层，保护层挖出后立即进行换填。

2）土方换填有关试验。换填土料采用粘性土土料，推土机配合人工平土，振动碾碾压。

土料选用经勘探确定各种物理力学及化学指标符合要求的料场，取样进行室内击实试验，确定最大干密度和最优含水率。然后进行现场碾压试验，确定铺土方式、铺土厚度、碾压机械的类型及重量、碾压遍数等施工参数。

表1 试验成果汇总表

经碾压试验，确定采用 XSM220 型凸块振动碾（工作质量 20t，激振力 350/220kN），铺土厚度30~40cm，静压 2 遍振压 6 遍，对于现场可能存在的回填厚度低于 30cm 的部位，采用铺土厚度 20 cm，静压 2 遍，振压 4 遍作为回填参数的补充。

3）土方换填施工。换填施工由自卸汽车采用进占法运土，推土机配合人工平土，由底至高分层摊铺碾压上升。为防止扰动渠底建基面，渠道换填前，先换填渠底 6~7 层（换填 2m），然后分层换填渠坡并预留 30cm 余量，渠坡换填完毕后，再利用削坡土将渠底填至设计换填高程。每层摊铺前，采用推土机在坡面上推出宽度不小于 30cm 高度（为一层土料松铺厚度）的小台阶（开蹬），以保证土体结合。碾压时，碾压机械沿平行于堤轴线方向行走，分段、分片碾压。分段处留有 1∶5 的斜坡，相邻作业面的搭接碾压宽度，平行堤轴线方向不小于 0.5m，垂直堤轴线方向不小于 3m。碾压作业采用进退错距法，碾迹搭压宽度大于 30cm。行车速度控制在 2km/h 以内。对机械碾压不到位的部位，辅以轻型夯实机夯实。

每一层按规定的施工参数施工完毕后，取样进行压实度检验，合格后方可继续铺筑上一层。

换填完毕后衬砌施工前，对填筑坡面进行削坡，即将换填时预留的余量削除至设计坡面线，进行下道工序施工。

对于开挖过程中，局部有地下水渗出的情况，设计和施工采用换填前埋设软式透水管连接，通过逆止阀集中排向渠道的处理方案。施工过程中，人工抽水外排，保证干场作业。