南水北调中线叶县段总干渠工程地质问题的处理方法

2015-01-16谢建波刘海峰曹道宁

资源环境与工程 2015年5期

关键词：叶县干渠坡面

谢建波，刘海峰，曹道宁，王杰

(1.长江岩土工程总公司(武汉)，湖北武汉 430010;2.长江勘测规划设计研究院，湖北武汉 430010)

1 工程概况

南水北调中线工程是缓解京、津、华北地区资源性缺水的特大型跨流域调水工程，主要为沿线城市提供生活、生产用水，并兼顾生态环境和农业用水，一期工程年调水量95亿m3，输水总干渠全长1 267 km，其中叶县段总干渠全长30.266 km。

2 水文、工程地质特征

叶县段总干渠沿线位于伏牛山东麓山前丘陵与淮河水系冲积平原交汇地带，地层呈水平状，上土下岩，主要地层岩性为:①Q粉质粘土。褐黄、棕黄色，可塑—硬塑状，分布于地表一带，多具弱或中等膨胀潜势，渗透系数 K=i×10－8～ i×10－5cm/s，具极微—弱透水性;②Q砾质土。褐黄色，密实，砾卵石含量30%～50%，分布于渠坡中上部，渗透系数K=i×10－9～i×10－6cm/s，具弱—微透水性;③N粘土岩。灰绿色夹棕黄色，硬塑状，具中等—强膨胀潜势，分布于渠坡中下部，具微透水性;④N砂砾岩。棕黄色夹灰绿色，中—粗粒结构，泥质微胶结，砾石总含量30% ～50%，多分布于渠坡中下部及底板，局部呈透镜体状，渗透系数 K=i×10－4～ i×10－3cm/s，具中等透水性;⑤N 砂岩。褐黄色、灰白色，中—粗粒结构，泥质微胶结，多呈透镜体状分布于渠坡中下部及底板。

叶县段总干渠工程区降水量年际变幅大，年内分配不均，降雨主要集中在6—9月份，多年平均年降水量960 mm。沿线地表水系较发育，河流具暴涨暴落的特点，汛期水量丰沛，枯水期水量很小甚至断流干涸。沿线地下水主要为第四系覆盖层孔隙水和基岩孔隙—裂隙水二种类型，主要接受大气降雨及河水补给，向区外排泄或补给下部含水层。地下水多属上层滞水，局部渠段由于处于岗坡之间谷地，丰水期则略具承压性［1］。

3 工程地质问题及施工处理

叶县段总干渠工程地质条件复杂，主要有膨胀岩(土)、渠坡稳定、渠道渗漏、高填方地基稳定及基坑地下水等五类工程地质问题。其中，膨胀岩(土)问题是本段的关键性工程地质问题［2］。

3.1 膨胀岩(土)变形破坏问题及施工处理

叶县段总干渠沿线垄岗、丘陵地带及河流Ⅱ级阶地广泛分布有膨胀岩(土)。开挖揭示，强膨胀岩渠段共6段，累计长3.405 km;中膨胀岩(土)渠段共18段，累计长11.741 km;弱膨胀土渠段共9段，累计长4.633 km。

相关研究表明，膨胀岩(土)中的粘粒成分主要由随含水量变化具有显著的体积胀缩性的强亲水性矿物组成［3］，水分的迁移变化是控制其体积胀缩的关键外因，而大气环境又对水分的迁移起着重要的制约作用，膨胀岩(土)对大气环境具有较强敏感性，在干湿循环的气候环境条件下极易产生胀缩变形破坏。因此，控制大气环境变化所引起的岩土体含水量变化是解决膨胀岩(土)问题的关键。

据相关科研成果，叶县段总干渠采用超挖换填水泥改性土的方法对膨胀土(岩)挖方渠道进行保护(照片1)［4］，在渠道设计输水断面的基础上，按换填厚度超挖，具体按渠道膨胀潜势等级分为两类:

(1)一般弱膨胀土渠段，仅对过水断面超挖换填，换填厚度为1.0 m。

(2)中、强膨胀岩(土)渠段，全断面换填至开口线以外截流沟，中膨胀岩(土)过水断面换填厚度为1.2 m或1.5 m，过水断面以上换填厚度为1.0 m;强膨胀岩(土)过水断面超挖换填厚度为2.0 m，过水断面以上换填厚度为1.5 m。

同时，根据边坡汇水面积大小，采取适当的坡面排水及抗冲刷措施。

此外，对于用弱膨胀土填筑的填方渠段亦采用外包1.0～2.0 m厚水泥改性土的方法对弱膨胀土进行保护，并对马道及坡肩进行防渗处理。

照片1 水泥改性土换填Photo 1 Exchange filling of cement concrete modification soil

照片2 桩号191+960～192+020段左侧渠坡变形Photo 2 Canal slope deformation of stake number of 191+960～192+020

3.2 渠坡稳定

据渠道开挖揭示地质结构特征、岩(土)体膨胀等级、结构面及地下水的发育程度以及挖深、坡比等因素综合分析评判，叶县段总干渠渠坡绝大部分属稳定—较稳定渠坡，仅小范围渠段渠坡稳定性较差，存在渠坡稳定问题。

开挖揭示，渠坡稳定性较差渠段渠坡地质结构一般为:上部为弱膨胀粉质粘土和砾质土，下部为砂砾岩和中等膨胀或强膨胀粘土岩，均属于中等膨胀岩渠坡或强膨胀岩渠坡。其中，对渠道边坡稳定影响较大的为渠坡下部的中膨胀或强膨胀粘土岩，岩体内大—长大结构面一般较发育，微—小结构面一般极发育，密集呈网状，面多附灰绿色泥膜。部分渠段坡体上部的砾质土层或坡体下部的砂砾岩层内地下水还比较发育，易引起坡面潮湿、渗水，并易在坡脚及底板形成积水，引起粘土岩的胀缩变形，进而影响渠坡的稳定。施工期间，保护措施若不能及时到位，随时有发生滑移变形的风险(照片2)。

施工期间，根据开挖揭示地质条件综合评判结果，对沿线稳定性较差的渠坡，主要结合岩(土)体膨胀等级、结构面及地下水的发育程度等地质条件，在一级马道高程附近布设了抗滑桩及坡面梁等加强措施(照片3、照片4)，进行抗滑加固处理。一级马道高程以上部分主要采取了减小坡比、设置多级马道等措施，施工后期，又采取了浆砌石联拱或格构等支护措施，并注意加强坡面排水及抗冲刷措施。

照片3 抗滑桩Photo 3 Anti-slide pile

照片4 坡面梁施工Photo 4 Construction of slope beam

另外，相关的膨胀性岩土渠道超挖换填厚1.0～2.0 m的水泥改性土，对渠坡的稳定性亦能起到一定的辅助作用。

对于施工期间发生的滑移变形体具体作如下处理:清除变形体至滑动面以下≥0.5 m，坡比≤1∶3，用水泥改性土填筑，同时加强坡面的系统排水措施，如加密排水盲沟等，混凝土衬砌面板施工前，又对渠道坡面均进行了外包水泥改性土处理，局部还增设了坡面梁。

3.3 渠道渗漏

叶县段总干渠渠坡或渠底大多分布有弱透水性的砾质土、含泥砂砾石以及中等—强透水性的砂岩及砂砾岩等，天然地下水位与设计水位存在较大高差，在不做防渗的情况下，存在侧向或垂直渗漏以及由于渗漏而引起的渗透变形问题和土壤盐碱化问题。渠道渗漏或渗透变形将使渠道及衬砌结构产生破坏，进一步加剧渠道渗漏或渗透变形，如此反复，必将影响渠道的安全与稳定。

施工期间，根据开挖揭示地质条件，采取了如下工程措施:渠道过水断面采用强度高、均匀性好的抗老化的双面复合土工膜防渗(照片5)，复合土工膜选用规格为576 g/m2，膜厚0.3 mm(276 g/m2)，双面土工布(150 g/m2)的长纤土工织物。对渠道底板以下一定范围内存在厚层砂砾石的有关渠段进行了换填粘性土处理，对渠坡存在厚层砂砾石的有关渠段设置了防渗墙。另外，相关膨胀性岩土渠段过水断面采用换填厚1.0～2.0 m水泥改性土，亦能对渠道起到较好的辅助防渗作用。

照片5 土工膜敷设Photo 5 Laying of geomembrane

3.4 高填方渠段地基沉降变形

叶县段总干渠填方高度≥6.0 m的高填方渠段共18段，累计长8.509 km，主要分布于沿线经过的河流、沟渠的河床、Ⅰ级阶地及古河道一带，地基主要为粘性土、砂性土、砂砾石等，由于土体在结构、强度、渗透特性及压缩性等方面均存在一定差异，运行期间存在不均匀沉降变形问题。

照片6 坡面排水板铺设Photo 6 Laying of drainage plate

施工时采取的处理方法为:填筑前对渠堤进行清基0.5 m并翻压，将渠基范围内表层根植土、有机质土等清除，对局部出现的沟塘、坟墓、洞穴等按坡比≤1∶5的要求放坡清挖。含水量较大的粘土性地基填筑前作翻晒处理。填高＜2.0 m时，全部采用水泥改性土填筑;填高＞2.0 m时，以弱膨胀土外包厚1.0 m水泥改性土或非膨胀粘性土填筑，碾压密实。填筑施工完成后，预留一定的固结沉降期，一般为6个月以上。

施工后期，在初设审定方案基础上，又结合施工特点进行了专题研究。考虑了地基、填土施工、渗控及防洪综合影响等级等因素，分别采取了增设防浪墙、将渠道衬砌砼改为纤维砼、土工膜加厚、渠堤外坡防护等加强措施，进一步提高了高填方渠道的稳定性和安全性。

3.5 基坑地下水

基坑地下水问题主要包括以下两类问题:

(1)基坑涌水、渗水影响施工安全和施工进展的问题。

(2)总干渠运行检修期间渠道外围由于地下水不能及时排降而引起岩土体抗渗流稳定和衬砌结构的抗浮稳定的问题。

叶县段总干渠开挖期间存在基坑涌水的渠段共7段，累计长8.465 km。该类渠段渠坡含1～2层连续性较好的透水层，地下水有较连续的高于渠道底板开挖高程的水位线，补给较稳定，水量较丰富。开挖期间存在局部渗水的渠段共7段，累计长11.605 km。该类渠段地下水多属上层滞水，无连续的地下水位，主要接受大气补给;补给范围有限，水量不丰，但补给快，消退慢，主要表现为雨季渠坡出现渗水点、下降泉等，沿坡面外流，影响边坡稳定。此外，通水运行后，两岸地下水水位会缓慢上升，最终达到新的平衡，总干渠检修期间，由于连续快速排水，渠道内水压力迅速消减，渠坡外围若排水不畅，地下水不能同步降排，将形成较大的外水压力，引起渠道内、外侧水压力失衡，进而会引起岩土体抗渗流稳定和衬砌结构的抗浮稳定问题。

对总干渠建筑物基坑涌水、渗水影响施工安全和施工进展的问题，施工期间按照如下原则处理:对于水量丰富，补给稳定的基坑涌水，采用系统管井降、排水至基坑底板开挖高程以下≥0.5 m;对季节性渗水点，采用集水明排或布设随机碎石盲沟或双层排水板等随机引排。

为确保总干渠运行检修期间渠道外围岩土体抗渗流稳定和衬砌结构的抗浮稳定问题，施工期间采用布设系统排水管网，将地下水通过渠坡及渠底排水管网系统经逆止阀排入渠道的方式进行排水减压处理(照片6、照片7)，具体按沿线开挖揭示的工程地质特征分别采用了如下处理措施:①对透镜状分布、连续性差、与外界水力联系较小的透水层设置水平减压管;②对透水层连续、透水性强、与外界有水力联系的透水层采用加密系统排水管网，设置纵、横向系统排水盲沟等渗控措施;③对渠底板为强透水层，土工膜直接铺设在强透水层上的，设置防渗墙及竖向排水减压管;④渠底板以下一定范围内分布有砂砾石或砂砾岩含水层的，通水运行期间地下水为承压水，考虑到运行期间地下水位变动影响，主要采用设置减压井，局部同时采用防渗墙、减压管作为排水减压措施(照片8)。