新疆北岸干渠工程不良地质渠段基础设计问题及对策措施

□钟 霞（新疆伊犁河流域开发建设建管局）

1 概况

新疆北岸干渠工程地跨两县一市及4个团场，全长127.34 km，工程为Ⅰ等大（1）型工程，渠道设计流量60m3/s，加大流量68m3/s。工程由干渠、水闸、输水渡槽、输水涵洞、隧洞、排洪建筑物及灌区交叉建筑物组成，主要任务是为北岸干渠灌区和察县灌区13.77万hm2灌区供水。

根据干渠渠线穿越地形、地貌特征，划分为阶地、洪积扇、低山丘陵区、中小型河流冲积区和沙漠区五大地貌单元，沿渠线分布的地层岩性主要为侏罗系及第四系地层，受不同地貌单元的控制，沿渠线岩（土）物理力学性质差异性较大，地基条件复杂多变。本工程涉及不良地质渠段情况统计见表1：

表1 北岸干渠工程涉及不良地质渠段情况统计（初设阶段）

2 工程涉及不良地质情况

2.1 膨胀性岩渠段

本工程泥岩多分布在山前丘陵区，呈夹层状分布，一般单层厚度5～10 cm，最厚达1.196 km。根据泥岩膨胀性试验成果，泥岩属弱～中膨胀岩，具有遇水易于膨胀，失水易于干缩开裂，抗风化能力差，抗剪强度较低，成渠条件差等特点。

2.2 湿陷性黄土渠段

本工程沿线分布长度约48.51 km的黄土，占干渠总长度的38.09%。湿陷性黄土深度不大，一般在地表以下1～5m，大部分在2m范围以内，除丘陵区非耕渠段地表层0～1m属于强烈自重湿陷性黄土，其余渠段均为轻微—强烈非自重湿陷性黄土，湿陷起始压力为30～300 kPa，湿陷性黄土由地表向深部，湿陷等级呈逐渐变小的趋势。

2.3 冻胀性土渠段

根据渠道沿线取土样作颗粒分析试验，渠线黄土、低液限粉土、低液限粘土、粉土质砂颗粒粒径＜0.05mm，含量为65%～87%，均大于6%，全长30.35 km，均属冻胀性土，冻胀性级别为Ⅲ级。

2.4 欠固结软土渠段

根据地勘成果，渠线在30+558～34+724渠段，分布长4.17km的欠固结软土，位于地面以下1～2.50m，厚约1.50m。欠固结土即先期固结压力小于现有覆盖土重，如新近沉积粘性土、人工填土等，由于沉积后经历年代不久，其自重固结尚未完成，土层中的有效应力小于土的自重应力，随时间增长，孔隙水压力消散，变形还会增大。因此，欠固结土若不处理，干渠渠基存在变形等不安全因素。

2.5 鱼塘淤泥渠段

干渠全线共穿越8个鱼塘，鱼塘平均宽度54m，深度2～3m，塘底分布1～2m厚的淤泥，地基承载力低，强度增长缓慢，加荷后易变形且不均匀，变形速率大且稳定时间长，具有渗透性小，触变性及流动性大的特点。鉴于淤泥软土地基承载力低，压缩性大，透水性差，不易满足水工建筑物地基设计要求，故需进行处理。

2.6 高地下水位渠段

0+000～8+400渠段位于右岸Ⅰ级阶地，上部为粘土质砂，厚0.80～1.20m，下部为6～7m厚的卵石混合土，干密度2.00～2.14 g/cm3，渗透系数K=1.30×10-1～7.80×10-2cm/s，下伏第四系下更新统弱胶结半成岩的砂砾岩。该段地下水位较高，地下水主要为孔隙潜水，埋深1.00～1.50m，地下水的补给为上游河道的侧向补给及北面Ⅱ级阶地基座面溢出的地下水补给，根据现场调查此地下水也受河道水位的影响。其中桩号2+850～5+635半填半挖段渠道存在冬季不运行、渠内低水位运行或检修时高地下水扬压力破坏及冻胀问题。

3 技术处理措施

渠道线路长，分布范围广，沿线各段不良地质分布、岩（土）物理力学性质及水文地质差异性较大，采用单一的处理措施可能导致局部处理不完全或是部分工程量太大造成浪费，如处理不当将影响渠道安全运行。因此，针对以上不良地质情况，根据各段工程实际情况，综合考虑安全与经济因素，分别采取不同处理措施。

3.1 膨胀岩渠段处理

本工程膨胀岩渠段主要存在渠基稳定及挖填边坡稳定的问题，尤其本工程填方渠道地面坡度较陡（北山坡段地面坡度10°～40°之间），膨胀岩在附加应力的作用下易产生蠕动和滑坡，影响渠基的稳定。在解决好“水”与“土”的关键问题上，膨胀岩渠段基础处理遵循“防渗排水、截流铺盖”的原则。

3.1.1 渠道衬砌部位

通过渠基隔水和排水，避免膨胀岩的含水量达到发生变形要求的程度。将渠基换填0.60m厚的砂砾石，并在砂砾石下铺设复合土工膜（两布一膜），防止渗水与膨胀岩接触，渠底砂砾石下设纵向排水沟，沟中回填级配砾石，同时采用纵横排水将渗入水及时排出，确保渠基安全。

3.1.2 挖方边坡处理

为确保膨胀岩边坡稳定通常采用放缓边坡，在正常状态下，膨胀土的自然稳定坡度为1:40～1:50，最缓可达1:60～1:70，显然，按照自然稳定坡度设计渠道结构坡是不科学的，也是极不经济的，经比选采用投资小、易施工、无污染的边坡粘土换填方案。

3.1.3 填方渠道处理

为防止填方渠道两侧坡脚积水过大，积水下渗，引起堤下膨胀土发生膨胀，渠道两侧2m范围内采用1.50m厚的粉土回填，且布设排水沟，尽量保持渠道两侧一定范围内的干燥，防止膨胀变形。

3.2 湿陷性黄土渠段处理

根据湿陷性黄土的特征和湿陷原理,结合工程湿陷性黄土分部及特点，综合分析浸水法、挤密法、翻夯法和夯实法四种常用的湿陷性黄土处理方法，经多次专家咨询，本工程湿陷性黄土渠段主要从“防、治、排”三方面进行处理：

3.2.1 “防”的处理

本工程渠道均设置一道0.60mm的一布一膜作为防渗系统，鉴于土工膜用量大，膜本身及其焊接的质量难保证，日光曝晒老化也不可避免，渠道防渗系统保证滴水不漏难度较大。考虑到本工程黄土天然状态下渗透系数为K=1×10-4～1×10-5cm/s，试验室内轻型击实（25击）渗透系数达到K=1×10-5～1×10-6cm/s，根据其它工程经验，施工中采用重型压实机械，渗透系数K可达到1×10-7cm/s左右，可见提高黄土的压实指标及加强施工碾压质量可加强“防”的力度。

3.2.2 “治”的处理

渠线穿越地物种类、数量较多，有村庄、高压线、光缆、各种地下管网（输水管、煤气管、油管等）等，采用重夯或强夯需有较大的安全范围，因此，对全线的半挖半填及填方渠道基础内湿陷性黄土层采用干扰小、影响小的翻填法处理；挖方渠道不作特殊处理，但考虑到桩号0+000～19+109段渠道及建筑物开挖砂砾石弃料较多，对此黄土挖方渠段（L=425m）两侧渠堤内的湿陷性黄土进行换填砂砾石处理；（64+358～103+000）挖方渠道地形较陡，尤其左侧渠堤厚度较薄，一旦发生沉降变形，出现较大渗水，易造成渠道出现事故，因此，对此黄土挖方渠段（L=2.02km）左侧渠堤进行翻填处理。

3.2.3 “排”的处理

一是加强砂砾石垫层的排水。砂砾石垫层厚度≥40cm；严格控制填料中粒径<0.05mm的土重占总土重的比例≤6%，以保证砂砾料的防冻胀要求。二是加强纵横排水。纵排采用10～15 cm软式排水管，并设置在最低处，为便于汇水，排水管底部坡度采用陡坡连接，管四周采用级配砾石回填，为便于排水，纵排坡度i=1/1000。黄土区横排根据低洼地形布设，并在洪沟处设横排，横排内渗水排至排洪建筑物出口或集水井，集水井定时抽排，夏季干渠运行时抽至渠道内，冬季干渠不运行时抽至当地灌排系统。

3.3 冻胀性土处理措施

对冻胀土渠基处理，参考已建工程经验，并结合本工程沿线砂砾石料储量丰富，采用砂砾石置换土基(厚度分别为40 cm、60 cm)的方案。另一方面，水、土、温度是发生冻胀的三要素，切断冻土地基在冻结前、后的补给水源和改变渠基土的结构，是最常用的抗冻措施。在置换冻胀土措施后，根据渠段地下水埋深，仍需设置纵横向排水系统，将渠道渗水或外水排出，以降低地下水和土中含水量。

3.4 欠固结软土渠基

根据本工程欠固结土分布位置及特点，处理措施为半填半挖渠段由地面向下开挖2.50m，将渠道范围内欠固结土基本清除，剩余厚度不到0.50m，再回填0.50m厚的大卵石作为持力层；挖方渠段欠固结土基本在渠堤顶部，应全部清除，清除厚度平均1.50m左右。并且在渠道左侧地势较低处设置排水沟，降低基坑面的地下水位，以利于持力层尽快形成，并确保持力层的稳定。

3.5 鱼塘淤泥渠基

对于浅层淤泥质地基，普遍采用的方法为换填垫层法。经计算及工程类比，换填厚度取1.50m，考虑到本工程鱼塘淤泥厚度不大，地下水位并不高，均未超过淤泥层底部，予以全部清除，然后回填当地黄土或卵石混合土，分层碾压，压实标准同填方渠道。

3.6 高地下水位渠段

0+000～8+400渠段高地下水位渠段为透水渠道，采用过塑铅丝石笼护坡，渠道为梯形，底宽12m，高5.20m，边坡1：2。过塑铅丝石笼尺寸：2m×2m×0.30m，网格尺寸90×140，适用流速可达6m/s，其下设置反滤无纺布。经渗流计算透水渠道渗水流量为5.50m3/s，此方案既可利用当地排水渠（经估算此排水渠5m3/s左右，排入河道1 km左右，必要时进行整治），又可满足当地预留取水口的要求。

2+850～5+635半填半挖段渠道，采用内排单向透水膜方案。渠道渠坡每块现浇混凝土板（2.50m×2.50m）布设1块单向透水膜（底板布设2块），尺寸50 cm×50 cm，透水膜与防渗膜粘接。单向透水膜下部设置3 cm厚中粗砂垫层与原3 cm M10砂浆齐平，膜上设置3 cm中粗砂和7 cm厚无砂混凝土与渠道衬砌板表面齐平，其透水膜可以更换。

4 结语

新疆北岸干渠工程渠线长、流量大，因受地质、地形条件的影响，遇到膨胀性岩、湿陷性黄土、高地下水及欠固结软土等不良地质问题，对该渠段的基础处理是干渠渠道设计中的关键技术问题之一，处理不当将对渠道安全带来极大隐患或造成投资浪费，为确保渠道运行安全和节约投资，设计结合各渠段特点采取了不同的技术处理措施。同时，因地基处理都是隐蔽工程，很难直接检验其效果，在施工过程中还应加强质量管理和监测工作，采取可行的检测手段，通过收集、观察、分析数据，为下一阶段的工作提供可靠的依据，才能克服土质原有的缺点，使渠道最大限度地发挥作用。

[1]洪新，袁高军，等.北岸干渠工程初步设计报告[R].新疆乌鲁木齐:新疆水利水电勘测设计研究院，2011.

[2]水利水电工程单元工程施工质量验收评定标准—地基处理与基础工程（SL633—2012）[S].北京：中国水利水电出版社，2012.