总干渠渠道破坏分析处理措施研究

2015-10-25刘秀军

黑龙江水利科技 2015年5期

刘秀军

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐830000)

0 前言

北疆调水工程总干渠在运行多年来由于地质因素及土料性质局部破坏较严重，需对渠堤不稳定土料进行置换处理，因总干渠渠线先后穿越额尔齐斯河Ⅳ、Ⅴ级侵蚀、剥蚀平台，倾斜洼地和乌伦古河冲积平原等3个不同的地貌单元，地势为北东向西南逐渐降低，沿线出露的底层为石灰系、泥盆系、第三系和第四系底层。第三系地层是渠道穿越的主要底层，第三系地层属内陆湖相沉积，岩相变化大，常以透镜体和团块状分布，岩性为砂砾岩、砂岩、泥质砂岩、泥岩等，砂质泥岩、泥岩分布面积约占渠道总面积的21.6%。由于砂质泥岩、泥岩的矿物成分中均含有蒙脱石，岩土中当蒙脱石含量达7%以上，岩土表现出胀缩特征，且蒙脱石含量越高，产生的线胀缩率也就越大，对建筑物的危害也越严重。总干渠分布的砂质泥岩、泥岩，大部分属中等膨胀岩，个别达到强膨胀，由于岩石的矿物成分不同，黏粒含量的高低，含水量的不同，岩体的膨胀强弱也不同;总干渠大部分地段无大的工程地质问题，局部段砂质泥岩、泥岩属中等—强膨胀岩，存在边坡稳定和膨胀隆起引起渠道衬砌体的变形破坏等问题。

1 渠道的破坏分析和解决措施

1.1 渠道的破坏原因分析

总干渠运行15 a以来，每年春季或秋季均有6 ～9 处滑坡破坏。滑坡主要原因其一是由于渠道漏水和外来渗水无法排出，渠堤内部因渗水原因导致节理结构及受力不平衡发生变化，最终发生滑坡等破坏，这一问题在总干渠近年来的施工中已做了处理，在渠堤内增设了纵横排水设施，解决了渗水外排问题。其二是渠道因地质问题的破坏，总干渠局部段所处在地质构造第三系底层，砂质泥岩、泥岩属中等—强膨胀岩，存在导致渠道边坡稳定发生滑坡和膨胀隆起引起渠道衬砌体的变形破坏等问题。

1.2 渠道的置换形式

总干渠渠道置换的形式从断面结构分为半断面置换和全断面置换，半断面置换就是将局部单边滑坡的泥岩按设计尺寸挖出后回填稳定性好的土料［1］。全断面置换是将渠堤、渠底全部挖出，换填稳定性好的土料。

2 换填料的研究

2.1 换填料的选择

总干渠因地质因素较复杂，导致对渠道换填料以及料场的选定也增加了一定难度，总干渠所处在地质构造第三系底层，大部分岩性为砂质泥岩、泥岩，而渠道换填料要求较高，首先回填料颗粒均匀，含泥量要低，透水性好，碾压密实度要高，抗剪、抗压能力要强;其次考虑到降低成本问题，要求取料要本着“因地制宜，最近取材”的原则。

2.2 换填料的实验

总干渠是长距离输水工程，渠道跨距较长，要想保证回填料的质量及数量，且能降低成本就必须对其进行可行性研究，根据总干渠回填料的工程特性进行了试验。试验材料是从总干渠20 ～40 km渠段划定料场取得，试验在“中心土工试验室”完成。试验项目有颗粒分析、相对密度、比重、渗透、击实、抗剪强度、界限含水率土工试验(见表1)。试验依据SL237—1999《土工试验规程进行》进行。

表1 土的基本性质试验成果表

2.2.1 料场情况

垫层料试样分别取自14#、27#、41#料场土料。3个料场分别位于渠道里程14、27、41 km处。其中41#料场用量最大，所以本次试验以41#料场土料为主进行试验。

2.2.2 试验目的

1)通过相对密度试验为填筑施工质量控制提出合理的相对密度控制指标［2］。

2)提供回填料压实后的渗透系数和抗剪强度，为渠堤回填料设计和渠堤边坡稳定设计提供参数。

3)通过实验选出合理的料场，为工程节约成本。

2.2.3 颗粒分析试验

土的基本工程特性与其颗粒级配有很大关系。如压实的密度主要受到粒径＜5 mm(以下称含砂量)和＞5 mm含量(以下称含砾量)比例的影响。而土的渗透特性除了与土的密度或者是孔隙比影响外，还与其含＜0.1 mm含量有关。本次试验共进行了5个土料的颗粒分析试验，实验所得3个料场所取土样的颗粒级配变化范围较小，含＞2 mm颗粒在46% ～50%，属于粗粒土中的砂类土，但粒径＜0.075 mm含量＞15%，按砂类土分类为细粒土质砂，土名称为黏土质砂(见图1)。

图1 总干渠回填料颗分曲线

2.2.4 击实试验与直剪试验

本次试验分别对27#、41#料场土料进行了击实试验，击实试样颗粒最大粒径为5 mm。并对41#和土进行了压实度为0.99 的直剪试验，直剪试样颗粒最大粒径为2 mm。击实功能为592.2 kJ/m3。从击实曲线看出，土的干密度随土的含水率而变化，说明该土具有凝聚性细粒土特性。41#料场的＜5 mm土料为最优含水量时，其最大干密度值达到1.975 g/cm3，这一数值超过风干料相对密度试验结果的最大干密度1.90 g/cm3(风干含水量为1.0%)的数值，＜5 mm的土料最大干密度相当于湿料最大干密度0.96，说明该土具有凝聚性细粒土特性。

2.2.5 相对密度试验

从颗粒分析和击实试验看，总干渠回填料具有砾质土性质，即最大干密度除了与最优含水量有关还与含砾量有关。但考虑到现场土料的含水量较小为2% ～5%，施工配水成本高，因此进行了风干土料的相对密度试验。相对密度试验的目的是求出回填料的最大和最小干密度后，从而根据设计要求的相对密度值，确定现场压实干密度。一般含砾土的最大和最小干密度随砾石含量而变化，所以本次相对密度试验采用3个料场的平均级配制备不同含砾量的试样(砾石含量为0%、30%、50%、70%、100%)进行了试验，根据试验结果绘制相对密度—干密度砾石含量三因素相关图(见图2)。现场密度控制可根据设计相对密度和土料含砾量，利用三因素相关图确定现场控制干密度，相对密度控制指标适用于无凝聚性土;对于总干渠回填料如果用相对密度控制干密度，对于含砾量＜50%时，应考虑适当提高相对密度控制指标。

2.2.6 渗透试验

本次试验对3个料场土料均采用了不同干密度和不同含砾量的渗透试验，对不同粒径的试样采用了不同试验仪器设备。实验可看出结果符合随着孔隙比减小渗透系数也减小的渗透规律。如27#料场土颗粒＜2 mm试样孔隙比为0.332 时，渗透系数为1.4 ×10－7cm/s，试样孔隙比为0.582 时，渗透系数为4 ×10－5。本次试验使用了直径为300 mm大型渗透仪，进行了试样最大粒径为60 mm，含砾量为40%、50%、70%的渗透试验，在干密度相近的条件下，渗透系数随着含砾量增加而增大，而且在含砾量＜50%时变化较小，渗透系数≤i×10－5cm/s，可作为防渗土料，当含砾量增加到70%时，渗透系数增加到i ×10－3cm/s，成为排水土料。渗透系数随含砾量增大的原因主要是土料中的部分砾石形成骨架，粗颗粒之间的孔隙不能被细颗粒完全充填，使土料的渗透特性发生了较大变化。