黑龙江省渠道分散性土和膨胀土的工程危害及处理方法

2017-03-21樊恒辉杨秀娟车雯方李海涛

中国农村水利水电 2017年12期

张勇，樊恒辉，杨秀娟，张路，车雯方，李海涛

(1.西北农林科技大学，陕西杨凌 712100；2.黑龙江省双鸭山市宝清县水务局，黑龙江双鸭山 155600)

0 引言

渠道工程的主要任务是输水，水对渠道的稳定性影响非常大，特别是在膨胀土、分散性土、盐渍土和湿陷性黄土等地区，需要考虑特殊土的物理、化学和力学性质，采取适宜的设计方法和工程措施，才能确保渠道的安全运行[1]。工程实践发现，黑龙江省松嫩平原和三江平原范围内的渠道工程土体具有一定的分散性和膨胀性，由于分散性土和膨胀土具有很强的水敏性，分散性土抵抗水流冲蚀的能力很低，在水流的冲蚀作用下容易分散和流失；膨胀土具有遇水膨胀，失水收缩的工程特性[2,3]。因此，在渠道工程的修建中，如果土体属于分散性土或膨胀土，则必须采取合理的工程措施对土体进行处理，确保渠基和渠坡的稳定。目前，工程实践中这类特殊土的处理方法，常采用石灰、粉煤灰、水泥等进行土性改良，这些无机结合料掺入土体后，通过水解水化反应、阳离子交换反应、碳酸化反应和火山灰反应，有效地改善土体的工程特性[4～6]。石灰是一种最常用的固结土壤的无机结合料，取材容易、工艺简单、价格低廉，被广泛使用[7]。王文健[8]等发现南引水库17号筑坝土料是十分典型的强分散性土，采用掺入4%的石灰配制成的改性土进行包裹，下游段采用细砂做了反滤排水处理。刘杰[9]对均质土坝中的分散性土掺入2%～3%石灰进行改性，同时采用反滤层保护分散性土。高明霞等[10]对南坪水库筑坝土料进行改性试验，得出掺入1%消石灰即可有效改善土料分散性。李华銮等[11]对大屯水库、岭落水库、管路水库分散性土料进行改性试验研究，发现石灰剂量达到1.5%时，改性效果最佳。惠会清等[4]研究发现掺加10%的石灰对强膨胀土的处理效果最好，并提出粉煤灰和石灰混合使用比较经济。陈涛等[12]对广州绕城高速公路强膨胀土掺入5%的石灰，很好的消除了土体膨胀性。王永卫等[13]对某工程的膨胀土进行研究，发现当掺入6%～7%的石灰的时候效果最好，既改善了土的颗粒组成，物理性质，胀缩特性，又提高了力学强度。周小顺等[14]对江苏省中部某高速公路的弱膨胀土进行研究，发现掺入3%的石灰便可达改性效果。可以看出，膨胀性越强，掺灰量越大，具体工程需具体试验确定掺量。采用石灰进行土性改良是一种成本低、效果好的措施，可以与其他方法结合达到工程安全运行的要求，具有较强的研究与工程实践意义。

本文通过室内试验研究了黑龙江省灌区渠道典型特殊土的物理化学性质、分散性、膨胀性，在野外调研和查阅文献的基础上，对渠道分散性土和膨胀土的工程危害和处理方法进行总结，并使用石灰对土样的分散性和膨胀性进行了改性处理，研究其改性效果，提出适合黑龙江省灌区渠道特殊土的处理方法，为该地区渠道工程治理提供理论依据。

表1 土样的物理化学性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil samples

注：1-蛤蟆通灌区；2-万北总干渠；3-引汤灌区。

1 黑龙江省灌区渠道特殊土工程性质

1.1 工程背景

试验用土取自黑龙江省蛤蟆通灌区、万北总干渠和引汤灌区，取土深度为地表以下30～50 cm。

蛤蟆通灌区位于黑龙江省宝清县境内，灌区东以蛤蟆通河为界与八五三农场相接，西以大索伦排干为界，南以富饶公路为界，北以小挠力河与蛤蟆通河汇合处为界。总面积2.99 万hm2，设计灌溉面积2.08 万hm2。截止目前已完成渠道防渗及护砌总长度50.47 km；总干渠采用双坡面混凝土板护砌，部分工程已完建渠道均出现不同程度坡面冻胀变形，其中渠道混凝土护砌段发生冻胀长度2.4 km，坡面出现大面积渗漏点0.4 km。蛤蟆通灌区原设计采用单一的混凝土防渗材料，其虽然有一定的防渗性能，又能适应高流速，但通过多年的运行实践表明，其很难达到预期的防渗效果和耐久性，工程难以发挥应有效益。

万北总干渠属于龙头桥灌区的分灌区，龙头桥灌区位于三江平原腹地、挠力河中上游地区。灌区总面积4.46 万hm2，设计灌溉面积2.87 万hm2，是黑龙江省20个重点大型灌区之一。已建设的骨干渠道全部采用土工膜防渗形式，从多年运行情况来看，渠道防渗效果较好，但是渠道冻胀破坏也较为严重。破坏主要发生在常年地下水位线处，一般在渠道坡脚以下3～4排处冻胀破坏最为严重，严重处在春季融化期发生护坡板脱落，上层护坡板向下位移。目前渠道防冻胀技术应用段主要采用预制混凝土板结构，从近几年运行情况看，防冻胀效果并不好，护坡板向渠道临空面鼓起约5～6 cm，与常规护坡板护砌形式比较，效果差不多。

引汤灌区在松花江下游左岸，汤原县境内，位于汤旺河以东、东河以西、阶地以南、松花江以北的平原区。灌区总面积3.77 万hm2，设计灌溉面积2.68 万hm2。渠道防渗形式主要采用预制混凝土板和模袋混凝土护坡，并结合下铺砂垫层和复合土工膜等措施。灌区衬砌渠道冻胀破坏现象表现主要为冻胀破坏，衬砌的混凝土板的鼓胀、裂缝、隆起、滑塌等，未衬砌渠段出现大面积冲沟和孔洞现象，破坏程度十分严重。

1.2 土样的基本物理化学性质

按照《土工试验规程》[15]的规定测定3组土样的物理化学性质，试验结果见表1。从表1中可知，3组土样的颗粒相对密度在2.66～2.71之间，液限在49.9%～61.9%之间，塑限在26.5%～37.4%之间，塑性指数在23.1～24.5之间。颗粒组成中砂粒含量在0.1%～0.7%之间，粉粒含量在38.3%～52.1%之间，黏粒含量在47.8%～61.0%之间。最大干密度在1.48～1.57 g/cm之间，最优含水率在24.5%～26.9%之间。按塑性图分类，土样1、2均属于高液限粉土(MH)，土样3属于低液限黏土(CL)。3组土样的易溶盐含量在0.1～0.2 g/kg之间，中溶盐含量在0.6～0.8 g/kg之间，难溶盐含量在0.1～0.8 g/kg之间，有机质含量在3.8～14.7 g/kg之间，pH值在6.63～7.75之间。

1.3 土样的分散性试验

按照《分散性土研究》[16]中介绍的土样分散性试验方法及判别标准，采用双比重计试验、针孔试验、碎块试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验等5种试验，综合判别土样的分散性。

土样分散性试验结果见表2，针孔试验和碎块试验照片见图1。双比重计试验结果表明，土样1的分散度为63.0%，属于分散性土；土样2分散度为22.6%，属于非分散性土；土样3的分散度为36.6%，属于过渡性土。针孔试验结果表明，土样1在50 mm水头作下持续10 min，水流浑浊且最终孔径大于2 mm，属于分散性土；土样2、3在1 020 mm水头作下持续5 min，水流清澈且孔径无变化，属于非分散性土。碎块试验结果表明，土样1、3在水中反应严重，属于分散性土；土样2在水中没有反应，属于非分散性土。孔隙水可溶性阳离子试验结果表明，3组土样PS均小于40%，均属于非分散性土。交换性钠离子百分比试验结果表明，3组土样的ESP均小于7%，均属于非分散性土。

以上分析可以看出，对于土样2，5种试验方法结果一致，均为非分散性土。但对于土样1、3，5种试验方法结果并不完全一致。因此，一般情况下采用单一的试验结果不能正确的鉴定土样的分散性，所以采用分散性土综合判别准则[17]以得出更可靠的判别结果。土样分散性鉴定及综合判别结果见表3，由表3可知，通过计算土样的分散性、过渡性、非分散性权重，发现土样1的分散性权重为80%，属于分散性土。土样2、3的分散性权重小于50%，且“分散性+过渡性”的权重小于50%，属于非分散性土。

表2 土样分散性试验判别结果Tab.2 Results of dispersive property tests of soil samples

注：判断标准：①双比重计试验：分散度<30%，非分散性土；30%≤分散度≤50%，过渡性土；50% <分散度，分散性土。②针孔试验：380～1 020 mm水头下水流清澈且针孔不扩大，非分散性土；180～380 mm水头下水流稍浑浊且孔径缓慢扩大到原孔径的1.5倍以上，过渡性土； 50 mm水头下水流浑浊且针孔迅速扩大到原孔径的1.5倍以上，分散性土。③碎块试验：土块崩解后不出现浑浊(稍混浊后很快变清)且以细颗粒状平堆在烧杯底部，非分散性土；土块崩解后四周有微量浑浊且扩散范围小，过渡性土；土块崩解产生大量雾状浑浊且扩散到整个烧杯底部，分散性土。④孔隙水可溶性阳离子试验：TDS >1的情况下，PS < 40%，非分散性土；40 %≤PS≤60 %，过渡性土；60 %

表3 土样分散性鉴定及综合判别结果Tab.3 Comprehensive results of dispersive property tests of soil samples

注：综合判别准则：①双比重计试验的权重值取20%，针孔试验的权重值取40%，碎块试验的权重值取20%，孔隙水可溶性阳离子试验的权重值取10%，交换性钠离子百分比试验的权重值取10%。②分散性权重<50%的情况下，“分散性+过渡性”权重≥50%，过渡性土；“分散性+过渡性”权重<50%，非分散性土。分散性权重=50%的情况下，过渡性权重≥20%，分散性土；过渡性权重<20%，过渡性土；分散性权重>50%，分散性土。

图1 针孔试验和碎块试验照片Fig.1 Photos of the pinhole test and the crumb test

1.4 土样的膨胀性试验

土体的膨胀性应根据土样的自由膨胀率、场地的工程地质特征和建筑物的破坏形态综合判别。本研究根据实际情况，采用《膨胀土地区建筑技术规范》[18]制定的自由膨胀率试验测定土样的自由膨胀率，评价土样的膨胀性。土样的自由膨胀率试验结果见表4。从表4中可看出，土样1、3的自由膨胀率40≤δef<65，属于弱膨胀土；土样2的自由膨胀率90≤δef，所以属于强膨胀土。这3组土样都具有一定的膨胀潜势，属于膨胀性土。

表4 土样的自由膨胀率试验结果Tab.4 Results of free swelling ratio test of soil samples

注：40≤δef<65，土体膨胀潜势弱；65≤δef<90，土体膨胀潜势中；90≤δef，土体膨胀潜势强。

2 渠道特殊土的工程危害及处理方法

2.1 渠道分散性土工程危害及处理方法

从渗透破坏和抗水冲蚀的角度出发，将黏性土分为非分散性土、过渡性土和分散性土。分散性土在低含盐量水中(或纯净水中)细颗粒之间的黏聚力大部分甚至全部消失，呈团聚体存在的颗粒体自行分散成原级的黏土颗粒[6]。因此，分散性土的抗水蚀性能很低，危害性很大(见图2)。

图2 分散性土渠道工程病害图Fig.2 Photos of diseases of dispersive clay canal

分散性土渠道破坏形式主要有冲蚀破坏、渗透破坏两种形式。冲蚀破坏是指分散性土遇到盐浓度比较低的水，细颗粒之间的黏聚力大部分甚至全部丧失，土体表面土粒逐渐依次脱落，形成悬液；如果遇到流动的水，分散性土的土粒即被带走，冲蚀现象甚至比细砂或粉土还严重，在土体表面形成孔洞或者冲沟[19]。渗透破坏即在渗流作用下，分散性土土体表面的微裂缝内部土颗粒在遇水情况下黏聚力几乎完全丧失，裂缝内部表面土颗粒逐渐脱落，随着土颗粒的依次脱落裂缝不断发展延伸，从而导致土体形成贯通的渗流通道，造成土体的管涌破坏。如果分散性土渠道处理不当，将对渠基与渠坡的稳定性产生不利影响。

分散性土渠道的处理措施主要如下。

(1)土性改良措施。采用石灰、水泥等无机结合料改变土体性质，消除其分散性。

(2)防渗措施。使用土工膜防止水渗入土体，从而避免分散性土被水冲蚀。

(3)反滤层措施。采用反滤砂或土工布作为反滤保护措施，防止分散性土土颗粒被渗流水携带流失。

(4)坡面保护措施。选择草皮或者格栅(土工格栅、混凝土格栅)，防止坡面产生冲沟和表层土流失[20]。

根据工程实际情况，这些措施可单独采用，也可综合采用。例如，黑龙江省大庆地区的双阳河水库土料是分散性土，处理措施为：上游坡和坝顶用土工防渗膜包起来，下游坡用草皮护坡保护。上游坡坝身的土面上先铺土工布防渗膜，膜上面是土工织物垫层，垫层上铺混凝土板护坡[19]。黑龙江省南部引嫩工程16、17号坝的筑坝土料经试验后被确认是十分典型的强分散性土，16号坝主要以反滤料保护法为主，上游采用土工布包裹，外铺混凝土预制板，下游坝坡在出逸高度下，用土工布做反滤层保护出逸段以下坝段不发生管涌；17号坝采用了掺入4%的石灰配制成改性土进行包裹，下游逸出段采用细砂做反滤排水处理，并种植草皮护坡。美国密西西比州分散性土大坝同样以石灰改良土包裹为主，去除表层土后用2%石灰土铺盖压实，摊铺表土后种植草皮[16]。

2.2 渠道膨胀土的工程危害及处理方法

膨胀土是由膨胀性黏土矿物蒙脱石、伊利石等组成的，具有胀缩性、超固结性、多裂隙性以及强度衰减特性的一类特殊黏性土[21]。膨胀土地区修建的渠道常常发生渠基和边坡破坏，工程界常称之为灾害性土(见图3)。

图3 膨胀土渠道工程病害图Fig.3 Photos of diseases of expansive clay canal

膨胀土渠道易发生渠堤滑坡，且挖方渠坡面滑坡规模一般比填方渠大；渠堤堤肩易发生坍塌，沿渠线方向分布的坍塌体长度不等；堤腰或坡脚处易发生溜坍，既可能出现单个溜坍体，也可能数个溜坍体沿堤线方向相互重叠形成溜坍裙；在坡腰或接近坡腰处，土体膨胀容易引起局部外胀现象；边坡坡面受雨水冲刷容易形成冲沟，冲淘程度严重且形成速度快；由于边坡表层土体性质、干缩湿胀循环、雨水冲刷等综合作用，坡面容易发生松散、剥落和泥流。这些破坏直接影响渠道的安全运行，其造成的损失及危害性也是巨大的[22]。

膨胀土渠道的主要处理措施如下。

(1)换填措施。将膨胀土置换为非膨胀黏性土或粗粒土。

(2)结构改造措施。采用合理的结构措施来适应地基土的变形，如选择合适的断面形状、设置挡土墙等措施。

(3)土性改良措施。采用石灰、水泥等无机结合料改变土体性质，消除土的膨胀性。

(4)坡面保护措施。选择草皮或者格栅(土工格栅、混凝土格栅)，防止坡面表层土流失和坍滑。

(5)排水措施。渠坡布置竖井结合水平孔排渗或辐射井排渗设施，从而降低膨胀土的含水率，减少土体的干湿变形。

(6)加筋措施。采用土工格栅加筋补强渠坡，可吸收土体干缩变形产生的收缩应力，并且提高土体的整体性和抗剪强度[20]。

工程上一般采用一种或者多种措施相结合的方式进行处理。例如，广西上思那板北干渠部分渠段膨胀土掺石灰并在表面铺盖水泥砂浆的方法，针对不同位置采用不同的石灰掺量和覆土厚度，处理30多年来正常运行[1]。黑龙江省北引工程土质为弱膨胀土、局部中等膨胀土，处理方案主要是从坡面防护、加固处理两个方面考虑，对于弱膨胀土考虑防渗为主，保护层材料采用“复合土工膜+混凝土护面”；对于中(局部强)膨胀土，采用换填的办法，换填材料采用“EPS 颗粒改良土”；对于破坏严重的地段，采用“防排水综合处理”或“加筋膨胀土”结构[23]。南水北调中线引江济汉工程采用弱膨胀土渠段不予处理、中等及弱偏中膨胀土的渠段进行换土回填的方法，并结合草皮护坡、排水沟等措施处理渠道膨胀土[24]。

3 特殊土的石灰改性试验

鉴于石灰对渠道分散性土和膨胀土的处理均有过成功案例，且石灰的造价较低，所以使用分析纯生石灰(CaO≥98%)对3种土样进行改性，掺量分别为1%、3%、5%；采用针孔试验、碎块试验和自由膨胀率试验鉴定石灰改性土的分散性和膨胀性。由于石灰掺量较少，所以改性试验中土体的含水率和密度仍采用素土的最优含水率和最大干密度。

3.1 分散性改性试验

由于土样1综合判别结果为分散性土，土样2、3综合判别结果为非分散性土，但土样3碎块试验表现为分散性土，所以只对土样1、3掺入石灰进行分散性改性，土样改性后进行针孔试验和碎块试验。试验结果见表5，试验照片见图4。从表5中可以看出，土样中加入石灰后，在1%、3%、5%三个掺量下经过3 d的养护龄期，2组土样针孔试验和碎块试验均表现为非分散性土的特征。由此可见，石灰对土样的分散性具有良好的改性效果。

图4 土样掺加3%石灰后针孔试验和碎块试验照片Fig.4 Photos of the pinhole test and the crumb test of the soil sample added lime

表5 掺加石灰的土样针孔、碎块试验结果Tab.5 Results of pinhole test and crumb test of soil samples added lime

3.2 膨胀性改性试验

由于3组土样均具有膨胀性，所以对3组土样掺入石灰进行膨胀性改性试验，并测定3d龄期时不同石灰掺量下改性土的自由膨胀率。试验结果见表6，试验照片见图5。从表6中可以看出，随着石灰剂量按照1%、3%、5%依次增大，土样的自由膨胀率降低，其中土样1在1%石灰掺量下仍然具有膨胀性，在3%、5%掺量下即表现为非膨胀土；土样2在1%、3%石灰掺量下仍然具有膨胀性，5%掺量下则无膨胀性；土样3在3个石灰掺量下均无膨胀性。所以，石灰对于膨胀土具有良好的改性效果，可以降低其膨胀性。