引江济淮工程现场试验段膨胀土利用分析

2020-01-06杨秀海

山东水利 2020年11期

杨秀海

（安徽省水利水电勘测设计院，安徽蚌埠 233000）

引江济淮工程由引江济巢、江淮沟通、江水北送三大部分组成，江淮沟通段是引江济淮工程的关键地段，全长155.10 km，沿线主要工程地质问题为膨胀土渠坡稳定性问题。根据膨胀土分布、渠道挖深、试验环境等因素，初步选择江淮沟通段桩号J41+000～42+500 作为试验渠道段。渠道挖深20～30 m 左右，渠坡上部为膨胀土，下部为泥质粉砂岩。

试验主要利用现场开挖的高渠坡，针对本工程具体膨胀土特性、渠道运营期周边环境条件，研究膨胀土工程地质特性及结构特性、膨胀土渠坡稳定分析方法、外界作用对膨胀土工程性质影响及施工工艺研究。

1 膨胀土工程地质特性及结构特性

利用开挖面研究膨胀土的工程地质特性，为现场试验和成果分析提供基础依据，具体工作开展情况如下：

1）在开挖过程中，通过系统取样及室内试验，进一步确定岩土的胀缩特性、天然土体含水量的垂向变化、强度，研究岩性、膨胀性的空间变化，为评价渠道处理效果提供可靠的地质资料。

2）利用渠道开挖面，观察研究天然情况下土体裂隙的形态、规模、充填物、裂隙面特征、发育程度的空间变化，研究其空间分布规律。

3）利用渠道开挖面，实时观测研究土体中地下水的赋存形式、渗流特征，开展现场渗透性试验，为渠道防渗排水设计提供依据。

4）在渠道不同开挖深度，开展膨胀土原位强度测试，研究膨胀土力学性质的尺寸效应和结构面控制效应，为确定膨胀土的力学参数、边坡稳定分析方法提供依据。

5）对开挖坡面岩土大气影响带发展演化进行实时观测，为制订渠道开挖临时保护措施提供依据。

6）利用开挖断面，开展膨胀土大气影响带及其以下土体结构特征研究，研究膨胀岩土结构对边坡稳定的控制作用。

7）对可能用作填方料（改性料）的弱膨胀土开挖弃料，开展相关专门试验。

8）在渠坡采取保护措施后，对坡内岩土的工程特性进行跟踪观测，研究土体物理力学性质在试验期的变化及发展趋势。

9）在膨胀土物理力学指标、膨胀性分级标准和膨胀土宏观特征相关性研究的基础上，提出膨胀土现场快速判别分级标准和判别方法。

2 膨胀土渠坡稳定分析方法研究

综合考虑膨胀土强度特征、变形特征以及存在膨胀力的特点，结合膨胀土渠坡失稳机理与失稳模式，研究提出膨胀土渠坡稳定性分析方法。从膨胀土边坡的实际破坏型式看，采用通常的圆弧滑动法或条分法存在一些问题，与实际破坏模式存在较大差别，需要根据具体膨胀土的特性及边界条件进行必要的改良，并进行必要的对比分析验证。

改良计算方法主要考虑以下几个方面：

1）结构面因素和胀缩裂隙带因素的地质概化模型建立。2）结构面强度控制理论的参数取值方法。3）潜在不稳定体受力条件。

3 外界作用对膨胀土工程性质的影响

进行气候和地下水对膨胀土工程特性及渠坡稳定性的影响研究，开展膨胀土改性试验研究（重点研究掺和比、掺和方法及改性土的工程特性），开展浅表层变形破坏防护处理试验研究、结构面控制型稳定处理试验研究等，对拟定的渠坡处理措施进行初步施工工艺研究，并进行初步经济比较分析，为工程设计方案的确定提供依据。

1）环境作用影响研究。膨胀土及崩解岩渠坡破坏的外因是大气环境影响、渠水入渗、地下水渗流等引起土体含水量发生变化，本质是土体的强度的变化。渠道开挖后，渠道周边土体所处的环境发生较大变化，将引起岩土体力学性能变化，并且这种变化是随时间而发展的。土体性质变化的程度和深度与大气降水和蒸发条件、开挖面的保护条件（裸露、混凝土衬砌保护、非膨胀性粘性土或改性土保护）和暴露时间的长短等有关。环境作用影响主要研究内容包括：①膨胀土强度与含水量关系研究。②膨胀土在干湿循环条件下的强度～变形特性研究。③在不同处理方案保护下，膨胀土含水量、工程特性的变化规律。④岩土体渗透性及渠道开挖后地下水运动规律研究。⑤膨胀土开挖边坡大气影响带形成速度及开挖边坡临时保护措施研究。⑥衬砌后孔隙水压力的分布特征、作用于渠道衬砌结构上的荷载、地基变形规律。⑦衬砌开裂渗水情况下，渠坡土体物理力学性质的变化及对混凝土衬砌的影响。

2）膨胀岩土开挖边坡破坏形式及机理研究。通过预先埋入的监测仪器和地质工程师现场解剖，研究渠道开挖后，渠坡稳定性演化、破坏形式、破坏发展过程、控制因素。研究膨胀土结构面发育分布规律、类型、特征、力学强度，研究开挖边坡破坏形式及发展演化模式。通过对破坏规律研究，优化坡形设计和抗滑措施布置。

3）膨胀岩土渠坡膨胀变形试验研究。通过岩土含水率和变形监测，研究在渠道施工过程及运行工况下，岩土含水率变化、强度衰减及膨胀变形规律、变形量、对衬砌结构及渠坡稳定的影响。

4）渠周岩土对渠道开挖的响应规律研究。研究渠道周边岩土对渠道开挖的响应，重点研究卸荷回弹变形方式、影响范围、变形量值、动态特征，研究卸荷作用对岩土强度、边坡稳定的影响、防范措施。研究渠道封闭后，渠基岩土含水率变化规律及其对岩土强度、膨胀变形、衬砌稳定的影响。

4 试验段现场施工工艺研究

根据不同的处理方案，研究相应的施工工艺和施工控制指标，完成试验段渠道工程的开挖、衬砌、防渗、排水、渠道边坡保护、试验所需的各类模拟设施、试验检测仪器的埋设、试验所需的水电供应系统及试验所需的临时设施建设等。重点是施工工艺及施工质量控制方面的研究。

对不同的处理措施，根据国内外相关施工经验，初步拟定施工工艺，在试验段施工之前，进行各种处理措施的施工试验，确定适宜的施工方法和参数，初步形成各种措施的施工工艺，并在试验段施工中进行优化调整。施工工艺研究的内容包括：膨胀土开挖技术，换填施工工艺，膨胀土改性施工工艺，开挖坡面临时保护技术。

1）膨胀土开挖技术研究。膨胀土及崩解岩具有快速风化特点，干湿循环后强度大幅下降，因此施工期间需要采取“快速开挖、临时保护、快速覆盖”的指导思想。开挖预留保护层，在基础覆盖前挖除。需研究膨胀土、崩解岩在不同天气条件下预留保护层厚度、基础面可暴露最长时间、允许的最大含水量变化值及保护层开挖技术。

已有的研究成果表明，膨胀土暴露地表后会在极短的时间内出现开裂，因此需要研究保护层剥离后至浇筑混凝土期间防止土体开裂的措施。膨胀土预留保护层一般为30～70 cm，厚度较小，且部分为坡面开挖，为了快速施工并减小开挖过程中对基础面的干扰，需选用适于膨胀土保护层开挖的机械、施工程序。

2）换填施工工艺研究。换填土厚度一般为1.0～2.5 m，坡面上水平宽度为2.2～5.2 m，需研究技术可行、经济合理的铺土方式、铺土分层厚度、最优含水量、虚铺超宽量、碾压机械、碾压方式、碾压遍数等，研究确定控制换填土施工质量的关键因素和控制环节。

3）土工格栅填土施工工艺研究。土工格栅加筋土柔性支护与地下排水结构相结合，可以用于非过水断面、地下水相对丰富、以浅表层胀缩变形为主的边坡防护。需研究土工格栅与填土的铺填方式，填土分层厚度、最优含水量、碾压机械、碾压方式、碾压遍数以及压实机械与土工格栅的最小距离，土工格栅的铺设工艺、搭接最小长度、固定工艺以及土工格栅垂直间距允许误差等。

4）水泥改性施工工艺研究。选择合适的改性原料，研究评价改性效果；选择合理的土料破碎方法；选择合理的拌和及碾压参数，确定改性及碾压施工质量控制标准。

5）开挖坡面临时保护措施研究。在渠道设计断面开挖到位至衬砌或坡面保护设施实施完成前，膨胀土及崩解岩开挖面一般有一定的暴露时间，尽管时间不长，但对渠道周缘土体性质的影响却是显著的，因此一般要采取临时保护措施，如洒水、遮阳覆盖、喷砂浆等。需要通过试验确定相关保护方法及技术指标。