龔壁衛(wèi)，童 軍

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

1 概 述

南水北調工程是目前我國乃至世界最宏偉的調水工程之一，中線工程總干渠將跨越我國長江、黃河、淮河、海河等多個流域，以及從南往北不同的氣候帶和地質結構。干渠沿線存在著諸如膨脹土、黃土、砂土等特殊性質的巖土所產生的工程地質問題，其中，有數(shù)百公里渠段將穿越膨脹土（巖）地區(qū)，這些渠段的斷面設計以及相應的工程處理措施，一直是工程技術人員所關注的問題。

根據(jù)初步設計報告［1］，中線一期工程總干渠沿線地表至渠底板以下5 m范圍內分布有膨脹土（巖）的渠段累計長約300余km，主要分布在陶岔北汝河段，輝縣 新鄉(xiāng)段，淇河 洪河南，邯鄲 邢臺段，此外潁河及小南河兩岸，安陽河北 東稻田，沙河，臨城，高邑，石家莊等地也有零星分布。

膨脹性土（巖）分布區(qū)地貌形態(tài)多為丘陵，壟崗和山前沖洪積、坡洪積裙，渠道挖深以小于10 m為主，部分渠段挖深可達10～15 m，局部渠段挖深15～30 m，少數(shù)渠段挖深可超過30 m。

上述膨脹性土（巖）渠段中，分布有膨脹巖的渠段長169．7 km，分布有膨脹土的渠段長279．7 km（部分渠段既分布有膨脹土，又分布有膨脹巖）。在膨脹巖渠段中，強膨脹巖渠段長34．2 km，中等膨脹巖渠段長58．73 km，弱膨脹巖渠段長76．79 km；在膨脹土渠段中，強膨脹土渠段長5．69 km，中等膨脹土渠段長103．5 km，弱膨脹土渠段長170．5 km。不同地域膨脹土（巖）的分布、時代、成因等存在一定的差異。

根據(jù)總體可研和初步設計階段的設計方案，膨脹土渠段采用換填非膨脹性黏土方法進行處理，其中，強膨脹土渠段換土厚度為2．0 m，中膨脹土渠段換土厚度為1．5～2．0 m，弱膨脹土換土厚度為1．0 m。這些措施是否合理以及這些設計方案的應用，還存在許多值得探討的問題。首先，換填非膨脹土是膨脹土地區(qū)地基處理的常用措施之一。對于中線工程，大面積的換土需要大量非膨脹土料源，往往運距遠、代價高，同時取料將占用大量土地資源，征地費用大，還會引起拆遷以及環(huán)境保護、水土流失等多方面問題。第二，膨脹土是一種易受降雨、蒸發(fā)、地下水位、沉積歷史等自然環(huán)境和地質條件影響的特殊土，總干渠沿線地質條件差異較大，自然環(huán)境不同，采用單一的處理方式可能難以同時滿足不同的地質條件和自然條件的要求。第三，大量的膨脹土挖方作為棄土需要轉運、堆放，而這些棄土在短期內很難作為耕地使用，從而增加復耕等環(huán)境修復工作，間接提高工程造價。最重要的是，由于目前所采用的設計理論和分析方法，均是針對一般黏性土的分析方法，沒有考慮膨脹土特殊性，不盡符合膨脹土邊坡破壞的實際情況。因此，換填非膨脹性后，仍然難以從根本上解決膨脹土地段渠道的穩(wěn)定問題。因此，必須研究更為合理的、替代換土方案的工程處理措施。

2 膨脹土渠道處理原則

膨脹土邊坡失穩(wěn)主要有2種類型：淺層滑動和深層滑動。在實際工程中，淺層滑動較為多見，主要發(fā)生在淺層大氣影響范圍內，并主要受裂隙控制；深層滑動則主要由軟弱結構面控制。觀測資料顯示，膨脹土渠道坡腳部位的位移比坡肩部位的位移大得多，這表明邊坡的失穩(wěn)一般先從坡腳開始發(fā)生，然后逐步向上牽引式發(fā)展；膨脹土在非飽和狀態(tài)下的吸力是影響渠坡穩(wěn)定的重要因素，降雨導致含水量增大和吸力降低，并導致抗剪強度（主要是凝聚力）的衰減，這是淺層滑坡的重要原因之一。另外，膨脹土含水量的變化還會導致膨脹土脹縮性的顯現(xiàn)，這也是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定的重要因素。

因此，膨脹土渠坡穩(wěn)定的處理措施，應緊密結合膨脹土上述破壞機理，考慮膨脹土的裂隙性、膨脹性、超固結性、吸水軟化等特性以及渠道的運行特點，采取針對性的處理措施［2］。

（1）裂隙處理：膨脹土體的破壞，主要源于水對土的作用，而水首先是通過土體的裂隙入滲的。地表部的膨脹土因受氣候的影響裂隙最為發(fā)育，其深度約在2 m左右的范圍內。這些裂隙面失水開裂，吸水膨脹，并導致裂隙不斷擴展，因此，膨脹土的治理應首先著眼于土體的裂隙問題。處治裂隙的最佳措施就是通過開挖破壞土體的原有結構，消除由于裂隙引起的潛在滑動面［3］。

（2）脹縮性處理：盡可能避免膨脹土與外界的水分交換，保持土體水分恒定（即保持吸力恒定）。

（3）淺層滑動和深層滑動的破壞機理是不同的，因此，它們的處理方法也不一樣。

（4）中、強膨脹土工程危害性大，是渠道工程的重點防治對象；弱膨脹土脹縮性較弱，對工程危害性較小，處理中也應區(qū)別對待。

（5）渠道過水斷面以上和過水斷面以下的膨脹土渠坡有不同的特點，處理也應有針對性。

考慮到膨脹土邊坡的上述特點，在膨脹土渠坡處理工程中應遵循以下幾個原則［3］：

（1）坡頂（上）以防護為主，防止土體開裂和雨水入滲；坡腳（下）以支擋和排水為主，提高土體抗滑能力。

（2）水下和水位變動區(qū)域設置混凝土襯砌，并在襯砌下部鋪設柔性墊層，吸收膨脹勢能。

（3）開挖緩坡，破壞大氣影響深度范圍的土體裂隙結構，然后，按一定的設計坡比回填，形成穩(wěn)定的坡型。渠坡坡的回填可考慮采用大型機械翻挖原土，再根據(jù)需要設置土工合成材料加筋等處理措施。

3 膨脹巖渠段處理措施

鑒于土工合成材料已廣泛應用于地基基礎處理、邊坡支擋等巖土工程，中線工程膨脹巖土渠坡，將考慮采用土工合成材料的加固措施，以替代換土處理方案。根據(jù)既有工程的加固處理經驗，主要采用土工格柵、土工袋2種材料。

土工格柵具有高強度、低延伸率和耐久性好等特點，將其分層水平鋪設在膨脹土邊坡中，形成加筋體，當膨脹土在干濕循環(huán)作用下產生脹縮時，由于土工格柵與土的界面摩擦和咬合作用，使土體的變形受到抑制，從而達到防止坡面開裂、提高邊坡淺表層土體整體穩(wěn)定性的目的。

一級馬道以上土工格柵處理層的保護，可以采用直接在表面植噴或選用普通編織袋裝根植土，并預先拌合當?shù)匾子谏L的、耐旱性草種，在外層堆碼整齊。編織袋宜疏松，并有一定孔隙以便草籽生長。一級馬道以下的土工格柵處理層，可以采用混凝土襯砌保護。

土工袋實質上是可以對膨脹土邊坡起到支擋作用的一種柔性結構，以約束膨脹變形和膨脹力的作用。土工袋的優(yōu)點是可以裝填膨脹土，同時單個土工袋的體積較小，便于施工。該技術近年來在日本等國應用較廣，在我國水利工程中，類似土工袋的構件也有較為廣泛的應用。

3．1 土工格柵加筋處理

3．1．1 材料及技術指標

格柵處理層施工主要材料為膨脹土（巖）開挖料、土工格柵、粗砂、編織袋、草種等。土工格柵應選用耐久性能、耐溫性能和施工性能均較好的HDPE土工格柵（幅寬大于1．0 m），根據(jù)渠道的不同部位，選擇合適的格柵材料。根據(jù)現(xiàn)有室內試驗成果，材料的抗拉強度宜50～80 kN／m；延伸率≤12%；2%應變對應的強度≥10～20 kN／m；5%應變對應的強度≥24～40 kN／m；蠕變強度（20℃）≥20～25 kN／m；碳黑含量≥2．0%。土工格柵回填采用開挖中弱膨脹性土料，其最大粒徑應≤100 mm，控制含水率為最優(yōu)含水率＋（1～2）%。

3．1．2 施工過程

土工格柵處理層的施工過程可分為清基、放樣、格柵鋪設、鋪土、碾壓5個步驟。首先應按照施工圖要求開挖邊坡，清除坡面及渠底浮土，要求基層平整度不超過±5 cm。遇地表積水應提前進行抽排，并清挖被水浸泡后的軟土，換填黏性土壓實，保證基坑清潔、干燥。然后嚴格按照施工圖放樣，做好邊樁、填土高度、格柵邊線、邊坡坡比控制等。土工格柵采用人工分層鋪設，在坡面向上層包裹形成反包搭接，反包長度（從土工袋尾端起）不小于100 cm，相鄰兩塊格柵之間為平接；格柵之間用連接棒搭接、格柵與土體之間用U型鋼筋錨接。格柵鋪設完成后，應先對鋪土巖土料的含水量、自由膨脹率進行檢測，在含水量、自由膨脹率滿足回填開挖料基本要求以后方可填筑施工。若開挖料實測含水率低于規(guī)定的含水率，應將篩下土料用灑水車噴灑濕潤，用挖掘機翻拌均勻（不少于3遍），直至達到以上要求后方可填筑施工。含水率調整后的土料，應及時用土工膜包裹，以防止含水率再次變化。最后，進行碾壓施工，其碾壓施工控制參數(shù)如表1所示。

表1 土工格柵處理層碾壓施工控制參數(shù)Table 1 The control parameters of the roller compaction of the geogrid treatment layer

3．1．3 施工質量控制

土工格柵處理層施工應重點控制原材料、碾壓工藝和壓實效果3個環(huán)節(jié)。其中，原材料應嚴格按照相關材料的技術指標進行控制；碾壓工藝應根據(jù)實際工程情況，在施工前通過碾壓試驗確定。格柵處理層坡面形成后的平整度不超過±5 cm；粗砂找平層按0．7的相對密度控制；處理層的壓實效果按照表2所規(guī)定的指標控制。

表2 土工格柵處理層的壓實效果控制指標Table 2 The control parameters for the compaction effects of the geogridtreated layer

3．2 土工袋處理

3．2．1 材料及技術指標

土工袋施工主要材料為土工袋、膨脹土（巖）開挖料、水泥、中粗砂、草種等。土工袋采用2種規(guī)格，大土工編織袋120 cm×147 cm，小土工編織袋45 cm×57 cm，可根據(jù)施工條件適當增加小土工編織袋尺寸。土工編織袋原材料的主要成分是摻有1%老化劑（UV）的聚丙烯（PP）。土工袋應在克重、經緯紗UV含量，經向、緯向拉力標準等項目上滿足相關技術指標。大土工袋裝袋料的最大粒徑應≤100 mm，小土工袋裝袋料最大粒徑應≤50 mm。膨脹土（巖）袋裝土料和填縫土料含水率應控制在最優(yōu)含水率＋（1～2）%。采用具有良好級配的中粗砂進行找平。

3．2．2 施工過程

土工袋處理層的施工過程中可分為清基、放樣、土工袋裝袋、土工袋和水泥土鋪設碾壓4個步驟。在土工袋鋪設施工前，應首先清除開挖斷面表層的浮土，接著嚴格按照施工圖放樣，做好邊樁、邊線和邊坡坡比控制等。土工袋裝袋時，應盡可能采用機械裝袋，如挖機裝料。裝袋土料應按照材料的技術要求進行控制，不同的裝袋料源需做含水率和自由膨脹率等參數(shù)檢測。在進行土工袋和水泥土鋪設碾壓時，土工袋采用逐層鋪設、逐層找平的方式施工，土工袋找平采用小型振動平板夯或輕型碾壓機械。土工袋鋪設后遇天氣變化或隔夜施工時，應注意場地的保護，避免已完成的結構體長時間暴露在大氣中。

3．2．3 施工質量控制

土工袋處理層施工應重點控制原材料、碾壓工藝和壓實效果3環(huán)節(jié)。其中，原材料應嚴格按照相關材料的技術指標進行控制；碾壓工藝在滿足壓實效果的前提下可根據(jù)實際情況進行施工優(yōu)化或調整，土工帶處理層坡面形成后的外切平整度不超過±2 cm，粗砂找平層按0．7的相對密實度控制；處理層的壓實質量控制標準見表3。

表3 土工袋處理層壓實質量控制標準Table 3 Control parameters for the compaction effects of the soilbagtreated layer

4 渠坡處理效果的原位試驗研究

4．1 原位雙環(huán)滲透試驗

為比較土工格柵、土工袋處理層的滲透性狀，在現(xiàn)場開展了2種處理措施的原位雙環(huán)滲透試驗，同時，還進行了現(xiàn)場開挖渠坡原巖的滲透試驗以進行比較。

表4為不同巖性土層及處理措施場地滲透系數(shù)及入滲影響深度比較。由表可知：①泥灰?guī)r和黏土巖的現(xiàn)場穩(wěn)定滲透系數(shù)均為10－5cm／s數(shù)量級，后者僅在系數(shù)上略高于前者；②泥灰?guī)r和黏土巖的現(xiàn)場最大入滲深度分別為1．6 m和1．0 m，黏土巖的入滲深度明顯小于泥灰?guī)r；③比較土工格柵處理層和土工袋處理層的現(xiàn)場滲透系數(shù)可見，土工格柵加筋處理層的滲透系數(shù)為10－6cm／s數(shù)量級，土工袋處理層的滲透系數(shù)為10－5cm／s數(shù)量級，兩者相差一個數(shù)量級，而入滲深度前者為0．8 m，后者為1．5 m，兩者相差近一倍。

表4 不同巖性及處理措施滲透系數(shù)及入滲影響深度比較Table 4 The comparison of the permeability coefficients and infiltration depths between different rock properties and treatmentsmeasures

4．2 現(xiàn)場降雨試驗

4．2．1 水平變形

為了解土工格柵和土工袋的處理措施在環(huán)境變化條件下的響應規(guī)律，分別在土工格柵處理區(qū)和土工袋處理區(qū)一級馬道以上渠坡開展了人工降雨試驗。同時，為便于比對，將裸坡試驗區(qū)在相同條件下的變形觀測數(shù)據(jù)匯總于表5。

表5 坡面水平變形量Table 5 Horizontal deformations of the bare slopes

觀測成果顯示：土工袋、格柵處理試驗區(qū)在人工降雨后渠坡的水平變形明顯比裸坡小，表明處理措施對渠坡水平變形的抑制效果十分明顯。

4．2．2 膨脹變形

為了比較降雨入滲條件下2種處理方案對抑制渠坡膨脹變形的作用，觀測了降雨后渠坡坡面的垂直變形成果。觀測成果顯示：裸坡區(qū)黏土巖渠坡在降雨條件下的最大膨脹變形為450．0 mm，土工袋處理層的最大膨脹變形為14．0 mm，土工格柵處理層的最大膨脹變形為7．0 mm。從抑制膨脹變形的效果上看，土工格柵處理層的效果最為明顯。

5 結 語

（1）通過現(xiàn)場試驗，初步探討了土工格柵、土工袋2種土工合成材料在膨脹巖渠坡處理工程中的應用，對土工格柵、土工袋2種土工合成材料在渠坡加固中的施工工藝進行了介紹，可供工程參考。

（2）通過開展現(xiàn)場原位滲透試驗、現(xiàn)場人工降雨試驗等，對比分析了膨脹巖裸坡以及土工格柵、土工袋2種處理措施的滲透、變形性狀，認為2種處理措施均對膨脹巖渠坡有一定的保護作用，并且，土工格柵加筋處理措施的防滲性能和抑制膨脹變形的效果更好。

［1］ 長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院，長江科學院．南水北調中線一期工程總干渠膨脹土試驗段工程（南陽段）段初步設計報告［R］．武漢：長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設計研究院，長江科學院，2008．

［2］ 龔壁衛(wèi)，周小文，包承綱．南水北調中線工程中的膨脹土研究［J］．人民長江，2002，（z1）：36－39．

［3］ 龔壁衛(wèi)，包承綱，周欣華．總干渠膨脹土渠坡處理措施探討［J］．長江科學院院報，2002，（增刊）：108－110．