任夠平

（山西省水利水電工程建設監(jiān)理公司 太原 030002）

膨脹性泥巖在維持天然含水率時，結構面少，整體性好，抗壓強度和抗剪強度高，抵抗壓縮變形和剪切變形能力強，具有優(yōu)良的工程力學特性。當外因使得天然含水率發(fā)生改變時，其承載能力和變形特性會有顯著變化。實驗和工程實踐證明：當膨脹性泥巖的含水率低于天然值時，表現出失水崩解、體積膨脹、次生裂隙數量增多、縫寬增大，泥巖整體性能惡化，逐漸成為散體結構；而當含水率超過天然值時，又會顯現出增水軟化、抗剪強度迅速損失的特點。長期位于地下水位波動區(qū)或淺表區(qū)的泥巖，在遇到負溫時，還會因微裂隙中的水分結冰而產生不可逆的凍脹破壞。

渠道選線受技術經濟因素綜合影響后，確定通過膨脹性泥巖段是常見的工程設計。膨脹性泥巖渠基若防護不當，會由于氣溫變化和渠水滲漏、降水入滲，使自身含水量會發(fā)生改變，承載能力降低。加上凍融交替作用和工作荷載基本組合、特殊組合作用，會在較短年限內引起渠底和渠坡鼓脹、塌陷、滑坡等，過水斷面形狀和尺寸、橫坡、縱坡和糙率被迫改變，水流性態(tài)失控，繼而引發(fā)渠道淤積、沖刷等次生危害，嚴重影響渠道輸水效率、運行安全、使用壽命和投資效益。

因此，膨脹性泥巖對于輸水渠道來說屬于不良地質，如何有效防止渠道滑坡、滲漏、凍脹，實現正常輸水，一直是工程界研究的課題。下面以新疆北部地區(qū)某輸水工程為例來探討設計對策。

1 某輸水工程簡介

該輸水渠道工程為Ⅱ等大（2）型，地處新疆北疆。干渠全長105km，設計流量48m3/s，縱坡i=1/10000，渠道斷面為梯形，渠身采用10cm厚現澆混凝土板機械襯砌，兩布一膜（200g-0.6mm-200g）防滲，渠底寬 6m，內邊坡1∶2.5。沿線渠基的巖性有Q4al沖積砂卵石、砂礫石、含礫中粗砂、中細砂、風積砂、低液限粉砂土、粉土、泥巖等多種類別。膨脹性泥巖挖方渠段長33.08km，其中2.5 km渠道泥巖埋深為4.5～18m，且為弱膨脹泥巖，對渠道影響不大。另30.58km渠底與渠坡地基分布有中強膨脹泥巖，膨脹力69～129kPa，無荷膨脹率13%～103%，需要采取工程處理措施。工程所在地屬大陸性寒溫帶氣候，冷、熱、風、干特征顯著。多年平均氣溫4.8℃，極端高溫37.6℃，極端低溫-43.5℃；月內溫差最大為37.2℃；晝夜溫差最大為20℃。多年平均降水量203.8mm，蒸發(fā)量1447.5mm。多年平均風速2.4m/s，最大風速35.1m/s，最大風向北。最大積雪深度76cm，最大凍土深度146cm。

為消除惡劣氣候對膨脹性泥巖挖方渠段的危害和影響，從泥巖建基面到混凝土面板，設計有6項功能層，用來保持泥巖邊坡穩(wěn)定，解決防滲與防凍脹問題。渠道典型橫斷面如下頁圖所示。

防止渠坡滑塌、確保渠槽開挖安全和運行期安全是首要解決的問題。設計采取三項措施。一是按照穩(wěn)定邊坡由上至下開挖；二是在泥巖出露頂面設明溝截排水；三是深挖方段設置多級馬道減負。為降低挖方施工和征地費用，邊坡放緩一般按飽和狀態(tài)下的泥巖摩擦角來控制。膨脹泥巖巖體的室內試驗結果表明：干燥狀態(tài)下，c=500～800kPa，φ=35°～36°；飽和狀態(tài)下，c=9～18kPa，φ=28°～30°。據此渠槽開挖時一級馬道以下的邊坡選擇1∶2.5，以上的邊坡，根據含水情況，選擇較陡坡度。實踐證明：施工中泥巖頂板有大量滲水，邊坡開挖后放置了2年多，仍能保持穩(wěn)定。對于深挖方渠道，設置多級馬道，沿高度每6m設一馬道。

膨脹性泥巖挖方渠段設計典型橫斷面圖

防止泥巖得失水的基本思路是在泥巖邊坡挖成后，立即完成對新鮮巖面與周圍環(huán)境的隔離，力求隔水隔氣隔熱隔風。設計采用了兩布一膜隔水層，規(guī)格150g-0.4mm-150g，即第一層。

泥巖渠段防滲設計的基本思想是設置止水、隔水、排水、降水工程，采用層層設防、下隔中排上堵的原則，截斷渠水、地下水、降雨、雪融水侵入泥巖的可能途徑。第二至第六功能層都承擔此項作用。

第二層是60cm厚的天然砂礫料，取自渠道附近，其滲透系數大于1×10-3cm/s，主要用于加速排水，并給泥巖以壓重。在砂礫層中鋪設縱向軟式透水管和橫向PVC管，用于收、截、排空砂礫層中的滲水，縱向排水管外周填充混合反濾料，橫向排水管沿渠道水流方向每500m設置一道。在深挖段縱排距離較長時設豎井排水。第四層是水泥砂漿墊層，兼作找平層。第五層是防滲土工膜，兩布一膜，規(guī)格200g-0.6mm-200g，防止外水下滲。第六層是高性能素混凝土C20F300W8面板，起承壓、保溫、防滲和降低糙率的作用。混凝土板用斜坡襯砌機現澆，伸縮縫和溫度誘導縫中內填PVC塑料板，外填2cm厚聚硫密封膏，用來止水。

在負溫地區(qū)或負溫期間，尚需考慮解決有地下水泥巖地基的凍脹問題。凍脹現象發(fā)生的三要素是土質、溫度、水，土質是內因，其余為外因。設計試圖消除或降低三個因素的影響來減小凍脹作用。其一是用非凍脹敏感材料——砂礫料進行置換，厚度60cm；其二是設混凝土面板保溫；其三是設置排水層和隔水層，消除砂礫層中的滲流水和凍移水。

2 幾個問題的設計方案比選

2.1 泥巖隔水層材料比選

隔水層起著切斷泥巖與外界的接觸、維持泥巖天然含水量的作用。材料應有10-9cm/s量級的防滲性能，具有一定的拉伸強度，抗撕裂、抗頂破強度和較大的伸長率，以保證在換填砂礫料時隔水層完好無損。表1為隔水層材料的比選情況。

表1 幾種隔水層材料的比選

經現場施工試驗，在泥巖面上噴涂乳化瀝青施工方便但缺點也很明顯，在其上再鋪料后易破，影響隔水效果與換填工效。一布一膜（150g-0.4mm）同乳化瀝青，施工方便但鋪料時易破。膨潤土防水毯（4000g/m2與5000g/m2）各鋪設了 1.3 萬 m2，共 2.6 萬 m2，通過試驗發(fā)現，在其上覆砂礫料時仍能保持自身完好不破裂。但與兩布一膜（150g-0.4mm-150g）相比，重量大，不便于人工操作，同時上覆砂礫料經壓實后擠占了膨潤土變形空間，影響到長期的隔水效果。兩布一膜（150g-0.4mm-150g）可以較全面地滿足設計要求，且性價比最高，因而被選中。

2.2 過水斷面襯砌結構體型的優(yōu)化

該工程的梯形過水斷面，渠坡1∶2.5，較好地解決了泥巖在開挖期和運行期邊坡的穩(wěn)定。但渠底選擇了平底，凍脹作用下混凝土板易被拉裂，宜采用一定角度的弧底。由于弧形底板體型具有改善結構受力狀態(tài)、在受凍時發(fā)揮拱作用且能有效發(fā)揮混凝土材料抗壓強度高的特長，而且弧形開挖和弧底混凝土砌襯滑模施工技術早已成熟。因此建議在膨脹泥巖渠道開挖襯砌采用梯形邊坡和弧形底板，除有較好的抗凍能力外，還可以提高斷面過水能力或節(jié)約工程量，也適合機械化施工。

2.3 面板高性能混凝土配合比的討論

為確保迎水面板混凝土等級特別是防滲與抗凍性能達到設計要求，并降低造價，設計采用水膠比為0.43的高性能混凝土。建設單位委托試驗機構對不同料廠粗、細骨料，不同廠家水泥、粉煤灰、外加劑以及混凝土配合比進行試驗，為期8個月，推薦的施工配合比見表2、表3。

表2 渠道邊坡與底板襯砌混凝土配合比

表3 材料用量

一級配和二級配高性能混凝土配合比試驗表明：水膠比小于0.43、粉煤灰取25%或30%時，混凝土抗壓強度均可滿足26.6MPa的配制強度要求，同時混凝土抗?jié)B測值均可滿足設計要求。考慮早期強度和限制混凝土塑性變形的要求，粉煤灰摻量定為25%。引氣劑的比例（含氣量）對抗凍至關重要，水膠比0.43時，含氣量在5%左右，強度在30MPa左右，抗凍性能符合設計要求。彈性模量25～30GPa時，極限拉伸值在80×10-6以上，混凝土抗裂性能較好。經過200m長的渠道混凝土襯砌施工試驗，比較了混凝土施工的流動性、粘聚性、和易性以及與襯砌機的適應性后，最終選定一級配混凝土。

表2中配合比的坍落度和含氣量為混凝土入倉的控制值?；炷脸鰴C口的數值應略大，具體增幅還應根據天氣、運輸車輛攪拌、運距等因素經試驗論證確定。

除注重混凝土組分的選材和配合比來防治面板溫度裂縫外，試驗證明：合理的面板分塊尺寸、混凝土的養(yǎng)護和保濕、及時切縫也是不可缺失的。切塊尺寸比選了2m×2m、2.5m×2.5m、3m×3m 三種,最終選定2m×2m?；炷恋酿B(yǎng)護在終凝后立即進行，用線毯覆蓋保濕28天。切縫時機把握的原則為混凝土強度達到5MPa左右，具體參考氣溫、濕度、齡期和同期混凝土試塊的試驗成果，過早切不齊整，過遲出現開裂且工效降低。

在沉降裂縫防治方面，一是控制砂礫料換填相對密度不低于0.75，二是膜下砂漿強度不低于M10。

2.4 保溫體系的比選

表4為常用建筑保溫材料技術、經濟數據。

苯板重量輕、吸水率低、隔熱性好、施工方便，但成本高且為有機材料，抗老化、防火、防鼠害能力較差，直接影響到渠道長期保溫的效果和渠道設計壽命，該工程未采納。若考慮環(huán)保降低能耗的國家戰(zhàn)略，它淡出渠道保溫領域只是時間問題。由表4可知，換填砂礫料比較經濟。

表4 常用建筑保溫材料技術、經濟數據

由表5可見，用?；⒅榛炷链嫱瑯雍穸鹊母咝阅芑炷粒兄^高的性價比。

表5 同樣厚度下不同混凝土面板的性價比

表6給出了同樣保溫效果下四種保溫體系的全壽命年平均造價。由表6可知，保溫效果不變時，用?；炷链嫔暗[料最浪費，苯板保溫較換填造價高，換填方案保溫體系經濟指標較好，用?；炷链娓咝阅芑炷恋谋伢w系最節(jié)約，有較好的應用前景。

表6 幾種保溫體系的比選

3 幾點體會和建議

a.膨脹泥巖渠道過水斷面宜選擇弧底梯形。渠坡選擇為梯形，可通過改變坡度來適應不同巖性土開挖邊坡穩(wěn)定的需要，而且也能更好地適應斜坡機械化襯砌；渠底選擇為弧形，不僅有利于增加過水量，還有利于改善結構的受力狀態(tài)，增強襯砌板抵抗凍害能力。

b.為提高膨脹性泥巖段渠道的抗凍性能，選擇保溫混凝土即?；⒅楸鼗炷?，與高性能混凝土相比，可取得較高的性價比。玻化微珠保溫混凝土，導熱系數低，無機材料耐火，更有足夠的抗壓強度和優(yōu)良的防滲、抗凍和防裂性能，已在建筑外墻與內墻保溫節(jié)能領域廣泛使用并受到歡迎。

c.在節(jié)約投資方面，從防凍設計上考慮向陽渠坡和背陽渠坡對抗凍要求的區(qū)別，在不影響防凍效果的前提下向陽部位的防凍措施可作適當的削減或取消。?