□趙 峰（南水北調(diào)中線工程建管局河南直管局）

1.工程簡介

2012年是南水北調(diào)中線干線工程進入三年攻堅戰(zhàn)的第二年，是工程建設(shè)最為關(guān)鍵的一年，也是最具有挑戰(zhàn)性的一年，而河南省是渠道最長、征遷任務(wù)最大、技術(shù)最復雜、任務(wù)最繁重的省份。由于南水北調(diào)工程線路長，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，存在不少重大技術(shù)難題，其中不乏像膨脹土這樣的世界性技術(shù)難題。南水北調(diào)中線工程有膨脹土（巖）渠段357km，其中強膨脹土段60km；中線總干渠要穿越數(shù)百公里膨脹土地段，必須了解和解決其遇水膨脹、失水收縮之特性。

2.膨脹土特性及危害

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊粘性土，其礦物及化學成分和微觀結(jié)構(gòu)是膨脹土脹縮特性的內(nèi)在因素。膨脹土的粘土礦物主要為蒙脫石、伊利石和高嶺石等，脹縮特性主要由親水性粘土礦物蒙脫石和伊利石決定，它具有較大的比表面及陽離子交換量，在與水相互作用過程中，能吸收水分引起粒間膨脹及礦物晶體膨脹。膨脹土的這一特性常造成低層建筑物變形開裂，造成開挖邊坡發(fā)生滑動破壞；其反復脹縮變形及引起的強度衰減對工程的長期安全運行構(gòu)成嚴重隱患，任何局部的邊坡失穩(wěn)或襯砌結(jié)構(gòu)的破壞都將可能導致南水北調(diào)工程無法正常輸水。

膨脹土具有比一般粘性土更大的密度和強度，加上土體的吸水膨脹作用，因而天然情況下土體內(nèi)儲藏了一定的應(yīng)變能，一旦渠道開挖改變其約束條件，能量釋放及卸荷作用就會立即顯現(xiàn)出來。由于卸荷原因，渠周土體的物理力學性能和水文地質(zhì)條件在開挖前后都將發(fā)生較大的變化，首先,是土體由孔隙—裂隙型介質(zhì)向裂隙型介質(zhì)轉(zhuǎn)化，坡肩的垂直滲透性和坡內(nèi)的水平滲透性會明顯增強，有利于雨水、地表水的入滲，水的影響范圍和影響程度加大；其次,是導致原有裂隙面擴張，甚至逐步貫通，坡肩產(chǎn)生新的拉張裂隙；再次，是伴隨卸荷變形和裂隙面的擴張，潛在破壞面上的強度逐步減小。受上述3方面因素的共同影響，有的渠坡在開挖同時就會產(chǎn)生滑坡，有的滯后數(shù)天、數(shù)月產(chǎn)生滑坡，甚至滯后數(shù)年、數(shù)十年出現(xiàn)滑坡。

3.膨脹土渠坡變形破壞機理

3.1 膨脹土渠坡破壞模式

膨脹土渠道破壞形式主要有3種：

一是膨脹型滑坡：在大氣環(huán)境作用下，渠坡土體反復脹縮，結(jié)構(gòu)遭破壞，在雨水參與下，發(fā)生淺表層蠕動變形，深度一般1～2m，沒有明顯的底邊界。

二是結(jié)構(gòu)面控制型滑坡：當土體中長大裂隙發(fā)育時，在渠道開挖期間、或在渠道開挖后一段時間，發(fā)生受裂隙面控制的折線狀推移式滑坡，其深度以3～7m最為普遍，最深可達8～10m。若開挖邊坡分布軟弱地層界面，則滑坡深度可能更大，規(guī)模也會更大。

三是抬升變形：當渠道挖深超過過渡帶、揭露正常的非飽和膨脹土時，由于土體圍壓降低，土體將逐步產(chǎn)生松弛并出現(xiàn)吸濕作用，直至達到新的土-水平衡，在這一過程中，土體含水量逐步增加并發(fā)生膨脹，引起渠底抬升，甚至造成渠道襯砌開裂破壞。

3.1.1 結(jié)構(gòu)面控制性滑坡

滑坡的形成與渠坡土體的膨脹性、長大裂隙密度、地下水活動、坡比、渠坡高度等密切相關(guān)。南陽膨脹土試驗段發(fā)生的10處滑坡，均發(fā)生在中膨脹土區(qū)，或分布有中膨脹土夾層的弱膨脹土區(qū)，坡比1：2，坡高12～15m。TS10+600左岸滑坡具有結(jié)構(gòu)面控制型滑坡的形態(tài)特點，坡比1：3，坡高約6m。TS17—TS19之間幾處滑坡發(fā)生在弱膨脹土區(qū)，坡高9m，坡比1：2，滑面沿位于坡腳附近的中膨脹土頂面形成，具有典型的水平滑動特征。SH68+100滑坡位于一級馬道內(nèi)側(cè)的膨脹巖中，開挖坡比1：3，滑坡高度3.2m，巖體中裂隙面發(fā)育。

滑坡基本特征：一是滑坡方量一般100～1000m3。二是滑面主要受長大裂隙面或巖性界面的控制。三是滑坡啟動與地下水和降雨的關(guān)系密切。四是滑坡主要發(fā)生中、強膨脹土區(qū)，或分布有中膨脹土夾層的地段。五是滑坡后緣普遍有垂直拉裂帶，下部主滑床一般呈近水平狀。六是滑動緩慢，其滑移速度一般不超過10cm/d。七是除非受大型軟弱夾層控制，滑坡體高度一般＜10 m，多數(shù)不跨馬道，少數(shù)滑坡進入上、下級渠坡的高度也不超過3m。

這類滑坡嚴格受到可能構(gòu)成潛在滑動面的結(jié)構(gòu)面的控制，當單條結(jié)構(gòu)面足夠大時，渠道開挖過程就會產(chǎn)生滑動；當單條結(jié)構(gòu)面規(guī)模不足以立即產(chǎn)生滑動時，只要結(jié)構(gòu)面密度達到一定水平，就可能滯后一段時間產(chǎn)生滑坡。南陽試驗段的研究顯示，當緩傾角結(jié)構(gòu)面的連通率超過60%時，滑動的可能性極大。

當由巖性界面構(gòu)成滑動面時，也可能滯后較長時間才產(chǎn)生滑動，如陶岔閘后滑坡滯后30年，TS19滑坡滯后近半年，南陽試驗段弱Ⅰ滑坡滯后1年。說明巖性界面在蠕變過程中導致了強度衰減，而強度衰減則最終導致了滑坡。

3.1.2 卸荷回彈及膨脹變形

由于膨脹土具有超固結(jié)性，渠道開挖后，原本處于較高圍壓下的膨脹土產(chǎn)生卸荷、回彈、松弛，伴隨卸荷回彈，土體密度下降，含水量逐步上升，進而又導致土體產(chǎn)生膨脹。

當渠道襯砌完成、膨脹土重新被封閉后，坡面表部土體開始吸濕膨脹，渠道呈現(xiàn)整體抬升的格局，直至含水量與土體密度達到新的平衡。根據(jù)有荷飽和試驗，吸水膨脹變形主要發(fā)生在表部3m范圍。變形量與開挖深度、土體膨脹性成正比。南陽試驗段中膨脹土區(qū)在渠道封閉后的18個月內(nèi)觀測到30～80 mm的抬升變形，弱膨脹土區(qū)觀測到10～20mm的抬升變形。理論計算預(yù)測的最大抬升變形為80～100 mm、10～30 mm，與實際觀測值較為接近。

3.2 結(jié)構(gòu)面控制型滑坡機理

這類滑坡有兩個共同點：一是后緣都有一個陡傾的拉裂面（帶）；二是主滑面都近于水平，且主要追蹤已有的結(jié)構(gòu)面形成，如長大裂隙、軟弱夾層等。滑坡的觸發(fā)或滑動時，都有降水入滲的影響。某些情況下，滑坡剪出口還有反傾現(xiàn)象，意味著滑動力來自后部，屬于推移式滑動，而不是牽引式。一旦滑坡出現(xiàn)，如果不及時治理，就會以疊瓦形式不斷向后部發(fā)展。

膨脹土滑坡的滑動力較小，這可以從3個方面得到驗證：一是即使已經(jīng)啟動的滑坡，其穩(wěn)定性也處于臨界狀態(tài)，一旦雨水入滲就滑動，降雨一停，滑動也很快停止下來；二是滑動速度非常緩慢，一般一天位移量不超過10 cm，一年的滑動距離多在1 m左右；三是由于這類滑坡的滑面平緩，其規(guī)模一般都不大，因為隨著規(guī)模增大，阻滑力增大速度大于滑動力增長速度。

對于渠坡是否會發(fā)生滑坡取決于3個要素：一是坡體內(nèi)長大結(jié)構(gòu)面的連通率，根據(jù)南陽膨脹土試驗段的統(tǒng)計資料，當長大裂隙的密度＞0.03條/m2時，或連通率＞60%時，需要考慮邊坡的長期穩(wěn)定問題；二是渠道開挖深度，開挖深度決定渠坡土體的卸荷程度，開挖深度超過10m后，卸荷的影響不能忽視；三是雨水、地表水對坡體的影響程度。因此，膨脹土渠道需要重點關(guān)注的部位為挖深超過7～10m、長大結(jié)構(gòu)面或柔軟界面發(fā)育的膨脹土段。

滑坡的內(nèi)因是存在可能構(gòu)成滑動面的結(jié)構(gòu)面；滑坡的外因是雨水或地表水滲入坡體。卸荷的作用則是誘發(fā)裂隙面擴張、加大土體的滲透性和利于雨水入滲。

4.膨脹土主要處理措施

渠道邊坡開挖引起的卸荷對膨脹土渠坡穩(wěn)定是非常有害的，應(yīng)盡量加以約束。首先從引起渠坡失穩(wěn)的因素看，內(nèi)因是土體具有膨脹性和可能構(gòu)成滑移面的結(jié)構(gòu)面，外因是水的滲入和渠道開挖卸荷引起的應(yīng)力調(diào)整。因此膨脹土渠坡的穩(wěn)定治理措施的關(guān)鍵是消除膨脹土的脹縮環(huán)境，防治結(jié)構(gòu)面性狀惡化和貫通。為此，首先要使膨脹土處于一個相對封閉的環(huán)境，盡量減少土體與外界的水分交換，降低膨脹土含水量的變化幅度。目前主要采用改性水泥土進行坡面和渠底換填，可以很好地起到這一作用，坡肩在渠道開挖后處于拉張區(qū)，防滲措施應(yīng)進一步強化。坡面防護后，可以有效防止膨脹性滑坡、減少結(jié)構(gòu)面控制型滑坡的發(fā)生；在渠道結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的地質(zhì)條件下，采取抗滑措施防止因卸荷、雨水入滲等外部因素引起的渠坡穩(wěn)定性惡化，包括采用抗滑混凝土樁、土工格柵柔性擋墻、混凝土擋墻等。

5.目前成果和結(jié)論

針對膨脹土邊坡穩(wěn)定這一難題，技術(shù)人員以大規(guī)模的膨脹土渠道原型試驗為依托，采用地質(zhì)勘察、現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、數(shù)值分析等多種研究手段，對膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定問題進行了多次科學試驗，取得了一批重要參數(shù)；提出了膨脹土等級現(xiàn)場快速判別的定性和半定量方法，分析了膨脹土邊坡破壞主要模式，揭示了膨脹土強度的非線性特性，提出了反映裂隙空間分布的穩(wěn)定分析新方法，系統(tǒng)研究了膨脹土渠道邊坡多種工程措施的作用機理和有效性，為進一步研究解決南水北調(diào)中線工程膨脹土邊坡穩(wěn)定問題提供了一定的技術(shù)支持。

通過對南水北調(diào)中線工程河南新鄉(xiāng)試驗段和南陽試驗段的研究分析及總結(jié)，南水北調(diào)中線建設(shè)管理局先后印發(fā)了《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工工法》、《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工技術(shù)要求》、《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工監(jiān)理實施細則》、《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹巖處理施工技術(shù)要求》、《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定》等一系列文件，用以指導和規(guī)范目前膨脹土（巖）渠道的設(shè)計和施工過程，供相關(guān)單位在工程管理中參考應(yīng)用。

目前，十二五國家科技支撐計劃—南水北調(diào)中線工程關(guān)鍵技術(shù)項目，根據(jù)工程存在的問題，共設(shè)置7個課題，其中有6個與膨脹土處理技術(shù)有關(guān)，對膨脹土問題的研究遠沒有停止。