沈鳳生

（國務院南水北調(diào)工程建設委員會辦公室 北京 100038）

1 概況

膨脹土（巖）渠坡處理是南水北調(diào)中線一期工程總干渠（以下簡稱中線總干渠）輸水明渠工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，在實施初期，中線總干渠膨脹土（巖）渠坡處理采用以放緩渠坡和對渠床進行換填處理為主的處理方案。隨著對膨脹土（巖）渠坡滑動破壞機理認識的進一步加深，膨脹土（巖）地層中可能存在裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面，裂隙產(chǎn)狀雖然有一定的規(guī)律性，但也具有很強的區(qū)域性及局部性；裂隙的密度、延展性與膨脹土（巖）的膨脹特性、地層埋置深度等相關(guān)；裂隙面光滑，抗剪強度低，對明渠渠道邊坡穩(wěn)定影響較大；裂隙面很多沒有厚度或厚度極薄，常規(guī)工程地質(zhì)鉆孔勘察難以準確查明；膨脹土（巖）渠坡一般存在上層滯水，且膨脹土（巖）的滲透系數(shù)多較換填土層大。由于缺乏在中、強膨脹土（巖）地基上修建大型明渠渠道的工程實踐經(jīng)驗，在總干渠上開展的兩個膨脹土（巖）渠坡處理現(xiàn)場試驗段，又不包括強膨脹土（巖）渠段和挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段試驗，且地下水位相對較低，因此，強膨脹土（巖）渠段和挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理方案需要借鑒試驗段試驗研究得出的規(guī)律性認識和分析方法，以及安陽段膨脹土（巖）渠坡處理工程經(jīng)驗，基于實際開挖地質(zhì)情況來深入研究。本文就中線總干渠明渠渠道膨脹土（巖）渠段施工期一級馬道以下渠坡處理方案進行探討。

2 膨脹土(巖)試驗段渠坡處理的基本認識

在中線總干渠上布設兩個膨脹土（巖）現(xiàn)場試驗段，即南陽靳崗試驗段和新鄉(xiāng)潞王墳試驗段。兩個試驗段研究成果表明∶影響膨脹土（巖）渠坡穩(wěn)定性的因素較多，歸納起來主要有兩大類：一類是與巖土自身物理力學特性有關(guān)的因素，如巖土體強度、膨脹性、滲透性等；另一類是與巖土的生存環(huán)境等有關(guān)的因素，如降雨和干濕循環(huán)過程、地層巖性、地形特征和裂隙產(chǎn)狀等。從靳崗試驗段發(fā)生渠坡破壞情況看，地層中的裂隙面是控制邊坡穩(wěn)定的重要因素，裂隙的密度、數(shù)量和傾向均對邊坡的穩(wěn)定有著重要影響，一旦地質(zhì)條件具備，加之開挖卸荷、大氣降雨等外部條件的變化，膨脹土（巖）邊坡就可能發(fā)生失穩(wěn)。從現(xiàn)場試驗可以看出，渠坡破壞主要表現(xiàn)為兩種不同的破壞模式，一類是由于裂隙面強度極低導致的滑動破壞；另一類是由于巖體吸濕膨脹所導致的破壞。靳崗試驗段以第一類破壞模式為主，潞王墳試驗段以第二類為主。靳崗試驗段施工開挖中，由弱膨脹土（巖）體組成的渠坡在坡比緩于1∶2 時，渠坡總體是穩(wěn)定的，施工開挖期一般不存在渠坡滑動問題。而中膨脹土（巖）體在坡比為1∶2 左右時，產(chǎn)生滑坡的幾率較大。潞王墳試驗段渠坡膨脹性相對較弱，地層裂隙不發(fā)育，施工開挖時渠坡破壞現(xiàn)象較少，尤其是地層沒有發(fā)現(xiàn)長大裂隙發(fā)育。

兩個試驗段開展試驗期間的地下水位均相對較低，地下水對已經(jīng)處理渠坡的影響并未充分體現(xiàn)。地下水影響可借鑒安陽段膨脹土（巖）渠坡處理經(jīng)驗，對于預測地下水位高于渠底的，需要采取合適的排水措施。初設階段提出的單一換填處理措施可以解決因為干濕循環(huán)引起的膨脹性穩(wěn)定問題，但對于地層裂隙的影響以及地下水位高于渠底而可能產(chǎn)生的換填層穩(wěn)定的問題需要研究采取進一步的處理措施。

3 原初設渠坡處理方案

初設階段原膨脹土（巖）渠坡處理方案采用換填非膨脹性黏土方案。以設計開挖斷面為基礎(chǔ)，在膨脹土（巖）出露的部位，分別從渠底和設計坡面下垂直超挖，按明渠渠道設計斷面回填碾壓。弱膨脹土（巖）換填厚度一般為0.6～1.0m；中膨脹土（巖）換填厚度一般為1.5～2.0m；強膨脹土（巖）換填厚度一般為2.0～2.5m。

對于缺乏非膨脹性黏土地區(qū)，通過靳崗和潞王墳兩現(xiàn)場試驗段對土工膜封閉、土工袋處理、土工格柵處理、換填摻水泥改性的膨脹土等采用封閉或用外力約束處理膨脹土（巖）渠坡的方案進行比選。通過反復的現(xiàn)場試驗研究，考慮工程施工工藝、經(jīng)濟合理性等多重因素后，最終選擇回填弱或中膨脹土摻水泥改性方案。改性土生產(chǎn)中摻水泥比例根據(jù)設計要求和試驗確定，一般弱膨脹土摻4%左右水泥，中膨脹土摻6%左右水泥。

4 主要地質(zhì)條件

膨脹土（巖）渠段的地質(zhì)條件隨明渠渠道穿越的地區(qū)不同而不同。中線總干渠膨脹土（巖）渠段總體可以分為3大段來研究，即邯邢段、漳河南—沙河南段、沙河南—陶岔段。

4.1 邯邢段

邯邢段膨脹土（巖）為第三系湖相沉積黏土巖及黏土，或第四系下更新統(tǒng)湖相沉積、冰水堆積黏土。第三系黏土巖及黏土，裂隙和隱蔽裂隙發(fā)育，裂面具蠟狀光滑，常見擦痕；第四系下更新統(tǒng)湖積黏土及壤土，黏土致密，裂隙及隱蔽裂隙發(fā)育，裂面蠟狀光澤，見擦痕；第四系下更新統(tǒng)冰水積湖積黏土、壤土，裂隙和隱蔽裂隙發(fā)育，裂面蠟狀光澤，見擦痕。邯邢段膨脹土（巖）空間分布特征明顯，弱、中和強膨脹性等級的土（巖）隨機性強，相互“包容”。主要抗剪強度指標為凝聚力19～30kPa，抗剪強度12o～17o。

4.2 漳河南—沙河南段

漳河南—沙河南渠段膨脹土（巖）主要為黏土巖及泥灰?guī)r。黏土巖多呈堅硬至硬塑土狀，成巖差，干裂后網(wǎng)狀裂隙發(fā)育。棕紅色黏土巖裂面具蠟狀光澤和擦痕，巖性不均，局部夾有砂質(zhì)黏土巖和泥質(zhì)砂巖，層內(nèi)夾有砂巖、礫巖、泥灰?guī)r等。泥灰?guī)r為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)，大部分成巖差，為硬可塑至堅硬土狀，多為軟巖，少部分鈣質(zhì)膠結(jié)，成巖較好，局部為半堅硬巖石，巖體均勻性差，夾有黏土巖透鏡體，節(jié)理裂隙發(fā)育，沿裂隙有鐵錳薄膜，局部見溶孔、溶隙。由于膨脹巖具有裂隙性和膨脹性，大量分布“方向隨機型”裂隙的土體，可視為強度各向同性。對于分布一定量的“組合定向型”裂隙的土體，其抗剪強度具有強烈的各向異性，難以用一個定量指標來表征某一點土體的抗剪強度。根據(jù)施工開挖期發(fā)生滑坡膨脹巖邊坡進行參數(shù)反演，黏土巖裂隙面抗剪強度參數(shù)，凝聚力約8.5kPa，摩擦角約10o；巖(土)塊抗剪強度凝聚力約16kPa，摩擦角約17o。

4.3 沙河南—陶岔段

沙河南—陶岔段膨脹土主要為第四系中、下更新統(tǒng)（Q2、Q1）粉質(zhì)黏土、上更新統(tǒng)（Q3）粉質(zhì)黏土。膨脹巖主要為上第三系（N）河湖相沉積的灰白、灰綠、棕黃色黏土巖、砂質(zhì)黏土巖、泥灰?guī)r。膨脹土（巖）渠段主要有如下兩方面特征：

（1）結(jié)構(gòu)條帶特征?？煞执髿庥绊憥?、過渡帶、非影響帶。大氣影響帶為地表以下0～3m，可取膨脹土（巖）殘余強度。過渡帶為地表以下3～7m，受大裂隙和長大裂隙控制，不僅發(fā)育有大裂隙和長大裂隙，而且普遍存在上層滯水。渠道開挖過程中，伴隨著邊坡土體卸荷松弛，裂隙或多或少地張開和錯位，上層滯水進入裂隙面可導致膨脹土（巖）強度下降?，F(xiàn)場試驗表明：膨脹土（巖）裂隙面強度較其殘余強度小。因此，過渡帶對邊坡穩(wěn)定性影響最大。非影響帶為地表以下7m 以上，受土體強度和裂隙強度控制，一般穩(wěn)定性較好，具有超固結(jié)性和微透水性，典型的非飽和性，大裂隙減少，并多呈閉合狀、光滑鏡面。

（2）地下水的垂直分帶特征。施工開挖揭示，上層滯水埋藏較淺，土體滲透特性在深度上具有明顯的分帶特征，自上而下分為較弱透水性、弱透水性和微弱透水性等三帶。

針對膨脹土(巖)地層中存在的裂隙，對裂隙面抗剪強度開展了專門試驗研究，并結(jié)合試驗中發(fā)生的滑坡體所開展的膨脹土（巖）裂隙面物理力學參數(shù)反分析，實際潛在滑動面上的綜合抗剪強度參數(shù)需根據(jù)裂隙面傾角、裂隙面與滑動面夾角等，按構(gòu)成滑動面的裂隙長度與切割土塊滑動面長度，通過加權(quán)平均方法確定。對于強膨脹土（巖），其土塊與裂隙滑動面抗剪強度參數(shù)均取裂隙面抗剪強度參數(shù)。據(jù)研究，膨脹土（巖）裂隙面抗剪強度凝聚力約10.3kPa，摩擦角約9.8o。

5 調(diào)整渠坡處理措施

對于地下水位（或上層滯水）高于渠底情況，需在膨脹土（巖）開挖面與換填層之間根據(jù)情況增設排水設施。同時對于施工開挖發(fā)現(xiàn)膨脹土（巖）裂隙發(fā)育、存在長大裂隙或結(jié)構(gòu)面的渠段，需對原初設膨脹土(巖)渠段渠坡處理方案進行穩(wěn)定復核，根據(jù)穩(wěn)定復核成果調(diào)整相應的處理措施。

5.1 穩(wěn)定分析研究

當膨脹土（巖）渠坡中存在裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面時，渠坡沿裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定分析中，潛在滑動面通常是折線型，或折線與弧線連通形成的組合滑動面，圓弧滑動面法難以反映邊坡失穩(wěn)時的實際情況，需要按照組合滑動面采用剛體極限平衡法進行分析計算。穩(wěn)定分析中，主要采用如下設計容許安全系數(shù)：

邊坡最小安全系數(shù)：基本組合1.5；完建與檢修1.3；非常組合1.2。

抗滑樁及坡面支撐梁：基本組合1.25；完建與檢修1.15；非常組合1.1。

土錨：基本組合2.0；完建與檢修1.5；非常組合1.5。

其中，抗滑樁、坡面支撐梁、土錨的結(jié)構(gòu)設計荷載一般按照滑坡體（非圓弧滑動面）安全系數(shù)1.3 情況下的剩余下滑力計算結(jié)果取值。

由于膨脹土（巖）渠坡中的裂隙在渠道開挖前無法事先查明，膨脹土（巖）渠坡加固設計一般按照最不利裂隙組合進行，在施工階段結(jié)合開挖實際揭露的裂隙情況進行復核調(diào)整。

經(jīng)穩(wěn)定性研究，強膨脹土（巖）或挖深大于15m 中膨脹土（巖）渠段，地層裂隙發(fā)育的弱膨脹土（巖）或挖深小于15m 中膨脹土（巖）渠段渠坡均需要采取進一步的渠坡加固措施。

5.2 渠坡處理措施比較

除由于地下水原因需要在膨脹土（巖）開挖面與換填土交界面上增設合適的排水措施外，對于初設處理方案不滿足穩(wěn)定要求的，對混凝土矩形明渠方案、混凝土落地槽方案、暗涵方案、擋土仰墻方案、“擋土仰墻”+“土錨”方案、以換填土為基本方案（“換填土”+“抗滑樁”支護方案、“換填土”+“抗滑樁”+“支撐剛架結(jié)構(gòu)”方案）等可行的膨脹土（巖）渠坡處理方案分別進行了研究，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，采用換填土作為調(diào)整膨脹土（巖）渠坡處理措施的基本方案。具體處理方案中，根據(jù)膨脹土（巖）渠段的不同情況，主要采取加厚換填層、增設抗滑樁等結(jié)構(gòu)支撐措施。

5.3 調(diào)整后的渠坡處理措施

根據(jù)設計研究成果，對于換填用非膨脹性黏土，若其自由膨脹率為20%～40%時，也需要摻水泥進行改性方能滿足換填土的功能要求。

5.3.1 邯邢段

邯邢段弱膨脹土（巖）及挖深小于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理措施主要采用原初設方案。強膨脹土（巖）及挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段長度約10.4km，其中有約9.9km渠段地下水位高于渠底，經(jīng)研究采用加厚換填厚度，部分放緩邊坡，增設排水措施，加厚混凝土襯砌厚度等措施來解決穩(wěn)定問題。對于強膨脹土（巖）渠段，渠坡及渠底換填層厚度增加到 3m或3.5m，當?shù)叵滤坏陀谇讜r，換填層厚度取3m，否則取3.5m；對于中膨脹土（巖）渠段，渠坡及渠底換填層厚度取2.5m?；炷烈r砌板厚度從原邊坡10cm，底板8cm 厚均增加到15cm厚。對于地下水位高于渠底的渠段，在換填層與膨脹土（巖）開挖面交界面上增設排水措施，其中渠坡采用縱橫向十字盲溝排水方案，渠底采用換填層下增設砂礫料排水層，通過排水設施將地下水匯集到渠坡靠渠底部位，通過逆止閥排水。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，部分換填土采用弱膨脹土經(jīng)摻4%水泥后改性。

5.3.2 漳河南—沙河南段

（1）弱膨脹土（巖）和挖深小于15m 的中膨脹土（巖）渠坡處理。根據(jù)預測地下水位與渠底相對高度，主要處理方案分3 三類。一是對預測地下水位低于渠底，開挖過程中未見有長大裂隙的渠段，仍按原初設方案實施；二是對預測地下水位高于渠底3m 范圍內(nèi)，且開挖過程中未見有長大裂隙的渠段，為保證施工完建期及檢修期渠道的安全，在原初設方案的基礎(chǔ)上，在換填土與膨脹土（巖）開挖面交界面上增設排水措施，即在坡面設置三維排水網(wǎng)墊，渠底鋪設粗砂墊層，并將設置在坡腳的軟式透水暗管集水相互連通，接入逆止閥排水。渠底以上3m 高度內(nèi)坡腳采用摻4%～5%水泥的水泥土，渠底以上3m 高度以上渠坡仍采用非膨脹性黏土換填；三是對預測地下水位高于渠底3m 以上渠段，其處理方案為在上述加強排水、加固坡腳方案基礎(chǔ)上，每隔一定距離設置一口輔助強排井。對于施工開挖有長大裂隙的，專門研究相應加固措施。

（2）強膨脹土（巖）及挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理（不包括滎陽段和鄭州1 段）。主要處理措施為換填，換填土采用摻5%水泥的水泥土。對于地下水位在渠底附近（不高于渠底1.5m）時，中膨脹土（巖）渠段渠坡?lián)Q填厚度為坡頂2.0m、坡底3.0m、渠底2.5m；強膨脹土（巖）渠段渠坡?lián)Q填厚度為坡頂2.5m、坡底3.5m、渠底3.0m。對于地下水位較高的情況（高于渠底1.5m），需在上述加厚換填層厚度基礎(chǔ)上，在換填土與膨脹土（巖）開挖面交界面上設置排水管網(wǎng)+逆止閥的組合排水系統(tǒng)。對于膨脹性強，經(jīng)計算分析需要增設抗滑措施的，一般在一級馬道頂部設置抗滑樁，以滿足邊坡的穩(wěn)定要求?？够瑯兜臉稄健㈤L度、間距根據(jù)具體情況確定。對于按照原初設方案已經(jīng)完成換填施工工序的強膨脹土（巖）渠坡，由于未能增厚換填層，需要采用“土錨桿”+“混凝土框格梁”的組合處理方案，即在混凝土縱、橫向框格梁交匯處設置土錨桿，土錨桿、混凝土框格梁的設計參數(shù)根據(jù)實際情況，由穩(wěn)定計算確定。

滎陽段挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段，在渠坡和渠底換填2.5m 非膨脹性黏土基礎(chǔ)上，采用抗滑樁方案或“抗滑樁”+“支撐剛架結(jié)構(gòu)”方案。

鄭州1 段挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段，采用膨脹土（巖）表面換填基礎(chǔ)上增設部分抗滑樁方案。換填土厚度在渠坡和渠底均取2.5m，摻4%水泥的改性土換填，混凝土襯砌板加厚至0.15m。

5.3.3 沙河南—陶岔段

（1）弱膨脹土（巖）和挖深小于15m 的中膨脹土（巖）渠坡處理。經(jīng)對開挖地質(zhì)進行復核，當膨脹土（巖）地層中不存在裂隙時，初設確定的設計斷面渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足相關(guān)設計要求。當開挖深度大于6m 時，坡體地層存在緩傾角裂隙，同時有陡傾角裂隙切割時，需要適當增加處理措施。地層存在裂隙條件下，渠坡中的地下水（包括上層滯水）對渠坡穩(wěn)定影響僅次于裂隙影響。

經(jīng)穩(wěn)定復核和加固計算分析，在初設處理方案基礎(chǔ)上需進一步加固的渠段，主要加固措施為增厚膨脹土表面的換填厚度，增加渠坡抗滑樁或“抗滑樁”+“支撐剛架結(jié)構(gòu)”，對于地下水位高于渠底的，還需要增設坡體排水措施。對臨近水系附近，還需要增設一定的防滲措施，并在渠道坡面增設坡體排水孔以降低坡體地下水位。其中弱膨脹土（巖）渠段采用0.6～1.0m 厚換填土換填；中膨脹土（巖）渠段采用1.2～1.5m 厚換填土換填。對于支護段較短、剩余下滑力較小的邊坡，可采用抗滑樁或加大坡腳水泥改性土換填厚度等措施。

（2）強膨脹土（巖）及挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理。經(jīng)復核，膨脹土（巖）地層中水平裂隙對渠坡穩(wěn)定影響較大，且兩側(cè)渠坡影響具有對稱性。對于陡傾角裂隙與緩傾角裂隙的組合，一般只在一側(cè)渠道坡面上出現(xiàn)，需要根據(jù)施工揭露情況確定。此時，一般在一側(cè)只考慮水平裂隙，另一側(cè)考慮組合裂隙。

經(jīng)分析研究，調(diào)整的加固方案主要為加厚膨脹土（巖）表層換填厚度，增加渠坡支護結(jié)構(gòu)。地下水位高于渠底的，需增設坡體排水孔，臨近水系附近的特殊渠段，還需增加截、排水措施。中膨脹土（巖）渠段渠坡及渠底換填層厚度增加到2.5m，強膨脹土（巖）換填層厚度增加到3.0m。為增加膨脹土（巖）渠坡表面的從圖2 可以看出，峽口以上流域在實施了上述工程方案以后，可在流域遭遇內(nèi)洪為主50年一遇洪水時，比現(xiàn)狀情況下降低峽口以上水位0.93～1.74m，說明規(guī)劃方案效果明顯。

5 結(jié)束語

借助MIKE 11 軟件建立的一維水動力數(shù)學模型，對東引運河、寒溪水流域的現(xiàn)狀行洪能力進行分析，準確找出了影響流域行洪的關(guān)鍵位置，使得流域防洪治理工程可以有的放矢。同時進行了流域內(nèi)水閘的優(yōu)化調(diào)度方案設計和防洪工程方案的效果分析，為流域的調(diào)度方案的制定和防洪工程的設計提供了參考。

1 GB50201—94 防洪標準[S].北京：中國計劃出版社.

2 SL104—95 水利工程水利計算規(guī)范[S].北京：中國水利水 電出版社.

3 SL278—2002 水利水電工程水文計算規(guī)范[S].北京：中國 水利水電出版社.

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5 翟麗嫦，杜冬陽，王國豐.廣州市花地河建閘前后排澇能力分析計算[J].廣東水利水電，2010，(11)：46-50.

6 劉俊勇，張云，崔樹彬.東江三角洲水環(huán)境綜合模型及其應用研究[J].人民珠江，2008，(6)：4-8.

7 丹麥DHI 公司.MIKE11 用戶手冊[M].丹麥DHI 公司，2008

8 丹麥DHI 公司.MIKEView 用戶手冊及輔導[M].丹麥DHI 公司，2008.