陳增偉

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆烏魯木齊 830000）

1 問題的提出

某工程位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠的東部邊緣，屬中溫帶大陸性干旱半干旱氣候，降水量少，蒸發(fā)量大。該地區(qū)四季分明，夏季干旱炎熱，年平均氣溫為4.7℃，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，冬季從當(dāng)年的11月份到次年的3月份，長(zhǎng)達(dá)5 個(gè)月。

該長(zhǎng)距離供水工程冬季調(diào)蓄水庫(kù)庫(kù)容為5000萬m3，為引水注入式平原水庫(kù)。水庫(kù)利用地形四面圍筑而成，由擋水壩、進(jìn)水閘井、放水閘井和供水泵站組成。擋水壩長(zhǎng)約6km，水庫(kù)壩體為半填半挖，壩體利用庫(kù)區(qū)內(nèi)開挖料填筑。庫(kù)區(qū)挖深1.5～6.5m，壩體填筑高度15.7～21.7m。

庫(kù)區(qū)表層0～3.5m為第四系全新統(tǒng)洪積含細(xì)粒土砂，局部夾低液限黏土和砂透鏡體，該層為非膨脹土。庫(kù)區(qū)深度3.5m 以下為白堊系下統(tǒng)泥巖、砂巖，局部夾有礫巖透鏡體，分布穩(wěn)定，該層自由膨脹率49%，為膨脹土。該土具有吸水膨脹，失水收縮并往復(fù)變形的性質(zhì)。

由于調(diào)蓄水庫(kù)夏季利用供水管線引水注入水庫(kù)，冬季供水給用水對(duì)象。水庫(kù)反復(fù)干濕交替。若利用膨脹土筑壩，會(huì)影響壩坡穩(wěn)定及破壞壩體上游的混凝土護(hù)坡。因此，必須對(duì)膨脹土采取處理措施，以防止膨脹土帶來的危害。

2 膨脹土的工程特性

新疆膨脹土的物質(zhì)組成和特點(diǎn)形成了其特殊的工程特性，其工程特性對(duì)壩坡穩(wěn)定及上游壩坡混凝土護(hù)坡影響較大。

2.1 膨脹土的脹縮性

膨脹土吸水后體積增大而產(chǎn)生膨脹，土體失水則體積收縮，伴隨土中出現(xiàn)開裂，可能造成建筑物開裂與塌陷。膨脹與收縮兩種變形是可逆的，即土體吸水膨脹，失水收縮。如此循環(huán)變化，凝聚力值隨循環(huán)次數(shù)衰減較快，內(nèi)摩擦角值衰減較慢。

2.2 膨脹土的多裂隙性

膨脹土中發(fā)育有各種特定形態(tài)的裂隙，形成土體的多裂隙性。膨脹土的裂隙，是在成土過程中由各種自然地質(zhì)應(yīng)力作用所形成的產(chǎn)物，多裂隙性對(duì)壩坡穩(wěn)定極其不利。

3 膨脹土處理措施的選擇

目前水利工程對(duì)膨脹土處理采用的措施主要有3 類：換填、土性改良、預(yù)濕膨脹。

3.1 換填

換填是采用非膨脹土置換膨脹土。換填是最簡(jiǎn)易的解決辦法，也是最好的解決辦法。

換填法處理膨脹土的優(yōu)點(diǎn)：能夠得到比其他處理方法更大的地基承載力；不需要特殊的施工設(shè)備，并且工期較短。

3.2 土性改良

土性改良主要包括石灰改良、水泥改良和化學(xué)劑改良。

（1）石灰改良。我國(guó)是最早使用石灰作為膨脹土改良劑的國(guó)家，石灰改良有效地降低了膨脹土的膨脹性。因此，石灰改良應(yīng)用非常廣泛。

（2）水泥改良。水泥的水化物包括硅酸鈣水化物、鋁酸鈣水化物和水硬性石灰。在水泥水化過程中，產(chǎn)生的石灰與膨脹土混合，降低了土的膨脹性。同時(shí)，水泥與土混合成水泥土，增強(qiáng)了土的強(qiáng)度。因此，近年來使用水泥來改良膨脹土得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

（3）化學(xué)改良?；瘜W(xué)改良主要包括有機(jī)和無機(jī)兩大類，化學(xué)改良可以降低膨脹土的塑性指數(shù)和膨脹潛勢(shì)。

化學(xué)改良需要注意的問題有：1）施工前在現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn)，在處理前后取未擾動(dòng)土樣檢驗(yàn)改良效果。2）注入化學(xué)劑的孔間距、化學(xué)劑的注入壓力、施工過程中的控制等是設(shè)計(jì)重點(diǎn)和施工難點(diǎn)，需深入研究。

3.3 預(yù)濕膨脹

預(yù)濕膨脹是在施工前使土加水變濕而膨脹，并在土中維持高含水量，則土將基本保持體積不變，因而不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

預(yù)濕膨脹法存在的主要問題有：（1）施工期間土體膨脹，施工結(jié)束后，土體仍有可能繼續(xù)膨脹，導(dǎo)致膨脹量難以控制。（2）施工需要浸泡時(shí)間通常1～2 個(gè)月，對(duì)工期影響較大。

本工程中壩體最大壩高24m，庫(kù)區(qū)內(nèi)總開挖量約1100萬m3，壩體總填筑量約800萬m3，設(shè)計(jì)為均質(zhì)土壩。若用預(yù)濕膨脹法處理上游壩坡表層2m 范圍內(nèi)的膨脹土，則施工周期較長(zhǎng)，且浸泡后土體含水量較大，無法碾壓施工。即使施工結(jié)束后，土體仍有可能繼續(xù)膨脹，對(duì)膨脹土的處理存在不可控的因素。若用土性改良法處理上游壩坡表層2m 范圍內(nèi)的膨脹土，處理工程量較大約90萬m3，不管是用石灰、水泥還是化學(xué)改良劑改良，如此大的處理量會(huì)使工程投資大幅增加，同時(shí)也會(huì)大幅增加工期。若用換填法處理上游壩坡表層2m 范圍內(nèi)的膨脹土，只需使用非膨脹土換填膨脹土。關(guān)鍵在于能夠找到非膨脹土，只要非膨脹土料場(chǎng)運(yùn)距較近就不會(huì)使工程投資增加較多。庫(kù)區(qū)內(nèi)表層0～3.5m為第四系全新統(tǒng)洪積含細(xì)粒土砂，為非膨脹土，在庫(kù)區(qū)內(nèi)開挖后直接上壩填筑即可，對(duì)工程投資沒有影響且不會(huì)使工期增加較多。

經(jīng)比較，初步選用庫(kù)區(qū)內(nèi)非膨脹土換填膨脹土的處理措施。在距庫(kù)區(qū)500m 遠(yuǎn)處有一已建蓄水池，蓄水池最大壩高15m。此蓄水池2006年建設(shè)，壩體采用膨脹土填筑而成，壩坡上游膨脹土采用砂礫石換填處理的方法，2007年該蓄水池蓄水，水庫(kù)至今運(yùn)行5年多，未出現(xiàn)壩體失穩(wěn)及滲透破壞，運(yùn)行狀況良好。經(jīng)綜合比較換填法處理膨脹土投資最省且施工期較短，對(duì)膨脹土處理較徹底，不會(huì)留下工程隱患，且有鄰近工程的成功經(jīng)驗(yàn)參考。因此，最終選用非膨脹土換填膨脹土的處理方法。

4 壩體橫斷面設(shè)計(jì)

圖1 壩體橫斷面設(shè)計(jì)圖

壩體橫斷面設(shè)計(jì)如圖1 所示。設(shè)計(jì)采用強(qiáng)風(fēng)化泥巖作為壩體填筑料，考慮到庫(kù)區(qū)內(nèi)開挖的強(qiáng)風(fēng)化泥巖遇水具有膨脹性，因而，上游采用無膨脹性的庫(kù)區(qū)表層開挖覆蓋層料進(jìn)行換填處理。考慮到覆蓋層料在寒冷地區(qū)的凍脹性，對(duì)覆蓋層料采用砂礫石料換填的處理措施。蓋重上游邊坡取1∶3，蓋重區(qū)以下為強(qiáng)風(fēng)化泥巖填筑區(qū)，其上游填筑邊坡為1∶2.5，下游填筑邊坡為1∶1.75。強(qiáng)風(fēng)化泥巖填筑區(qū)下游為棄料蓋重區(qū)，主要由庫(kù)區(qū)剩余覆蓋層和弱風(fēng)化泥巖組成，下游側(cè)邊坡為1∶3。壩體橫斷面自上游向下游依次為上游護(hù)坡、上游砂礫石墊層、上游蓋重、壩殼區(qū)及壩后蓋重區(qū)。

1 閻明禮主編.地基處理技術(shù).中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.1996.

2 周家忠.膨脹土地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)淺談.山西建筑，2010，（10）.3龍龍，吳偉平，孫永存，李曉白.膨脹土工程處理.北方交通，2009，（6）：14-15.

4 王星運(yùn)，陳善雄，梅濤.膨脹土邊坡穩(wěn)定性參數(shù)影響分析. 路基工程，2011，（5）：29-32.