張福泉

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

南水北調(diào)中線河北省永年縣段膨脹土處理

張福泉

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

膨脹土是一種高塑性土，具有吸水膨脹，失水收縮變形的特性，不利于其上建筑物穩(wěn)定。南水北調(diào)中線河北省永年縣段，對(duì)存在的膨脹土，進(jìn)行防排水結(jié)合換填的方法，進(jìn)行了處理，達(dá)到了預(yù)期效果。

膨脹土；處理方案；防排水；換填施工

南水北調(diào)中線干線工程穿越膨脹土渠段大約有 380 多 km，已施工完成的渠段曾發(fā)生大規(guī)?；?，不僅造成很大經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重影響建設(shè)工期。

總干渠河北省永年縣段（樁號(hào)為 61+168~76+ 07 和 77+537~70+360） 位于太行山東麓與華北平原的接壤地帶，渠段通過(guò)平原、崗地、丘陵地貌單元，以平原和丘陵為主。據(jù)地質(zhì)勘查揭露，膨脹土主要分布在樁號(hào) 61+168~67+966 的部分渠段。沿軸線剖面渠底線以上累計(jì)分布長(zhǎng)度 4.197km，其中，中等膨脹土 3737km，弱膨脹土 0.46km，均位于半挖半填渠段，開(kāi)挖過(guò)程中，局部有地下水滲出。為消除膨脹土的危害，保證渠道運(yùn)行安全，設(shè)計(jì)采用防排水與換填結(jié)合的方法進(jìn)行處理。

1 膨脹土的破壞機(jī)理研究

前已述及，膨脹土具有吸水膨脹，失水后顯著收縮并致干縮裂隙發(fā)育的特性。研究發(fā)現(xiàn)，正是這種脹縮變形和裂隙發(fā)育，是造成其上建筑物失穩(wěn)的主要根源。

土體裂隙發(fā)育，使得雨水及其他來(lái)源水很快沿其下滲并迅速擴(kuò)散，造成土體很快吸水飽和。

土體吸水膨脹，一是降低了土中的負(fù)孔壓，使有效應(yīng)力降低；二是土體膨脹軟化，使土體的內(nèi)摩擦角減小。這兩方面都消弱了土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，從而使邊坡失穩(wěn)。

研究還發(fā)現(xiàn)，地表水沿裂隙下滲的影響深度，一般在上部 2m 左右的土體內(nèi)。降雨時(shí)，雨水很快沿裂隙下滲到這個(gè)深度，使裂隙周邊的土吸水膨脹并逐漸向周邊擴(kuò)散，從而使此深度范圍內(nèi)的土體飽和。與此同時(shí)，裂隙也因膨脹而逐漸閉合，土體的滲透系數(shù)因而減小，水分下滲的阻力增大，因此雨水下滲的深度受限。

膨脹土渠道破壞形式主要有三種：

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

2）結(jié)構(gòu)面控制型滑坡。當(dāng)土體中長(zhǎng)大裂隙發(fā)育時(shí)，在渠道開(kāi)挖期間，或在渠道開(kāi)挖后一段時(shí)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(dá) 8~10m。

3）抬升變形。當(dāng)渠道挖深超過(guò)過(guò)渡帶，揭露正常的非飽和膨脹土?xí)r，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(dá)到新的土-水平衡，在這一過(guò)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(kāi)裂破壞。

2 處理方案研究

從前面膨脹土的破壞機(jī)理研究可以看出，膨脹土工程地質(zhì)性質(zhì)的惡化，都是通過(guò)外來(lái)水的加入而發(fā)生的。因此，水的加入，是造成膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的根本原因。因此，設(shè)計(jì)上采取“以防為主，防排結(jié)合”的防止大氣降水和地表水滲入邊坡土體的處理方案，具體要求一是在開(kāi)挖線以外，按照左、右側(cè)截流溝設(shè)計(jì)做好截流溝的開(kāi)挖和襯砌，保證截流溝攔截地表水并匯集引出，同時(shí)做好開(kāi)挖區(qū)臨時(shí)排水，保證干場(chǎng)作業(yè)；二是采用換土措施，即對(duì)渠道內(nèi)坡膨脹土體采用壤土、粘性土置換，封閉膨脹土，隔絕其與外部水分交換。換填層具有兩方面的作用：一是起防滲作用，隔離膨脹土與外界水的聯(lián)系；二是對(duì)坡內(nèi)膨脹土變形起到緩沖和均化作用。由于總干渠將常年輸水，渠道滲漏將造成過(guò)水?dāng)嗝娴呐蛎浲猎庥鏊慕槿?，?dǎo)致其膨脹變形，破壞邊坡穩(wěn)定，需加強(qiáng)處理措施。過(guò)水?dāng)嗝鎻?qiáng)、中、弱膨脹土的換土厚度分別為 2.5m，2m，1m。過(guò)水?dāng)嗝嬉陨吓蛎浲?，不再受潛在渠水滲漏影響，大氣降水的影響深度也有限，中、強(qiáng)膨脹土換土厚度為分別為1.0m 和 1.5m，弱膨脹土不做專門處理，換填土壓實(shí)度指標(biāo)為 0.98；三是規(guī)定換填施工完成后，須過(guò)一個(gè)雨季的時(shí)間方可開(kāi)始襯砌施工，保證換填后膨脹土及換填土完成主要變形。

3 膨脹土處理施工

1）膨脹土開(kāi)挖施工。測(cè)量定位后，采用 1m3挖掘機(jī)倒退法全斷面進(jìn)行開(kāi)挖，自卸汽車運(yùn)輸，分層厚度 3~5m。按設(shè)計(jì)要求，開(kāi)挖渠段的兩側(cè)結(jié)合永久截流溝開(kāi)挖施工排水溝，有效截?cái)嗟乇韽搅?。開(kāi)挖時(shí)，邊坡及渠底預(yù)留 50cm 保護(hù)層，待下道工序開(kāi)工前人工配合機(jī)械清除保護(hù)層，保護(hù)層挖出后立即進(jìn)行換填。

2）土方換填有關(guān)試驗(yàn)。換填土料采用粘性土土料，推土機(jī)配合人工平土，振動(dòng)碾碾壓。

土料選用經(jīng)勘探確定各種物理力學(xué)及化學(xué)指標(biāo)符合要求的料場(chǎng)，取樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，確定最大干密度和最優(yōu)含水率。然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，確定鋪土方式、鋪土厚度、碾壓機(jī)械的類型及重量、碾壓遍數(shù)等施工參數(shù)。

表1 試驗(yàn)成果匯總表

經(jīng)碾壓試驗(yàn)，確定采用 XSM220 型凸塊振動(dòng)碾（工作質(zhì)量 20t，激振力 350/220kN），鋪土厚度30~40cm，靜壓 2 遍振壓 6 遍，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)可能存在的回填厚度低于 30cm 的部位，采用鋪土厚度 20 cm，靜壓 2 遍，振壓 4 遍作為回填參數(shù)的補(bǔ)充。

3）土方換填施工。換填施工由自卸汽車采用進(jìn)占法運(yùn)土，推土機(jī)配合人工平土，由底至高分層攤鋪碾壓上升。為防止擾動(dòng)渠底建基面，渠道換填前，先換填渠底 6~7 層（換填 2m），然后分層換填渠坡并預(yù)留 30cm 余量，渠坡?lián)Q填完畢后，再利用削坡土將渠底填至設(shè)計(jì)換填高程。每層攤鋪前，采用推土機(jī)在坡面上推出寬度不小于 30cm 高度（為一層土料松鋪厚度）的小臺(tái)階（開(kāi)蹬），以保證土體結(jié)合。碾壓時(shí)，碾壓機(jī)械沿平行于堤軸線方向行走，分段、分片碾壓。分段處留有 1∶5 的斜坡，相鄰作業(yè)面的搭接碾壓寬度，平行堤軸線方向不小于 0.5m，垂直堤軸線方向不小于 3m。碾壓作業(yè)采用進(jìn)退錯(cuò)距法，碾跡搭壓寬度大于 30cm。行車速度控制在 2km/h 以內(nèi)。對(duì)機(jī)械碾壓不到位的部位，輔以輕型夯實(shí)機(jī)夯實(shí)。

每一層按規(guī)定的施工參數(shù)施工完畢后，取樣進(jìn)行壓實(shí)度檢驗(yàn)，合格后方可繼續(xù)鋪筑上一層。

換填完畢后襯砌施工前，對(duì)填筑坡面進(jìn)行削坡，即將換填時(shí)預(yù)留的余量削除至設(shè)計(jì)坡面線，進(jìn)行下道工序施工。

對(duì)于開(kāi)挖過(guò)程中，局部有地下水滲出的情況，設(shè)計(jì)和施工采用換填前埋設(shè)軟式透水管連接，通過(guò)逆止閥集中排向渠道的處理方案。施工過(guò)程中，人工抽水外排，保證干場(chǎng)作業(yè)。

4 處理效果檢驗(yàn)

處理效果。 本標(biāo)段膨脹土于 2011 年底前處理完成，2012 年陸續(xù)進(jìn)行混凝土面板襯砌，迄今為止，未發(fā)現(xiàn)膨脹土段混凝土面板發(fā)生開(kāi)裂?；碌绕茐默F(xiàn)象。

5 應(yīng)注意的事項(xiàng)

1）渠道坡頂?shù)姆罎B對(duì)保持渠坡穩(wěn)定有著特別重要的意義。渠坡和渠頂換填后，雖然已將膨脹土封閉，但由于坡頂處于拉應(yīng)力分布區(qū)，易產(chǎn)生卸荷裂隙，增大透水性，造成雨水滲入，破壞換填對(duì)膨脹土的封閉效果。因此，渠頂防滲處理至關(guān)重要。

2）渠道周圍存在地表水體時(shí)，須查明是否存在向渠道方面的入滲通道。這種入滲一般都在地表 2m 以下，不易被發(fā)現(xiàn)，但危害相當(dāng)大，必須采取措施進(jìn)行妥善的防滲處理，處理深度要經(jīng)設(shè)計(jì)論證確定。

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2013-11-05