武運(yùn)動(dòng)

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局）

1 南水北調(diào)工程概況及項(xiàng)目概況

1.1 工程概況及項(xiàng)目概況

南水北調(diào)中線干線工程是為緩解北方缺水而修建的戰(zhàn)略性工程。中線總干渠自丹江口水庫陶岔取水閘引水，途徑河南、河北、北京、天津四省市，終點(diǎn)位于北京團(tuán)城湖。主要采用明渠輸水方式，輸水總干渠全長(zhǎng)1 432 km（含天津干線）。葉縣段工程位于河南省平頂山市境內(nèi)，起點(diǎn)（樁號(hào)185+545）位于方城縣和葉縣交界處，終點(diǎn)（樁號(hào)215+811）位于葉縣與魯山縣交界處,總長(zhǎng)度為30.27 km。

1.2 變形體項(xiàng)目概況

葉縣段樁號(hào)206+122～206+180 渠段左岸邊坡變形體，位于三戶王生產(chǎn)橋（206+450）左岸上游328 m 處，該渠段為深挖方、高地下水位渠段，四級(jí)馬道，最大挖深約17 m，坡比1：2.75。

2018年6月25日，葉縣管理處工巡時(shí)發(fā)現(xiàn)樁號(hào)206+122～206+180渠段二級(jí)馬道以上邊坡出現(xiàn)邊坡變形、裂縫問題。經(jīng)查閱該段設(shè)計(jì)資料，該深挖方渠段左側(cè)渠坡上部主要為砂礫巖夾粘土巖透鏡體；右側(cè)渠坡上部為dl-plQ2粉質(zhì)粘土，下部為砂礫巖夾粘土巖；坡腳及底板主要為粘土巖。地下水較豐富，砂礫巖具中等透水性，粉質(zhì)粘土具弱膨脹性，粘土巖具中等膨脹性，存在膨脹土巖問題。

管理處聯(lián)系設(shè)計(jì)、地質(zhì)等，通過開挖探槽現(xiàn)場(chǎng)查勘驗(yàn)證，對(duì)照該渠段地質(zhì)編錄成果，發(fā)現(xiàn)該變形體巖性為膨脹性粘土巖。

膨脹土作為一種特殊的非飽和黏土，具有吸水時(shí)有較大的體積擴(kuò)脹和較高的膨脹力，失水時(shí)體積收縮變形的特點(diǎn)。反復(fù)縮脹使得巖土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，力學(xué)強(qiáng)度降低，造成邊坡變形破壞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致渠坡失穩(wěn)，危及工程安全。

該變形體初探范圍為長(zhǎng)度約58 m，寬度為二級(jí)馬道邊坡至四級(jí)馬道邊坡，滑動(dòng)面最大可探深度約4 m，滑動(dòng)變形體初估方量約9 000 m3。經(jīng)中線局組織專家、設(shè)計(jì)多方溝通研究，初擬處理方案為進(jìn)行開挖換填。

2 變形體處理方案比選

一方面考慮到該變形體危及工程運(yùn)行安全，中線局按照應(yīng)急項(xiàng)目實(shí)施，工期緊。如果采用傳統(tǒng)的開挖換填方案，無論是進(jìn)行換填非膨脹土還是換填水泥改性土，都需要進(jìn)行征地取土，而征地手續(xù)繁瑣，短期內(nèi)不可能完成。

另外，該變形體所在渠段最大挖深達(dá)17 m，坡比1∶2.75，四級(jí)馬道，高陡邊坡施工作業(yè)面狹小，不利于土方施工機(jī)具大規(guī)模作業(yè)。若采用傳統(tǒng)施工方法，開挖回填工程量大，且棄土運(yùn)輸、堆放都存在較大困難，勢(shì)必將占用土地資源。

綜合考慮，經(jīng)過比選，考慮利用開挖后的膨脹土裝袋換填處理。土工袋換填處理膨脹土技術(shù)在國內(nèi)屬于先進(jìn)技術(shù)，可以解決開挖下來的膨脹土利用問題，無需征地取土。并且在南水北調(diào)工程應(yīng)用較少，可以進(jìn)行嘗試。經(jīng)了解，南水北調(diào)中線工程沿線膨脹土渠段長(zhǎng)達(dá)340 km，若換填方案可行，具備很大的推廣價(jià)值。經(jīng)綜合考慮比選，確定采用土工袋換填技術(shù)進(jìn)行變形體處理。

3 現(xiàn)場(chǎng)填筑工藝性試驗(yàn)

由于土工袋填筑技術(shù)在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用較少，填筑厚度、碾壓方法、碾壓遍數(shù)、適宜含水率等關(guān)鍵參數(shù)不好確定，需現(xiàn)場(chǎng)開展工藝性試驗(yàn)確定。試驗(yàn)段設(shè)在左岸變形體206+122～206+180二級(jí)馬道坡腳位置。

3.1 土工袋裝料、篩分和運(yùn)輸

渠坡土工袋采用黑色小土工袋，尺寸為45 cm×57 cm，便于人工裝袋與搬運(yùn)。土工袋填筑取土料采用變形體邊坡開挖土料，土料的含水率采用噴灑水和翻曬的方法調(diào)整，使土料的含水率控制在期望含水量。開挖土料堆放在試驗(yàn)段渠坡頂部一定距離外，然后使用篩土機(jī)進(jìn)行篩分，篩分要求最大粒徑≤50 mm。篩分后的土料采用裝袋機(jī)進(jìn)行裝填土工袋，填充量90%左右。人工手持縫口機(jī)封口，距土工袋口約3～5 cm。封口完畢的土工袋用裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)送至工作面附近，再由人工運(yùn)輸?shù)皆囼?yàn)段工作面進(jìn)行鋪設(shè)。

3.2 土工袋鋪設(shè)、碾壓

土工袋采用人工鋪設(shè)，鋪料方式采用后退法。為了充分發(fā)揮袋子的張力，土工袋之間鋪設(shè)間隙為3～5 cm,使土工袋碾壓過程中有足夠的延伸空間。為了增加土工袋組合體的整體穩(wěn)定性，上下層土工袋之間需錯(cuò)縫鋪設(shè)，局部可以適當(dāng)放寬袋子的間距。

相鄰?fù)凉ごg的間隙用現(xiàn)場(chǎng)開挖的膨脹土料進(jìn)行回填。為了減少對(duì)相鄰渠段的擾動(dòng)，采用靜碾，第一層鋪設(shè)完畢后用20 T壓路機(jī)進(jìn)行靜碾壓4遍；第二層鋪設(shè)完畢后用20 T壓路機(jī)靜碾壓6 遍；第三層鋪設(shè)完畢后用20 T 壓路機(jī)靜碾壓8遍。碾壓方法為進(jìn)退錯(cuò)距法，行車速度控制在2～3 km/h，相鄰碾跡的搭接寬度≥碾寬的1/10。

3.3 壓實(shí)厚度和壓實(shí)度

每層碾壓完成后，試驗(yàn)人員用灌水法測(cè)密度，烘干法測(cè)含水率，計(jì)算壓實(shí)度，詳見表1。

表1 碾壓試驗(yàn)壓實(shí)度統(tǒng)計(jì)表

碾壓完畢，在相應(yīng)的高程測(cè)控點(diǎn)上，測(cè)量人員用水準(zhǔn)儀測(cè)量碾壓后高程，與壓前相應(yīng)虛鋪高程差即為沉陷值，計(jì)算出壓實(shí)厚度。

3.4 實(shí)驗(yàn)成果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件確定施工工藝及壓實(shí)參數(shù)為：①土工袋人工鋪設(shè)，土工袋之間鋪設(shè)間隙為3～5 cm,上下層土工袋需錯(cuò)縫鋪設(shè)。②相鄰?fù)凉ごg的間隙用開挖后的膨脹土料回填，每層虛鋪土料厚度為15～20 cm。③每一層鋪設(shè)完畢后用20 T壓路機(jī)進(jìn)行靜碾壓6遍。碾壓方法為進(jìn)退錯(cuò)距法，行車速度控制在2～3 km/h，相鄰碾跡的搭接寬度≥碾寬的1/10。

4 土工袋填筑施工

按照工藝性試驗(yàn)確定的各種填筑壓實(shí)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該邊坡變形體進(jìn)行了土工袋填筑施工，填筑歷時(shí)約2 個(gè)月，完成填筑總工程量約6 300 m3。實(shí)施過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)填筑方案進(jìn)行調(diào)整，歷經(jīng)兩次較大的方案優(yōu)化調(diào)整。

第一次對(duì)土工袋填筑碾壓施工工藝優(yōu)化調(diào)整。一是土工袋順?biāo)鞣较蜾佋O(shè)間隙為3～5 cm，垂直水流方向鋪設(shè)不再留設(shè)間隙；二是上下層土工袋錯(cuò)縫鋪設(shè)；三是開挖土料裝填前控制最優(yōu)含水率±3%范圍內(nèi)；四是為避免形成軟弱夾層，取消土工袋層間的間隙回填土料。

第二次土工袋填筑碾壓施工工藝優(yōu)化調(diào)整。一是現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)將碾壓試驗(yàn)確定的每層的碾壓遍數(shù)6遍減少為1～2遍，主要是考慮到碾壓后邊坡穩(wěn)定性取決于土工袋層間摩擦力，按照壓實(shí)度試驗(yàn)確定的碾壓遍數(shù)作用有限，保持碾壓后土工袋整層平整即可；二是土工袋裝土?xí)r，以碾壓后袋子保持適度張力為準(zhǔn)，裝填飽滿程度控制在距袋口約3～5 cm；三是土工袋之間碼放間隙應(yīng)滿足碾壓后相鄰?fù)链ハ嘟佑|即可，土工袋之間縫隙不再回填土料；四是填筑到頂后鋪設(shè)生態(tài)草袋技術(shù)要求調(diào)整。

土工袋填筑到頂后，最外層邊坡填筑生態(tài)草袋進(jìn)行坡面防護(hù)。生態(tài)草袋內(nèi)用耕植土拌和當(dāng)?shù)匾子谏L(zhǎng)的、耐旱性的草種，比如高羊茅、狗牙根等草種。生態(tài)草袋易疏松，并有一定空隙以便于草籽生長(zhǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)按照1∶1比例混播高羊茅和狗牙根，出芽率超過95%，效果較好。具體土工袋填筑施工圖見圖1。

5 試驗(yàn)檢測(cè)情況

按照經(jīng)優(yōu)化后確定的施工參數(shù)，土工袋填筑作業(yè)實(shí)施過程中每層均進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)。壓實(shí)度檢測(cè)采用灌水法進(jìn)行，前期共進(jìn)行了20組壓實(shí)度檢測(cè)，合格20組，合格率100%，經(jīng)檢測(cè)均滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)施過程中后期經(jīng)組織專家學(xué)者進(jìn)一步探討，對(duì)碾壓遍數(shù)做了調(diào)整，改為碾壓1～2遍，壓實(shí)度不再作為控制指標(biāo)。

6 現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)

試驗(yàn)檢測(cè)儀器共布置表觀位移觀測(cè)點(diǎn)9 個(gè)。在兩個(gè)觀測(cè)斷面上共布置含水率探頭16 個(gè)，測(cè)斜管4 根，布置位置見圖2監(jiān)測(cè)布置斷面圖。

圖1 土工袋填筑施工圖

通過監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)分析，經(jīng)土工袋填筑處理后，填筑部位水平位移最大不超過20 mm（最大為16.82 mm），深層未處理膨脹土體保持穩(wěn)定，采用土工袋填筑技術(shù)處理后的高邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 監(jiān)測(cè)布置斷面圖

7 結(jié)語

土工袋換填處理技術(shù)通過在該項(xiàng)目上的成功應(yīng)用，總體上達(dá)到了技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。為處理類似高陡邊坡變形、滑塌問題提供了一種切實(shí)可行的解決方案。