李乐

【摘要】膨胀土是一种具有特殊性质的土，其处理技术难度、处理工程量和投资都比较大，是南水北调中线工程面临的关键技术问题之一。南水北调中线一期工程总干渠沿线涉及到膨胀土问题的渠段较长，涉及范围广、条件复杂，任何局部的边坡失稳、衬砌结构的破坏都将可能影响渠道正常输水。本文回顾了南水北调中线膨胀土工程问题的研究进展，简要介绍了渠道膨胀土（岩）处理设计和施工方法，简单分析了渠道施工期和运行期的安全监测成果，对膨胀土渠段的稳定性做出了评价。

【关键词】南水北调中线膨胀土工程；稳定性；研究进展；处理方法；安全检测分析

南水北调中线工程总干渠明渠段涉及到膨胀土（岩）累计长度约340km，占总干渠全长的24%。膨胀土因其特殊的工程属性，易造成渠坡失稳，对工程安全运行影响很大，因此，膨胀土的处理是南水北调工程的主要技术问题之一。

我国从上世纪60年代起对南水北调中线工程膨胀土问题进行研究，了解膨胀土的工程特性、试验技术以及处理措施，在现场开展“膨胀土渠坡变形和稳定”、“降雨对膨胀土边坡稳定的影响”等现场观测和试验。在国务院正式批复南水北调中线工程总体规划后，选取南阳膨胀土试验段和新乡膨胀岩现场试验段进行现场试验，并进行室内开展了大型静力模型试验和离心模型试验研究，取得了重大进展。

一、南水北调中线膨胀土（岩）问题研究进展

“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”以南水北调中线工程的膨胀土问题为工程背景，针对膨胀土（岩）边坡稳定的世界级难题，以国内外最大规模的膨胀土（岩）渠道原型试验为依托，运用地质勘察、现场试验、室内试验、大型静力模型、离心模型试验、数值分析等多种研究手段，有效地解决了膨胀土渠道边坡稳定关键问题，在膨胀土的破坏机理、膨胀土的现场快速判别、膨胀土的强度指标及其试验方法、稳定分析方法以及处理措施等方面均取得了突破性的进展。

（一）有关膨胀土边坡的破坏机理

研究人员根据现场观测和试验研究、结合数值模拟等多种手段，首次明确提出了膨胀土边坡的2种破坏机理，即：裂隙强度控制下的边坡滑动和膨胀作用下的边坡滑动，并从力学机理上分别对这2种模式的破坏过程进行了系统的分析。该破坏模式的提出，重视了渠坡滑动时第一推动力的作用，强调了土体“首次滑动”的原因。该成果为膨胀土边坡处理措施的设计奠定了基础。

（二）膨胀土的边坡稳定分析

膨胀土的边坡稳定分析，是膨胀土边坡设计的基础。研究人员在认真分析了膨胀土的破坏机理以后，提出对于不同的破坏机理应采用不同的分析理论和分析方法。通过一系列实验分析，运用力学和数学方法，归纳数学模型，建立了膨胀土边坡稳定的有限元分析方法。同时提出了反映裂隙空间分布的稳定分析方法，提出了膨胀土渠道边坡的处理原则和思路，从而从理论和实践上系统、完整地解决了膨胀土边坡的稳定分析理论和方法，为有效解决南水北调中线工程膨胀边坡稳定问题奠定了基础。

（三）膨胀土的处理措施研究

在有关膨胀土渠坡稳定的处理措施方面，人们普遍认为，膨胀土的边坡失稳主要为浅层的牵引式破坏，因此，在该课题的研究内容中，处理措施主要是针对膨胀土的“浅层”破坏问题。研究发现：膨胀土边坡不仅在受水增湿条件下会产生浅层失稳，浅层失稳的主要机理为土的膨胀变形；而且存在重力作用下的整体稳定问题，整体稳定受裂隙面强度控制。对于膨胀变形引起的渠坡破坏，采用换填土（包括换填非膨胀土、水泥改性土、土工格栅加筋、土工袋等）的处理措施可以有效地解决膨胀变形作用下的渠坡稳定问题；而对于裂隙强度控制下的渠坡稳定问题则需要采取抗滑桩、锚杆、混凝土框架梁等支挡加固措施。

二、渠道膨胀土（岩）处理施工方法

为了确保膨胀土渠段的施工安全、施工质量及施工进度，南水北调中线建管局依托有关单位对中线膨胀土（岩）问题的研究进展，组织编制了渠道膨胀土（岩）处理施工技术要求，对膨胀土（岩）现场鉴别方法、施工技术、施工控制指标、质量检测方法、安全监测等提出了较为具体的要求，为渠道膨胀土（岩）处理设计和施工提供了有效参考。

（一）膨胀等级划分依据

以自由膨胀率作为划分膨胀等级的主要指标，同时兼顾其它宏观物理特征和其它指标，主要划分依据：当渠段某层土体自由膨胀率大于90%的试样数大于该层试样总量的l/3时，则该层定为强膨胀岩 （土）层，该渠段定为强膨胀岩（土）渠段；当渠段某层土体自由膨胀率大于65%的试样数大于该层试样总量的1/3时，则该层定为中等膨胀岩（土）层，该渠段定为中等膨胀岩 （土）渠段；当渠段某层土体自由膨胀率大于40%的试样数大于该层试样总量的1/3时，则该层定为弱膨胀岩（土）层，该渠段定为弱膨胀岩（土）渠段。

（二）开挖技术要求

由于膨胀岩土渠段具有膨胀潜势，易胀缩，裂隙较发育，强度低，边坡稳定性差。膨胀土（岩）渠道开挖前，须根据现场地形和水文地质情况，做好地表水导引及截排措施和坡面及基坑的积水引排措施。

开挖过程中一般采用分层、分段开挖，为了防止建基面长期暴露在空气中，应预留保护层，并及时进行坡面及基面的防护。

（三）施工技术

南水北调中线工程膨胀土（岩）处理以换填为主，膨胀土处理方法有水泥改性土换填和非膨胀土换填等，膨胀岩处理方法有非膨胀土换填和土工格栅加筋换填等。当工程区附近或渠道开挖有可利用的非膨胀土时，优先采用非膨胀土；无非膨胀土时采用水泥改性土。

1.水泥改性土换填要求

水泥改性土指掺混适量水泥改善膨胀土的膨胀特性，改性效果可从改性土的膨胀性、碾压干密度、渗透特性、抗剪强度、变形模量等方面衡量，并结合工程设计需要综合评价。

水泥改性土填筑前，根据不同的料源及水泥掺量做室内水泥改性土击实试验，以确定水泥改性土的最优含水量及最大干密度。水泥改性土填筑压实度宜不小于0.98，并防止过压。初拟水泥改性土含水率控制在最优含水率（+1%～+3%），铺土厚度30cm（±2cm），振动凸块碾碾压。

在分层填筑上升过程中，及时对填筑面及填筑边坡进行洒水养护，以防止水泥改性土砂化。边坡面开挖成小台阶状，做到处理层与边坡更好的结合。

2.非膨胀土换填要求

换填所用土料应进行膨胀性检测，确认为非膨胀土方可使用。进入填筑仓面的非膨胀土块粒径宜不大于10cm。如土料颗粒超径，则需进行剔除或破碎至满足设计粒径要求。

非膨胀土换填层的压实度一般控制在不小于0.96，并防止过压。在边坡换填时，采用自卸汽车运土料进占法铺料，尽量减少运输车辆对工作面的碾压。填筑时铺土厚度30cm左右，振动凸块碾碾压。碾压机械沿渠道轴线方向前进、后退全振错距法碾压，前进、后退一个来回按两遍计，碾迹重叠不小于20cm。碾压速度控制在2～4km/h范围内，开始碾压时宜用慢速。

3.土工格栅换填要求

土工格栅采用人工分层铺设，一端用φ10的U型钢筋钉固定于基层地面，另一端（自由端）拉紧固定，在两幅土工格栅之间的搭接处采用φ10的U型钢筋钉固定，在自由端向上层反包搭接包裹形成坡面，反包长度不小于100cm，格栅之间搭接均用连接棒连接。

经过检测的弱膨胀土料可进行土工格栅加筋换填。渠坡处理层填筑的弱膨胀岩（土）料粒径不大于100cm，一般采用天然含水量的弱膨胀性开挖料直接进行换填处理。当天然含水率与最优含水率相差较大，难以压实时，进行加水或摊铺晾晒。

三、安全监测分析

膨胀土安全监测对于研究膨胀土渠道变形破坏机理、分析监测因子对膨胀土变形的影响规律以及如何治理膨胀土至关重要。膨胀土监测内容主要包括：变形、应力、环境量、岩土体性质、土壤含水量、吸力以及地表巡视检查等。

南水北调中线干线工程经过若干年的施工期和一年的运行期，积累了部分安全监测数据，可通过对渗压、应力、变形、含水量等监测资料进行初步分析，探索膨胀土（岩）渠道的安全性状变化过程和分布规律。

通水运行初期，膨胀土（岩）渠段巡视检查频次为1天1次，主要检查发现是否存在影响工程安全运行的问题。变形等观测频次为每7天1次，主要观测变形、渗压等数据是否出现异常。

截至2016年初，南水北调中线膨胀土（岩）渠段工程运行稳定，巡视检查未发现膨胀土（岩）渠段出现影响工程安全运行的严重问题，且安全监测报告显示，变形、渗压等各监测项目的变化规律基本正常。

四、结语

综上所述，对于南水北调中线工程膨胀土（岩）研究取得了大量成果，采取的处理设计和施工方法切实可靠，目前未发现影响工程安全运行的严重问题，安全监测项目的变化规律基本正常，膨胀土（岩）渠段工程运行稳定。今后，将继续做好安全监测和运行管理，为膨胀土变形机理研究提供可靠的数据支撑，对指导类似工程的设计、施工发挥重要意义。

参考文献

[1]龚壁卫，程展林.南水北调中线膨胀土工程问题研究与进展[J].长江科学院院报，2011，28（10）：134-140

[2]闫宇，杨计申.南水北调中线膨胀土渠道工程特性研究[J].水利规划与设计，2008（2）：43-47

[3]赵长伟，马睿.南水北调中线膨胀土试验段滑坡分析与防治[J].人民黄河，2011，33（9）：120-121

[4]吴瑕，方涛.南水北调中线膨胀土渠道安全监测成果分析[J].人民长江，2015，（3）：5-8