输水明渠膨胀土（岩）渠段渠坡处理措施有关问题的探讨

2013-04-09沈凤生

水利规划与设计 2013年4期

沈凤生

（国务院南水北调工程建设委员会办公室北京 100038）

1 概况

膨胀土（岩）渠坡处理是南水北调中线一期工程总干渠（以下简称中线总干渠）输水明渠工程的关键技术问题之一，在实施初期，中线总干渠膨胀土（岩）渠坡处理采用以放缓渠坡和对渠床进行换填处理为主的处理方案。随着对膨胀土（岩）渠坡滑动破坏机理认识的进一步加深，膨胀土（岩）地层中可能存在裂隙或软弱结构面，裂隙产状虽然有一定的规律性，但也具有很强的区域性及局部性；裂隙的密度、延展性与膨胀土（岩）的膨胀特性、地层埋置深度等相关；裂隙面光滑，抗剪强度低，对明渠渠道边坡稳定影响较大；裂隙面很多没有厚度或厚度极薄，常规工程地质钻孔勘察难以准确查明；膨胀土（岩）渠坡一般存在上层滞水，且膨胀土（岩）的渗透系数多较换填土层大。由于缺乏在中、强膨胀土（岩）地基上修建大型明渠渠道的工程实践经验，在总干渠上开展的两个膨胀土（岩）渠坡处理现场试验段，又不包括强膨胀土（岩）渠段和挖深大于15m 的中膨胀土（岩）渠段试验，且地下水位相对较低，因此，强膨胀土（岩）渠段和挖深大于15m 的中膨胀土（岩）渠段渠坡处理方案需要借鉴试验段试验研究得出的规律性认识和分析方法，以及安阳段膨胀土（岩）渠坡处理工程经验，基于实际开挖地质情况来深入研究。本文就中线总干渠明渠渠道膨胀土（岩）渠段施工期一级马道以下渠坡处理方案进行探讨。

2 膨胀土(岩)试验段渠坡处理的基本认识

在中线总干渠上布设两个膨胀土（岩）现场试验段，即南阳靳岗试验段和新乡潞王坟试验段。两个试验段研究成果表明∶影响膨胀土（岩）渠坡稳定性的因素较多，归纳起来主要有两大类：一类是与岩土自身物理力学特性有关的因素，如岩土体强度、膨胀性、渗透性等；另一类是与岩土的生存环境等有关的因素，如降雨和干湿循环过程、地层岩性、地形特征和裂隙产状等。从靳岗试验段发生渠坡破坏情况看，地层中的裂隙面是控制边坡稳定的重要因素，裂隙的密度、数量和倾向均对边坡的稳定有着重要影响，一旦地质条件具备，加之开挖卸荷、大气降雨等外部条件的变化，膨胀土（岩）边坡就可能发生失稳。从现场试验可以看出，渠坡破坏主要表现为两种不同的破坏模式，一类是由于裂隙面强度极低导致的滑动破坏；另一类是由于岩体吸湿膨胀所导致的破坏。靳岗试验段以第一类破坏模式为主，潞王坟试验段以第二类为主。靳岗试验段施工开挖中，由弱膨胀土（岩）体组成的渠坡在坡比缓于1∶2 时，渠坡总体是稳定的，施工开挖期一般不存在渠坡滑动问题。而中膨胀土（岩）体在坡比为1∶2 左右时，产生滑坡的几率较大。潞王坟试验段渠坡膨胀性相对较弱，地层裂隙不发育，施工开挖时渠坡破坏现象较少，尤其是地层没有发现长大裂隙发育。

两个试验段开展试验期间的地下水位均相对较低，地下水对已经处理渠坡的影响并未充分体现。地下水影响可借鉴安阳段膨胀土（岩）渠坡处理经验，对于预测地下水位高于渠底的，需要采取合适的排水措施。初设阶段提出的单一换填处理措施可以解决因为干湿循环引起的膨胀性稳定问题，但对于地层裂隙的影响以及地下水位高于渠底而可能产生的换填层稳定的问题需要研究采取进一步的处理措施。

3 原初设渠坡处理方案

初设阶段原膨胀土（岩）渠坡处理方案采用换填非膨胀性黏土方案。以设计开挖断面为基础，在膨胀土（岩）出露的部位，分别从渠底和设计坡面下垂直超挖，按明渠渠道设计断面回填碾压。弱膨胀土（岩）换填厚度一般为0.6～1.0m；中膨胀土（岩）换填厚度一般为1.5～2.0m；强膨胀土（岩）换填厚度一般为2.0～2.5m。

对于缺乏非膨胀性黏土地区，通过靳岗和潞王坟两现场试验段对土工膜封闭、土工袋处理、土工格栅处理、换填掺水泥改性的膨胀土等采用封闭或用外力约束处理膨胀土（岩）渠坡的方案进行比选。通过反复的现场试验研究，考虑工程施工工艺、经济合理性等多重因素后，最终选择回填弱或中膨胀土掺水泥改性方案。改性土生产中掺水泥比例根据设计要求和试验确定，一般弱膨胀土掺4%左右水泥，中膨胀土掺6%左右水泥。

4 主要地质条件

膨胀土（岩）渠段的地质条件随明渠渠道穿越的地区不同而不同。中线总干渠膨胀土（岩）渠段总体可以分为3大段来研究，即邯邢段、漳河南—沙河南段、沙河南—陶岔段。

4.1 邯邢段

邯邢段膨胀土（岩）为第三系湖相沉积黏土岩及黏土，或第四系下更新统湖相沉积、冰水堆积黏土。第三系黏土岩及黏土，裂隙和隐蔽裂隙发育，裂面具蜡状光滑，常见擦痕；第四系下更新统湖积黏土及壤土，黏土致密，裂隙及隐蔽裂隙发育，裂面蜡状光泽，见擦痕；第四系下更新统冰水积湖积黏土、壤土，裂隙和隐蔽裂隙发育，裂面蜡状光泽，见擦痕。邯邢段膨胀土（岩）空间分布特征明显，弱、中和强膨胀性等级的土（岩）随机性强，相互“包容”。主要抗剪强度指标为凝聚力19～30kPa，抗剪强度12o～17o。

4.2 漳河南—沙河南段

漳河南—沙河南渠段膨胀土（岩）主要为黏土岩及泥灰岩。黏土岩多呈坚硬至硬塑土状，成岩差，干裂后网状裂隙发育。棕红色黏土岩裂面具蜡状光泽和擦痕，岩性不均，局部夹有砂质黏土岩和泥质砂岩，层内夹有砂岩、砾岩、泥灰岩等。泥灰岩为泥质结构、层状结构，大部分成岩差，为硬可塑至坚硬土状，多为软岩，少部分钙质胶结，成岩较好，局部为半坚硬岩石，岩体均匀性差，夹有黏土岩透镜体，节理裂隙发育，沿裂隙有铁锰薄膜，局部见溶孔、溶隙。由于膨胀岩具有裂隙性和膨胀性，大量分布“方向随机型”裂隙的土体，可视为强度各向同性。对于分布一定量的“组合定向型”裂隙的土体，其抗剪强度具有强烈的各向异性，难以用一个定量指标来表征某一点土体的抗剪强度。根据施工开挖期发生滑坡膨胀岩边坡进行参数反演，黏土岩裂隙面抗剪强度参数，凝聚力约8.5kPa，摩擦角约10o；岩(土)块抗剪强度凝聚力约16kPa，摩擦角约17o。

4.3 沙河南—陶岔段

沙河南—陶岔段膨胀土主要为第四系中、下更新统（Q2、Q1）粉质黏土、上更新统（Q3）粉质黏土。膨胀岩主要为上第三系（N）河湖相沉积的灰白、灰绿、棕黄色黏土岩、砂质黏土岩、泥灰岩。膨胀土（岩）渠段主要有如下两方面特征：

（1）结构条带特征。可分大气影响带、过渡带、非影响带。大气影响带为地表以下0～3m，可取膨胀土（岩）残余强度。过渡带为地表以下3～7m，受大裂隙和长大裂隙控制，不仅发育有大裂隙和长大裂隙，而且普遍存在上层滞水。渠道开挖过程中，伴随着边坡土体卸荷松弛，裂隙或多或少地张开和错位，上层滞水进入裂隙面可导致膨胀土（岩）强度下降。现场试验表明：膨胀土（岩）裂隙面强度较其残余强度小。因此，过渡带对边坡稳定性影响最大。非影响带为地表以下7m 以上，受土体强度和裂隙强度控制，一般稳定性较好，具有超固结性和微透水性，典型的非饱和性，大裂隙减少，并多呈闭合状、光滑镜面。

（2）地下水的垂直分带特征。施工开挖揭示，上层滞水埋藏较浅，土体渗透特性在深度上具有明显的分带特征，自上而下分为较弱透水性、弱透水性和微弱透水性等三带。

针对膨胀土(岩)地层中存在的裂隙，对裂隙面抗剪强度开展了专门试验研究，并结合试验中发生的滑坡体所开展的膨胀土（岩）裂隙面物理力学参数反分析，实际潜在滑动面上的综合抗剪强度参数需根据裂隙面倾角、裂隙面与滑动面夹角等，按构成滑动面的裂隙长度与切割土块滑动面长度，通过加权平均方法确定。对于强膨胀土（岩），其土块与裂隙滑动面抗剪强度参数均取裂隙面抗剪强度参数。据研究，膨胀土（岩）裂隙面抗剪强度凝聚力约10.3kPa，摩擦角约9.8o。

5 调整渠坡处理措施

对于地下水位（或上层滞水）高于渠底情况，需在膨胀土（岩）开挖面与换填层之间根据情况增设排水设施。同时对于施工开挖发现膨胀土（岩）裂隙发育、存在长大裂隙或结构面的渠段，需对原初设膨胀土(岩)渠段渠坡处理方案进行稳定复核，根据稳定复核成果调整相应的处理措施。

5.1 稳定分析研究

当膨胀土（岩）渠坡中存在裂隙或软弱结构面时，渠坡沿裂隙或软弱结构面的抗滑稳定分析中，潜在滑动面通常是折线型，或折线与弧线连通形成的组合滑动面，圆弧滑动面法难以反映边坡失稳时的实际情况，需要按照组合滑动面采用刚体极限平衡法进行分析计算。稳定分析中，主要采用如下设计容许安全系数：

边坡最小安全系数：基本组合1.5；完建与检修1.3；非常组合1.2。

抗滑桩及坡面支撑梁：基本组合1.25；完建与检修1.15；非常组合1.1。

土锚：基本组合2.0；完建与检修1.5；非常组合1.5。

其中，抗滑桩、坡面支撑梁、土锚的结构设计荷载一般按照滑坡体（非圆弧滑动面）安全系数1.3 情况下的剩余下滑力计算结果取值。

由于膨胀土（岩）渠坡中的裂隙在渠道开挖前无法事先查明，膨胀土（岩）渠坡加固设计一般按照最不利裂隙组合进行，在施工阶段结合开挖实际揭露的裂隙情况进行复核调整。

经稳定性研究，强膨胀土（岩）或挖深大于15m 中膨胀土（岩）渠段，地层裂隙发育的弱膨胀土（岩）或挖深小于15m 中膨胀土（岩）渠段渠坡均需要采取进一步的渠坡加固措施。

5.2 渠坡处理措施比较

除由于地下水原因需要在膨胀土（岩）开挖面与换填土交界面上增设合适的排水措施外，对于初设处理方案不满足稳定要求的，对混凝土矩形明渠方案、混凝土落地槽方案、暗涵方案、挡土仰墙方案、“挡土仰墙”+“土锚”方案、以换填土为基本方案（“换填土”+“抗滑桩”支护方案、“换填土”+“抗滑桩”+“支撑刚架结构”方案）等可行的膨胀土（岩）渠坡处理方案分别进行了研究，经技术经济比较，采用换填土作为调整膨胀土（岩）渠坡处理措施的基本方案。具体处理方案中，根据膨胀土（岩）渠段的不同情况，主要采取加厚换填层、增设抗滑桩等结构支撑措施。

5.3 调整后的渠坡处理措施

根据设计研究成果，对于换填用非膨胀性黏土，若其自由膨胀率为20%～40%时，也需要掺水泥进行改性方能满足换填土的功能要求。

5.3.1 邯邢段

邯邢段弱膨胀土（岩）及挖深小于15m 的中膨胀土（岩）渠段渠坡处理措施主要采用原初设方案。强膨胀土（岩）及挖深大于15m 的中膨胀土（岩）渠段长度约10.4km，其中有约9.9km渠段地下水位高于渠底，经研究采用加厚换填厚度，部分放缓边坡，增设排水措施，加厚混凝土衬砌厚度等措施来解决稳定问题。对于强膨胀土（岩）渠段，渠坡及渠底换填层厚度增加到 3m或3.5m，当地下水位低于渠底时，换填层厚度取3m，否则取3.5m；对于中膨胀土（岩）渠段，渠坡及渠底换填层厚度取2.5m。混凝土衬砌板厚度从原边坡10cm，底板8cm 厚均增加到15cm厚。对于地下水位高于渠底的渠段，在换填层与膨胀土（岩）开挖面交界面上增设排水措施，其中渠坡采用纵横向十字盲沟排水方案，渠底采用换填层下增设砂砾料排水层，通过排水设施将地下水汇集到渠坡靠渠底部位，通过逆止阀排水。根据现场施工条件，部分换填土采用弱膨胀土经掺4%水泥后改性。

5.3.2 漳河南—沙河南段

（1）弱膨胀土（岩）和挖深小于15m 的中膨胀土（岩）渠坡处理。根据预测地下水位与渠底相对高度，主要处理方案分3 三类。一是对预测地下水位低于渠底，开挖过程中未见有长大裂隙的渠段，仍按原初设方案实施；二是对预测地下水位高于渠底3m 范围内，且开挖过程中未见有长大裂隙的渠段，为保证施工完建期及检修期渠道的安全，在原初设方案的基础上，在换填土与膨胀土（岩）开挖面交界面上增设排水措施，即在坡面设置三维排水网垫，渠底铺设粗砂垫层，并将设置在坡脚的软式透水暗管集水相互连通，接入逆止阀排水。渠底以上3m 高度内坡脚采用掺4%～5%水泥的水泥土，渠底以上3m 高度以上渠坡仍采用非膨胀性黏土换填；三是对预测地下水位高于渠底3m 以上渠段，其处理方案为在上述加强排水、加固坡脚方案基础上，每隔一定距离设置一口辅助强排井。对于施工开挖有长大裂隙的，专门研究相应加固措施。

（2）强膨胀土（岩）及挖深大于15m 的中膨胀土（岩）渠段渠坡处理（不包括荥阳段和郑州1 段）。主要处理措施为换填，换填土采用掺5%水泥的水泥土。对于地下水位在渠底附近（不高于渠底1.5m）时，中膨胀土（岩）渠段渠坡换填厚度为坡顶2.0m、坡底3.0m、渠底2.5m；强膨胀土（岩）渠段渠坡换填厚度为坡顶2.5m、坡底3.5m、渠底3.0m。对于地下水位较高的情况（高于渠底1.5m），需在上述加厚换填层厚度基础上，在换填土与膨胀土（岩）开挖面交界面上设置排水管网+逆止阀的组合排水系统。对于膨胀性强，经计算分析需要增设抗滑措施的，一般在一级马道顶部设置抗滑桩，以满足边坡的稳定要求。抗滑桩的桩径、长度、间距根据具体情况确定。对于按照原初设方案已经完成换填施工工序的强膨胀土（岩）渠坡，由于未能增厚换填层，需要采用“土锚杆”+“混凝土框格梁”的组合处理方案，即在混凝土纵、横向框格梁交汇处设置土锚杆，土锚杆、混凝土框格梁的设计参数根据实际情况，由稳定计算确定。

荥阳段挖深大于15m 的中膨胀土（岩）渠段，在渠坡和渠底换填2.5m 非膨胀性黏土基础上，采用抗滑桩方案或“抗滑桩”+“支撑刚架结构”方案。

郑州1 段挖深大于15m 的中膨胀土（岩）渠段，采用膨胀土（岩）表面换填基础上增设部分抗滑桩方案。换填土厚度在渠坡和渠底均取2.5m，掺4%水泥的改性土换填，混凝土衬砌板加厚至0.15m。

5.3.3 沙河南—陶岔段

（1）弱膨胀土（岩）和挖深小于15m 的中膨胀土（岩）渠坡处理。经对开挖地质进行复核，当膨胀土（岩）地层中不存在裂隙时，初设确定的设计断面渠坡稳定安全系数均满足相关设计要求。当开挖深度大于6m 时，坡体地层存在缓倾角裂隙，同时有陡倾角裂隙切割时，需要适当增加处理措施。地层存在裂隙条件下，渠坡中的地下水（包括上层滞水）对渠坡稳定影响仅次于裂隙影响。

经稳定复核和加固计算分析，在初设处理方案基础上需进一步加固的渠段，主要加固措施为增厚膨胀土表面的换填厚度，增加渠坡抗滑桩或“抗滑桩”+“支撑刚架结构”，对于地下水位高于渠底的，还需要增设坡体排水措施。对临近水系附近，还需要增设一定的防渗措施，并在渠道坡面增设坡体排水孔以降低坡体地下水位。其中弱膨胀土（岩）渠段采用0.6～1.0m 厚换填土换填；中膨胀土（岩）渠段采用1.2～1.5m 厚换填土换填。对于支护段较短、剩余下滑力较小的边坡，可采用抗滑桩或加大坡脚水泥改性土换填厚度等措施。

（2）强膨胀土（岩）及挖深大于15m 的中膨胀土（岩）渠段渠坡处理。经复核，膨胀土（岩）地层中水平裂隙对渠坡稳定影响较大，且两侧渠坡影响具有对称性。对于陡倾角裂隙与缓倾角裂隙的组合，一般只在一侧渠道坡面上出现，需要根据施工揭露情况确定。此时，一般在一侧只考虑水平裂隙，另一侧考虑组合裂隙。

经分析研究，调整的加固方案主要为加厚膨胀土（岩）表层换填厚度，增加渠坡支护结构。地下水位高于渠底的，需增设坡体排水孔，临近水系附近的特殊渠段，还需增加截、排水措施。中膨胀土（岩）渠段渠坡及渠底换填层厚度增加到2.5m，强膨胀土（岩）换填层厚度增加到3.0m。为增加膨胀土（岩）渠坡表面的从图2 可以看出，峡口以上流域在实施了上述工程方案以后，可在流域遭遇内洪为主50年一遇洪水时，比现状情况下降低峡口以上水位0.93～1.74m，说明规划方案效果明显。