邵玉恩

膨胀土处理是水利工程施工中的一项难题，在南水北调中线干线工程施工中，磁县段分布有大量的膨胀土，为渠道工程的安全带来极大隐患。在工程施工中，通过换填、加厚衬砌、加强防渗等措施解决了膨胀土施工的难题。南水北调中线工程自2014年10月通水以来，一直保持着安全稳定的运行。此文对南水北调中线干线磁县段膨胀土施工技术，以及膨胀土渠段在施工过程中发生滑坡的成因分析及处理措施进行了总结和回顾，对其他水利工程设计和施工中类似问题的技术处理具有重要参考意义。

1.膨胀土施工技术概述

1.1 基本情况

南水北调中线干线磁县段工程以冀豫交界处的漳河北为起点（桩号为0＋000），至磁县与邯郸县交界的河北村为终点（桩号为40+056），工程全长40.056km。渠道为梯形断面型式，设计流量235m3/s，加大流量265m3/s，受地形起伏变化影响，分为全挖、全填、半挖半填3 种型式。

磁县段工程地质岩性多变，比较复杂。渠线分布膨胀性岩（土）总长13.579km，其中强膨胀土4.371km，中膨胀2.36km，弱膨胀6.848km。

膨胀土是土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成、同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土，性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，危害性很大。

1.2 存在问题

在初步设计阶段，对膨胀土渠段地基采用以放坡和换填黏性土措施为主的处理措施。按照膨胀土强弱性质，一级马道以下强、中膨胀土换填厚度分别为2.5、2.0m；一级马道以下渠坡、渠底混凝土衬砌板厚度分别为10cm、8cm。

2010年汛期，在南水北调中线干线工程施工过程中，安阳膨胀岩渠段已经进行换填处理的渠坡出现了失稳滑坡现象，为减小运行风险，提高安全度，2010年 10月和 12月，南水北调中线干线工程建设管理局2 次在北京组织召开会议，专题研究膨胀土渠段处理方案优化工作，并下发了会议纪要。国务院南水北调工程建设委员会办公室要求对原设计方案进行优化修改，尤其是加强一级马道以下过水断面渠坡的设计安全度。

1.3 技术措施

基于以上情况，对初步设计方案进行了变更。主要内容为：增加换填厚度。地下水位在渠底以上的强膨胀及挖深大于15m 的中膨胀土渠段换填厚度分别增加到3.5m 和2.5m。弱膨胀土换填厚度1.0m。将渠坡渠底混凝土衬砌板厚度增加到15cm。过水断面以上的渠坡，换填土表层采用六边混凝土框格防护。为避免汇入一级马道排水沟的坡面水渗入膨胀土体内，在弱膨胀土渠段一级马道排水沟下铺设复合土工膜。2011年8月，国务院南水北调工程建设委员会办公室对设计方案变更进行了批复。

同时，由于设计方案的变更，膨胀土换填所需土料大量增加，因为符合要求的土料较少，征地又非常困难。为了有效地利用渠道开挖弱膨胀土，采用弱膨胀土掺加水泥改性的方法。通过室内和现场试验，确定水泥改性土水泥掺量4%，填筑压实度为98%的方案。该方案经过水利部水利水电规划设计总院审查通过。在施工过程中，通过对改性膨胀土的料源、水泥掺量、拌合均匀度、土料含水量、粒径、换填面处理、填筑工艺等进行严格控制。各项指标均能满足设计要求，通过安全监测设备观测的变形量，均在合理变化范围内。磁县段共利用水泥改性土约90 万m3，有效解决了换填土料料源不足的问题。

2.施工中膨胀土渠段滑坡技术处理

磁县段膨胀土渠坡在施工期间共发生3 处滑坡，分别位于桩号12+880～13+340 渠段、桩号 28+015～28+039 左坡以及桩号31+150～31+395 右坡，由于滑坡成因机理不同，分别采取不同的处理措施。

检测膨胀土压实度 邵玉恩摄

2.1 桩 号 12+880～13+340 渠 段 滑坡处理

桩号12+880～13+340 渠段为弱膨胀土段，挖方断面。左侧挖深约18m，右侧挖深11m 左右，过水断面设计边坡1∶2.0，一级马道以上边坡为 1∶2.25，二级马道以上边坡为1∶2.0，膨胀土渠坡处理采取换填措施，换填黏性土厚度为1.0m。滑坡前桩号12+880～13+000 开挖至渠底高程，桩号13+000～13+340开挖至一级马道以下2m 左右。

2012年 8月1日日 ，由 于 连 续 降雨，该段左、右坡在出现滑坡，其中左坡两处较为严重，有明显的原生结构面，滑面呈蜡状光泽，右坡坡面出现蠕滑，坡面分布有纵向裂缝。

为了查明滑裂面的位置及滑坡成因，在左、右渠坡开挖横向探槽1 条，依据左、右侧滑坡特征，分别对滑坡采取不同的处理措施。左侧渠坡坡高较大，且具有明显的原生结构面，采取抗滑桩+换土方案进行滑坡处理，并对开口线外侧永久占地范围内的泥砾土采取黏性土换填防渗处理。左坡共布置抗滑桩 92 根，桩长为 13m 和 15m，右侧渠坡坡高较小，为浅层蠕滑，采取换土方案。渠坡换填土厚度2.5m，渠底换填土厚度1.0m。换填层底部按照渠基排水要求布设排水盲沟和软式透水管。

为了监测滑坡处理效果，在抗滑桩内埋设测斜管2 支，增加抗滑桩位移变形测点5 个，经过长期观测，变形量均在合理范围内，处理效果良好。

膨胀土换填施工现场 邵玉恩摄

2.2 桩 号 28+015～28+039 左 坡 滑坡处理

桩号 28+015～28+039 渠段，为弱膨胀土渠段，挖方断面。挖深约22m 左右，一级马道以下设计边坡1∶2.75，一级马道以上至地面设计边坡分别为1：2.25、1∶2、1∶1.75。膨胀渠坡处理采取换填措施，换填黏性土厚度为1.0m。

2013年3月初，该渠段左坡出现滑塌，长度约20m，并顺坡向延伸至一级马道以上位置。针对滑坡发展情况，对滑坡体进行现场勘察，开挖探槽1 条，基本探明滑裂面的深度、范围和滑坡原因。由于地层结构为上部泥砾，中部砂夹砂岩，下部膨胀性黏土岩的3 层结构。砂夹砂岩及膨胀性黏土岩自北西向南东倾斜，且砂夹砂岩为含水层，坡脚局部膨胀土裂隙较为发育，地下水自含水层内沿岩层分界面向外流动，形成溢出通道，浸湿黏土岩表面，流入黏土岩裂隙内。由于水的作用，表层膨胀性黏土岩反复胀缩，土体结构发生破坏，且渠道表层土体接近饱和，强度降低，表层松软饱和的土体沿节理裂隙面发生滑动形成滑坡。

根据该滑坡体的失稳特征和滑坡成因，经分析研究，采取清除滑坡体、抗滑挡墙与支撑渗沟相结合等措施对滑塌部位进行处理。抗滑挡墙采用埋石混凝土，滑坡于2013年6月处理完成后，渠段稳定性良好。

2.3 桩 号 31+150～31+395 右 坡 滑坡处理

桩号 31+150～31+395 渠段，为中膨胀土渠段，挖方断面。右坡平均挖深约11m 左右，最大挖深13.5m，最小挖深9.5m，一级马道以下设计边坡1∶2.75，一级马道以上设计边坡1：2.5。膨胀土渠坡处理采取换填措施，换填黏性土厚度为2.0m。

2011年汛后，发现该段右坡坡面出现了2 条贯通性裂缝，前缘向前鼓起，有进一步发展的趋势。第1 条裂缝位于一级马道位置，局部在一级马道以上。第2 条裂缝位于过水断面渠坡的中上部，距一级马道坡面长约10m，2 条主裂缝两侧形成多条分支裂缝，局部坡面存在渗水出逸点。经分析滑坡的主要原因在于开挖坡面由于长时间暴露于大气中，土岩体原生裂隙失水开裂，逐渐形成贯通性裂隙，透水能力显著增加，由于降水和坡面水流入渗，使土岩体产生膨胀变形，如此反复，导致土体强度降低，土体沿滑动面下滑，向前鼓起，同时带动后部土体向下滑动，产生张拉裂缝。导致渠道右侧边坡滑坡失稳。

根据该滑坡体的失稳特征和滑坡原因分析，经分析研究，采取清除滑坡体，换填黏性土处理措施。换填厚度6m，滑坡于2012年9月换填施工完成后，渠段稳定性良好。

3.结语

南水北调工程作为世界上最大的调水工程，在工程设计和施工中遇到的难题是前所未有的。目前，中线总干渠通水已超过5年，工程运行状态保持稳定，膨胀土渠段的技术处理措施得到了很好的验证。这些技术措施将为其它水利工程的设计和施工起到技术引领和示范带头作用，具有极其重要的借鉴意义。