對南水北調(diào)膨脹土處理的分析

□付 帥 □范功川（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局）

膨脹土是工程界普遍認(rèn)同危害和處理難度較大的工程技術(shù)難題，南水北調(diào)膨脹土渠坡的處理與公路、鐵路等膨脹土邊坡相比，因存在永久過水?dāng)嗝娴奶厥庑?，與水為鄰更加深了膨脹土渠道處理的難度。處理前可對膨脹土的膨脹性進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》對膨脹土的膨脹潛勢等級進(jìn)行判別。根據(jù)南水北調(diào)沿線膨脹試驗(yàn)成果，沿線分布的膨脹土多具弱膨脹潛勢，且其膨脹潛勢在空間分布上的隨機(jī)性較大，反映了膨脹土的膨脹潛勢在水平方向和垂直方向的不均勻性。如對膨脹土不進(jìn)行技術(shù)處理，在發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，降雨量、降雨強(qiáng)度大，地下水位會在短時間內(nèi)迅速升高，且高于多年預(yù)測最高水位2～3m，膨脹土渠坡會出現(xiàn)坡腳變形，再隨著降雨的持續(xù)，也會發(fā)生不同程度的坡腳變形和渠坡失穩(wěn)。因此，可根據(jù)膨脹土渠坡的破壞特點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)處理，以達(dá)到工程安全的目的。

一、膨脹土處理方式

(一)梯形明渠換填方式

如果渠段一級邊坡1:3.25，通過穩(wěn)定計(jì)算，設(shè)計(jì)工況安全系數(shù)1.697，校核Ⅰ工況安全系數(shù)1.335，均滿足邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的要求。渠段為全挖方斷面，最大挖深16.5m。渠道設(shè)計(jì)底寬18.5m，坡比1:3.25，一級坡以上以級差0.25坡比遞減，設(shè)計(jì)水深7m。渠道開口線外兩側(cè)設(shè)防護(hù)堤、林帶。

（二）矩形明渠方式

如果矩形明渠方案，進(jìn)出口設(shè)50m長的漸變段，矩形明渠長1.11km。矩形明渠方案邊坡為鉛直，需采用支擋結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定要求，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后采用半重力式擋墻，設(shè)計(jì)底寬37.5m，設(shè)計(jì)水深7m。左岸沿填方外坡腳向外設(shè)防護(hù)林帶，林帶外緣設(shè)截流溝，右岸設(shè)置8m寬防護(hù)林帶，不設(shè)截流溝。

渠段地下水位較高，為滿足擋土墻穩(wěn)定要求，需采取排水措施降低渠內(nèi)外水位差。具體措施為：用暗管集水，逆止式排水閥自流內(nèi)排入渠。內(nèi)排系統(tǒng)由透水管、出水管和逆止閥組成。透水管采用Φ250軟式透水管，在擋墻外側(cè)順坡布設(shè)透水管，透水管間距2.0m。順?biāo)鞣较虿荚O(shè)Φ250軟式透水管，間距為4.0m；出水管采用Φ110塑料排水管，布置間距同順坡透水管，在出水管末端設(shè)可更換的逆止閥。

（三）落地槽方式

選取南水北調(diào)部分區(qū)段，矩形槽軸線長1.21km，其中矩形槽長1.11km，進(jìn)口漸變段長50m，出口漸變段長50m。矩形槽C30鋼筋混凝土矩形斷面，雙槽，單槽底寬24m，側(cè)墻高8.2m，槽底厚1.3m，側(cè)墻底部厚1.3m，頂部厚0.5m。矩形槽外側(cè)填土回填槽頂，而后以1:2邊坡向兩側(cè)地面削坡，每6m一級。進(jìn)出口漸變段長均為50m，邊墻采用直線扭曲面形式。邊坡系數(shù)0～2，底寬50.6～24.5m，底板厚0.5m。漸變段始端為重力式擋土墻，墻高8.2m，末端為貼坡式擋土墻，墻高與總干渠一級馬道齊平。該段渠道設(shè)計(jì)水位126.937～126.891m，水位差0.046m。根據(jù)水力計(jì)算，若采用單槽，則單槽凈寬38m；若采用雙槽，則單槽凈寬24m?？紤]單槽尺寸過大，對結(jié)構(gòu)安全不利，因此，矩形槽方案采用雙槽型式。矩形槽建基面位于粘土巖上，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為300kPa，各項(xiàng)穩(wěn)定指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

矩形槽受力比較明確，側(cè)墻及底板均取最不利工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，中墻最不利工況為滿槽水工況，內(nèi)側(cè)受拉；邊墻最不利工況為槽內(nèi)無水，外側(cè)受拉；底板最不利工況為槽內(nèi)設(shè)計(jì)水深，內(nèi)側(cè)受拉。

（四）暗渠方式

選取部分渠段暗渠軸線總長1210m，由上游漸變段、洞身段、下游漸變段3部分組成。

暗渠全長1210m，設(shè)計(jì)水頭0.046m，由于水頭太小，經(jīng)水力計(jì)算，初擬兩種孔徑：方案一孔寬8.0m，共10孔；方案二孔寬9.2m，共8孔，均為兩孔一聯(lián)，暗渠最優(yōu)孔徑在7m左右，本次選用方案一孔寬8.0m，10孔。暗渠建基面位于粘土巖上，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為300kPa，地基承載力經(jīng)修正后495kPa，各項(xiàng)穩(wěn)定指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

二、處理方式綜合比較

通過采用等水頭技術(shù)投資分析，梯形明渠方式投資大大少于矩形明渠方案和落地槽和暗渠方案的投資，南水北調(diào)總干渠一般渠道比降在1/25000～1/28000，但暗渠的綜合比降在1/3000～1/5000，落地槽等建筑物的綜合比降在1/5000～1/7000，因此若按建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取暗渠和落地槽方式需要加大水頭，調(diào)整水頭則會對全線施工進(jìn)度造成重大影響。如再進(jìn)行建筑物設(shè)計(jì)設(shè)置出口閘，會加大投資，更不經(jīng)濟(jì)合理。

綜合以上情況，采用渠道粘土換填方式更合理，可從以下3個方面考慮：對膨脹土挖深＜15m的渠段，處理方式以柔性支付為主，采用不同的換填材料和換填斷面形式。對地下水位高出渠底的渠段，采取必要的排水措施，以降低地下水的影響。對渠道邊坡及坡頂采取有效的防護(hù)和排水形式，減少雨水的下滲量。

三、膨脹土換填方式的應(yīng)用

膨脹土渠坡的處理，既要達(dá)到高地下水位排水之目的，同時還要避免對深層膨脹巖擾動引起強(qiáng)度降低，導(dǎo)致深層滑動以及表層渠道襯砌的抗滑穩(wěn)定。綜合排水計(jì)算與換填斷面的計(jì)算結(jié)果，對弱膨脹土及挖深＜15m的中等膨脹巖渠段的具體處理方案如下：坡頂截排水措施：為減少地表水的入滲，將坡頂截流溝干砌石護(hù)砌形式改為現(xiàn)澆混凝土襯砌，厚8cm。另地表清基時，向截流溝一側(cè)按1%坡度修坡。換填層后排水措施：通過對不同排水形式、不同水位高程的滲流計(jì)算分析，在坡面換填層后采用Φ150軟式透水暗管集水，通過Φ150PVC波紋管連接逆止閥將水排出坡面。渠底鋪設(shè)10cm厚砂礫石墊層與渠底縱向Φ150軟式透水暗管相通。通過排水能力的計(jì)算，橫向集水暗管與逆止閥間隔8m相間布置。

為更好地排泄和匯集膨脹巖坡面的裂隙水，在坡面上鋪設(shè)三維排水網(wǎng)墊與縱向集水暗管連通。另對于地下水位高于渠底的渠段，每100m設(shè)置1輔助強(qiáng)排井。為固定鋪設(shè)在斜坡面上的三維排水網(wǎng)墊，用Φ6的U型鋼筋固定，每平方米不少于6個。穿過換填層的排水管采用Φ150PVC波紋管，為防止施工過程中機(jī)械碾壓對管子造成破壞，應(yīng)在完成相應(yīng)的碾壓高度、人工挖槽鋪設(shè)后，再進(jìn)行后續(xù)鋪土碾壓施工。

坡腳加固措施：根據(jù)滲流計(jì)算的換填層后的水位以及安陽段渠坡失穩(wěn)主要發(fā)生在坡腳以上2～4m范圍內(nèi)的特點(diǎn)，對渠坡3m以下范圍內(nèi)采用改性水泥土換填，其余部位采用非膨脹性粘土換填。

換填材料及施工技術(shù)要求：對已開挖到設(shè)計(jì)建基面但未進(jìn)行換填的渠段，坡腳及渠底應(yīng)按變更方案進(jìn)行二次開挖后，完成換填及排水措施的施工；對已經(jīng)換填但未進(jìn)行襯砌的渠段，應(yīng)先將坡面及渠底換填層開挖后（單獨(dú)堆放以便二次利用），按變更方案二次開挖后，完成換填及排水措施的施工。

對坡面受雨水沖刷后形成的雨淋溝，應(yīng)清除風(fēng)化層。對開挖面的平整度要求可以放寬，不得為滿足平整度要求而對開挖面或清理后的雨淋溝采取補(bǔ)土處理，清理后直接進(jìn)行換填層的填筑碾壓即可。換填土應(yīng)采用一般粘性土，粘粒含量≥15%，自由膨脹率應(yīng)≤30%。改性水泥土技術(shù)指標(biāo)：水泥強(qiáng)度425#，摻量初定范圍值5%與土料摻拌均勻，壓實(shí)度不低于0.98，施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)確定水泥摻量、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)等施工參數(shù)，因膨脹巖不易粉碎及拌合均勻，除特殊渠段采用弱膨脹土改性，其余渠段所用土料同換填用土不宜用膨脹巖土。

為保證設(shè)計(jì)斷面碾壓密實(shí)，渠坡?lián)Q填層超填寬度宜為30cm，并通過碾壓試驗(yàn)驗(yàn)證。改性土填筑后削坡余料，不可重復(fù)利用。膨脹土處理段與非膨脹土段相鄰時，應(yīng)將過渡段設(shè)在非換填段，坡比不陡于1：1.5。對施工期地下水高于渠底的渠段，施工降水措施應(yīng)當(dāng)落實(shí)，保證作業(yè)面干燥施工。

四、結(jié)語

本工程為了優(yōu)化臨時工程量，滿足施工導(dǎo)流要求，先后采用了上游導(dǎo)流矩形槽、壩體導(dǎo)流槽和壩外導(dǎo)流明渠三種導(dǎo)流設(shè)計(jì)。此導(dǎo)流設(shè)計(jì)在本工程壩體工程量大的特殊情況下，最大限度地保證了工期的順利進(jìn)行。