簡述南水北調(diào)中線膨脹土（巖）工程問題的研究和處理

李樂

【摘要】膨脹土是一種具有特殊性質(zhì)的土，其處理技術(shù)難度、處理工程量和投資都比較大，是南水北調(diào)中線工程面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。南水北調(diào)中線一期工程總干渠沿線涉及到膨脹土問題的渠段較長，涉及范圍廣、條件復(fù)雜，任何局部的邊坡失穩(wěn)、襯砌結(jié)構(gòu)的破壞都將可能影響渠道正常輸水。本文回顧了南水北調(diào)中線膨脹土工程問題的研究進(jìn)展，簡要介紹了渠道膨脹土（巖）處理設(shè)計(jì)和施工方法，簡單分析了渠道施工期和運(yùn)行期的安全監(jiān)測成果，對膨脹土渠段的穩(wěn)定性做出了評價(jià)。

【關(guān)鍵詞】南水北調(diào)中線膨脹土工程；穩(wěn)定性；研究進(jìn)展；處理方法；安全檢測分析

南水北調(diào)中線工程總干渠明渠段涉及到膨脹土（巖）累計(jì)長度約340km，占總干渠全長的24%。膨脹土因其特殊的工程屬性，易造成渠坡失穩(wěn)，對工程安全運(yùn)行影響很大，因此，膨脹土的處理是南水北調(diào)工程的主要技術(shù)問題之一。

我國從上世紀(jì)60年代起對南水北調(diào)中線工程膨脹土問題進(jìn)行研究，了解膨脹土的工程特性、試驗(yàn)技術(shù)以及處理措施，在現(xiàn)場開展“膨脹土渠坡變形和穩(wěn)定”、“降雨對膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響”等現(xiàn)場觀測和試驗(yàn)。在國務(wù)院正式批復(fù)南水北調(diào)中線工程總體規(guī)劃后，選取南陽膨脹土試驗(yàn)段和新鄉(xiāng)膨脹巖現(xiàn)場試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，并進(jìn)行室內(nèi)開展了大型靜力模型試驗(yàn)和離心模型試驗(yàn)研究，取得了重大進(jìn)展。

一、南水北調(diào)中線膨脹土（巖）問題研究進(jìn)展

“膨脹土地段渠道破壞機(jī)理及處理技術(shù)研究”以南水北調(diào)中線工程的膨脹土問題為工程背景，針對膨脹土（巖）邊坡穩(wěn)定的世界級難題，以國內(nèi)外最大規(guī)模的膨脹土（巖）渠道原型試驗(yàn)為依托，運(yùn)用地質(zhì)勘察、現(xiàn)場試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、大型靜力模型、離心模型試驗(yàn)、數(shù)值分析等多種研究手段，有效地解決了膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定關(guān)鍵問題，在膨脹土的破壞機(jī)理、膨脹土的現(xiàn)場快速判別、膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)及其試驗(yàn)方法、穩(wěn)定分析方法以及處理措施等方面均取得了突破性的進(jìn)展。

（一）有關(guān)膨脹土邊坡的破壞機(jī)理

研究人員根據(jù)現(xiàn)場觀測和試驗(yàn)研究、結(jié)合數(shù)值模擬等多種手段，首次明確提出了膨脹土邊坡的2種破壞機(jī)理，即：裂隙強(qiáng)度控制下的邊坡滑動和膨脹作用下的邊坡滑動，并從力學(xué)機(jī)理上分別對這2種模式的破壞過程進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。該破壞模式的提出，重視了渠坡滑動時(shí)第一推動力的作用，強(qiáng)調(diào)了土體“首次滑動”的原因。該成果為膨脹土邊坡處理措施的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

（二）膨脹土的邊坡穩(wěn)定分析

膨脹土的邊坡穩(wěn)定分析，是膨脹土邊坡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。研究人員在認(rèn)真分析了膨脹土的破壞機(jī)理以后，提出對于不同的破壞機(jī)理應(yīng)采用不同的分析理論和分析方法。通過一系列實(shí)驗(yàn)分析，運(yùn)用力學(xué)和數(shù)學(xué)方法，歸納數(shù)學(xué)模型，建立了膨脹土邊坡穩(wěn)定的有限元分析方法。同時(shí)提出了反映裂隙空間分布的穩(wěn)定分析方法，提出了膨脹土渠道邊坡的處理原則和思路，從而從理論和實(shí)踐上系統(tǒng)、完整地解決了膨脹土邊坡的穩(wěn)定分析理論和方法，為有效解決南水北調(diào)中線工程膨脹邊坡穩(wěn)定問題奠定了基礎(chǔ)。

（三）膨脹土的處理措施研究

在有關(guān)膨脹土渠坡穩(wěn)定的處理措施方面，人們普遍認(rèn)為，膨脹土的邊坡失穩(wěn)主要為淺層的牽引式破壞，因此，在該課題的研究內(nèi)容中，處理措施主要是針對膨脹土的“淺層”破壞問題。研究發(fā)現(xiàn)：膨脹土邊坡不僅在受水增濕條件下會產(chǎn)生淺層失穩(wěn)，淺層失穩(wěn)的主要機(jī)理為土的膨脹變形；而且存在重力作用下的整體穩(wěn)定問題，整體穩(wěn)定受裂隙面強(qiáng)度控制。對于膨脹變形引起的渠坡破壞，采用換填土（包括換填非膨脹土、水泥改性土、土工格柵加筋、土工袋等）的處理措施可以有效地解決膨脹變形作用下的渠坡穩(wěn)定問題；而對于裂隙強(qiáng)度控制下的渠坡穩(wěn)定問題則需要采取抗滑樁、錨桿、混凝土框架梁等支擋加固措施。

二、渠道膨脹土（巖）處理施工方法

為了確保膨脹土渠段的施工安全、施工質(zhì)量及施工進(jìn)度，南水北調(diào)中線建管局依托有關(guān)單位對中線膨脹土（巖）問題的研究進(jìn)展，組織編制了渠道膨脹土（巖）處理施工技術(shù)要求，對膨脹土（巖）現(xiàn)場鑒別方法、施工技術(shù)、施工控制指標(biāo)、質(zhì)量檢測方法、安全監(jiān)測等提出了較為具體的要求，為渠道膨脹土（巖）處理設(shè)計(jì)和施工提供了有效參考。

（一）膨脹等級劃分依據(jù)

以自由膨脹率作為劃分膨脹等級的主要指標(biāo)，同時(shí)兼顧其它宏觀物理特征和其它指標(biāo)，主要劃分依據(jù)：當(dāng)渠段某層土體自由膨脹率大于90%的試樣數(shù)大于該層試樣總量的l/3時(shí)，則該層定為強(qiáng)膨脹巖 （土）層，該渠段定為強(qiáng)膨脹巖（土）渠段；當(dāng)渠段某層土體自由膨脹率大于65%的試樣數(shù)大于該層試樣總量的1/3時(shí)，則該層定為中等膨脹巖（土）層，該渠段定為中等膨脹巖 （土）渠段；當(dāng)渠段某層土體自由膨脹率大于40%的試樣數(shù)大于該層試樣總量的1/3時(shí)，則該層定為弱膨脹巖（土）層，該渠段定為弱膨脹巖（土）渠段。

（二）開挖技術(shù)要求

由于膨脹巖土渠段具有膨脹潛勢，易脹縮，裂隙較發(fā)育，強(qiáng)度低，邊坡穩(wěn)定性差。膨脹土（巖）渠道開挖前，須根據(jù)現(xiàn)場地形和水文地質(zhì)情況，做好地表水導(dǎo)引及截排措施和坡面及基坑的積水引排措施。

開挖過程中一般采用分層、分段開挖，為了防止建基面長期暴露在空氣中，應(yīng)預(yù)留保護(hù)層，并及時(shí)進(jìn)行坡面及基面的防護(hù)。

（三）施工技術(shù)

南水北調(diào)中線工程膨脹土（巖）處理以換填為主，膨脹土處理方法有水泥改性土換填和非膨脹土換填等，膨脹巖處理方法有非膨脹土換填和土工格柵加筋換填等。當(dāng)工程區(qū)附近或渠道開挖有可利用的非膨脹土?xí)r，優(yōu)先采用非膨脹土；無非膨脹土?xí)r采用水泥改性土。

1.水泥改性土換填要求

水泥改性土指摻混適量水泥改善膨脹土的膨脹特性，改性效果可從改性土的膨脹性、碾壓干密度、滲透特性、抗剪強(qiáng)度、變形模量等方面衡量，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)需要綜合評價(jià)。

水泥改性土填筑前，根據(jù)不同的料源及水泥摻量做室內(nèi)水泥改性土擊實(shí)試驗(yàn)，以確定水泥改性土的最優(yōu)含水量及最大干密度。水泥改性土填筑壓實(shí)度宜不小于0.98，并防止過壓。初擬水泥改性土含水率控制在最優(yōu)含水率（+1%～+3%），鋪土厚度30cm（±2cm），振動凸塊碾碾壓。

在分層填筑上升過程中，及時(shí)對填筑面及填筑邊坡進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，以防止水泥改性土砂化。邊坡面開挖成小臺階狀，做到處理層與邊坡更好的結(jié)合。

2.非膨脹土換填要求

換填所用土料應(yīng)進(jìn)行膨脹性檢測，確認(rèn)為非膨脹土方可使用。進(jìn)入填筑倉面的非膨脹土塊粒徑宜不大于10cm。如土料顆粒超徑，則需進(jìn)行剔除或破碎至滿足設(shè)計(jì)粒徑要求。

非膨脹土換填層的壓實(shí)度一般控制在不小于0.96，并防止過壓。在邊坡?lián)Q填時(shí)，采用自卸汽車運(yùn)土料進(jìn)占法鋪料，盡量減少運(yùn)輸車輛對工作面的碾壓。填筑時(shí)鋪土厚度30cm左右，振動凸塊碾碾壓。碾壓機(jī)械沿渠道軸線方向前進(jìn)、后退全振錯(cuò)距法碾壓，前進(jìn)、后退一個(gè)來回按兩遍計(jì)，碾跡重疊不小于20cm。碾壓速度控制在2～4km/h范圍內(nèi)，開始碾壓時(shí)宜用慢速。

3.土工格柵換填要求

土工格柵采用人工分層鋪設(shè)，一端用φ10的U型鋼筋釘固定于基層地面，另一端（自由端）拉緊固定，在兩幅土工格柵之間的搭接處采用φ10的U型鋼筋釘固定，在自由端向上層反包搭接包裹形成坡面，反包長度不小于100cm，格柵之間搭接均用連接棒連接。

經(jīng)過檢測的弱膨脹土料可進(jìn)行土工格柵加筋換填。渠坡處理層填筑的弱膨脹巖（土）料粒徑不大于100cm，一般采用天然含水量的弱膨脹性開挖料直接進(jìn)行換填處理。當(dāng)天然含水率與最優(yōu)含水率相差較大，難以壓實(shí)時(shí)，進(jìn)行加水或攤鋪晾曬。

三、安全監(jiān)測分析

膨脹土安全監(jiān)測對于研究膨脹土渠道變形破壞機(jī)理、分析監(jiān)測因子對膨脹土變形的影響規(guī)律以及如何治理膨脹土至關(guān)重要。膨脹土監(jiān)測內(nèi)容主要包括：變形、應(yīng)力、環(huán)境量、巖土體性質(zhì)、土壤含水量、吸力以及地表巡視檢查等。

南水北調(diào)中線干線工程經(jīng)過若干年的施工期和一年的運(yùn)行期，積累了部分安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，可通過對滲壓、應(yīng)力、變形、含水量等監(jiān)測資料進(jìn)行初步分析，探索膨脹土（巖）渠道的安全性狀變化過程和分布規(guī)律。

通水運(yùn)行初期，膨脹土（巖）渠段巡視檢查頻次為1天1次，主要檢查發(fā)現(xiàn)是否存在影響工程安全運(yùn)行的問題。變形等觀測頻次為每7天1次，主要觀測變形、滲壓等數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常。

截至2016年初，南水北調(diào)中線膨脹土（巖）渠段工程運(yùn)行穩(wěn)定，巡視檢查未發(fā)現(xiàn)膨脹土（巖）渠段出現(xiàn)影響工程安全運(yùn)行的嚴(yán)重問題，且安全監(jiān)測報(bào)告顯示，變形、滲壓等各監(jiān)測項(xiàng)目的變化規(guī)律基本正常。

四、結(jié)語

綜上所述，對于南水北調(diào)中線工程膨脹土（巖）研究取得了大量成果，采取的處理設(shè)計(jì)和施工方法切實(shí)可靠，目前未發(fā)現(xiàn)影響工程安全運(yùn)行的嚴(yán)重問題，安全監(jiān)測項(xiàng)目的變化規(guī)律基本正常，膨脹土（巖）渠段工程運(yùn)行穩(wěn)定。今后，將繼續(xù)做好安全監(jiān)測和運(yùn)行管理，為膨脹土變形機(jī)理研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，對指導(dǎo)類似工程的設(shè)計(jì)、施工發(fā)揮重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]龔壁衛(wèi)，程展林.南水北調(diào)中線膨脹土工程問題研究與進(jìn)展[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2011，28（10）：134-140

[2]閆宇，楊計(jì)申.南水北調(diào)中線膨脹土渠道工程特性研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2008（2）：43-47

[3]趙長偉，馬睿.南水北調(diào)中線膨脹土試驗(yàn)段滑坡分析與防治[J].人民黃河，2011，33（9）：120-121

[4]吳瑕，方濤.南水北調(diào)中線膨脹土渠道安全監(jiān)測成果分析[J].人民長江，2015，（3）：5-8