土工合成材料在南水北調(diào)膨脹巖渠坡加固中的應(yīng)用

龔壁衛(wèi)，童 軍

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 概 述

南水北調(diào)工程是目前我國(guó)乃至世界最宏偉的調(diào)水工程之一，中線工程總干渠將跨越我國(guó)長(zhǎng)江、黃河、淮河、海河等多個(gè)流域，以及從南往北不同的氣候帶和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。干渠沿線存在著諸如膨脹土、黃土、砂土等特殊性質(zhì)的巖土所產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題，其中，有數(shù)百公里渠段將穿越膨脹土（巖）地區(qū)，這些渠段的斷面設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的工程處理措施，一直是工程技術(shù)人員所關(guān)注的問題。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告［1］，中線一期工程總干渠沿線地表至渠底板以下5 m范圍內(nèi)分布有膨脹土（巖）的渠段累計(jì)長(zhǎng)約300余km，主要分布在陶岔北汝河段，輝縣 新鄉(xiāng)段，淇河 洪河南，邯鄲 邢臺(tái)段，此外潁河及小南河兩岸，安陽(yáng)河北 東稻田，沙河，臨城，高邑，石家莊等地也有零星分布。

膨脹性土（巖）分布區(qū)地貌形態(tài)多為丘陵，壟崗和山前沖洪積、坡洪積裙，渠道挖深以小于10 m為主，部分渠段挖深可達(dá)10～15 m，局部渠段挖深15～30 m，少數(shù)渠段挖深可超過30 m。

上述膨脹性土（巖）渠段中，分布有膨脹巖的渠段長(zhǎng)169．7 km，分布有膨脹土的渠段長(zhǎng)279．7 km（部分渠段既分布有膨脹土，又分布有膨脹巖）。在膨脹巖渠段中，強(qiáng)膨脹巖渠段長(zhǎng)34．2 km，中等膨脹巖渠段長(zhǎng)58．73 km，弱膨脹巖渠段長(zhǎng)76．79 km；在膨脹土渠段中，強(qiáng)膨脹土渠段長(zhǎng)5．69 km，中等膨脹土渠段長(zhǎng)103．5 km，弱膨脹土渠段長(zhǎng)170．5 km。不同地域膨脹土（巖）的分布、時(shí)代、成因等存在一定的差異。

根據(jù)總體可研和初步設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)方案，膨脹土渠段采用換填非膨脹性黏土方法進(jìn)行處理，其中，強(qiáng)膨脹土渠段換土厚度為2．0 m，中膨脹土渠段換土厚度為1．5～2．0 m，弱膨脹土換土厚度為1．0 m。這些措施是否合理以及這些設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用，還存在許多值得探討的問題。首先，換填非膨脹土是膨脹土地區(qū)地基處理的常用措施之一。對(duì)于中線工程，大面積的換土需要大量非膨脹土料源，往往運(yùn)距遠(yuǎn)、代價(jià)高，同時(shí)取料將占用大量土地資源，征地費(fèi)用大，還會(huì)引起拆遷以及環(huán)境保護(hù)、水土流失等多方面問題。第二，膨脹土是一種易受降雨、蒸發(fā)、地下水位、沉積歷史等自然環(huán)境和地質(zhì)條件影響的特殊土，總干渠沿線地質(zhì)條件差異較大，自然環(huán)境不同，采用單一的處理方式可能難以同時(shí)滿足不同的地質(zhì)條件和自然條件的要求。第三，大量的膨脹土挖方作為棄土需要轉(zhuǎn)運(yùn)、堆放，而這些棄土在短期內(nèi)很難作為耕地使用，從而增加復(fù)耕等環(huán)境修復(fù)工作，間接提高工程造價(jià)。最重要的是，由于目前所采用的設(shè)計(jì)理論和分析方法，均是針對(duì)一般黏性土的分析方法，沒有考慮膨脹土特殊性，不盡符合膨脹土邊坡破壞的實(shí)際情況。因此，換填非膨脹性后，仍然難以從根本上解決膨脹土地段渠道的穩(wěn)定問題。因此，必須研究更為合理的、替代換土方案的工程處理措施。

2 膨脹土渠道處理原則

膨脹土邊坡失穩(wěn)主要有2種類型：淺層滑動(dòng)和深層滑動(dòng)。在實(shí)際工程中，淺層滑動(dòng)較為多見，主要發(fā)生在淺層大氣影響范圍內(nèi)，并主要受裂隙控制；深層滑動(dòng)則主要由軟弱結(jié)構(gòu)面控制。觀測(cè)資料顯示，膨脹土渠道坡腳部位的位移比坡肩部位的位移大得多，這表明邊坡的失穩(wěn)一般先從坡腳開始發(fā)生，然后逐步向上牽引式發(fā)展；膨脹土在非飽和狀態(tài)下的吸力是影響渠坡穩(wěn)定的重要因素，降雨導(dǎo)致含水量增大和吸力降低，并導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度（主要是凝聚力）的衰減，這是淺層滑坡的重要原因之一。另外，膨脹土含水量的變化還會(huì)導(dǎo)致膨脹土脹縮性的顯現(xiàn)，這也是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定的重要因素。

因此，膨脹土渠坡穩(wěn)定的處理措施，應(yīng)緊密結(jié)合膨脹土上述破壞機(jī)理，考慮膨脹土的裂隙性、膨脹性、超固結(jié)性、吸水軟化等特性以及渠道的運(yùn)行特點(diǎn)，采取針對(duì)性的處理措施［2］。

（1）裂隙處理：膨脹土體的破壞，主要源于水對(duì)土的作用，而水首先是通過土體的裂隙入滲的。地表部的膨脹土因受氣候的影響裂隙最為發(fā)育，其深度約在2 m左右的范圍內(nèi)。這些裂隙面失水開裂，吸水膨脹，并導(dǎo)致裂隙不斷擴(kuò)展，因此，膨脹土的治理應(yīng)首先著眼于土體的裂隙問題。處治裂隙的最佳措施就是通過開挖破壞土體的原有結(jié)構(gòu)，消除由于裂隙引起的潛在滑動(dòng)面［3］。

（2）脹縮性處理：盡可能避免膨脹土與外界的水分交換，保持土體水分恒定（即保持吸力恒定）。

（3）淺層滑動(dòng)和深層滑動(dòng)的破壞機(jī)理是不同的，因此，它們的處理方法也不一樣。

（4）中、強(qiáng)膨脹土工程危害性大，是渠道工程的重點(diǎn)防治對(duì)象；弱膨脹土脹縮性較弱，對(duì)工程危害性較小，處理中也應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

（5）渠道過水?dāng)嗝嬉陨虾瓦^水?dāng)嗝嬉韵碌呐蛎浲燎掠胁煌奶攸c(diǎn)，處理也應(yīng)有針對(duì)性。

考慮到膨脹土邊坡的上述特點(diǎn)，在膨脹土渠坡處理工程中應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則［3］：

（1）坡頂（上）以防護(hù)為主，防止土體開裂和雨水入滲；坡腳（下）以支擋和排水為主，提高土體抗滑能力。

（2）水下和水位變動(dòng)區(qū)域設(shè)置混凝土襯砌，并在襯砌下部鋪設(shè)柔性墊層，吸收膨脹勢(shì)能。

（3）開挖緩坡，破壞大氣影響深度范圍的土體裂隙結(jié)構(gòu)，然后，按一定的設(shè)計(jì)坡比回填，形成穩(wěn)定的坡型。渠坡坡的回填可考慮采用大型機(jī)械翻挖原土，再根據(jù)需要設(shè)置土工合成材料加筋等處理措施。

3 膨脹巖渠段處理措施

鑒于土工合成材料已廣泛應(yīng)用于地基基礎(chǔ)處理、邊坡支擋等巖土工程，中線工程膨脹巖土渠坡，將考慮采用土工合成材料的加固措施，以替代換土處理方案。根據(jù)既有工程的加固處理經(jīng)驗(yàn)，主要采用土工格柵、土工袋2種材料。

土工格柵具有高強(qiáng)度、低延伸率和耐久性好等特點(diǎn)，將其分層水平鋪設(shè)在膨脹土邊坡中，形成加筋體，當(dāng)膨脹土在干濕循環(huán)作用下產(chǎn)生脹縮時(shí)，由于土工格柵與土的界面摩擦和咬合作用，使土體的變形受到抑制，從而達(dá)到防止坡面開裂、提高邊坡淺表層土體整體穩(wěn)定性的目的。

一級(jí)馬道以上土工格柵處理層的保護(hù)，可以采用直接在表面植噴或選用普通編織袋裝根植土，并預(yù)先拌合當(dāng)?shù)匾子谏L(zhǎng)的、耐旱性草種，在外層堆碼整齊。編織袋宜疏松，并有一定孔隙以便草籽生長(zhǎng)。一級(jí)馬道以下的土工格柵處理層，可以采用混凝土襯砌保護(hù)。

土工袋實(shí)質(zhì)上是可以對(duì)膨脹土邊坡起到支擋作用的一種柔性結(jié)構(gòu)，以約束膨脹變形和膨脹力的作用。土工袋的優(yōu)點(diǎn)是可以裝填膨脹土，同時(shí)單個(gè)土工袋的體積較小，便于施工。該技術(shù)近年來在日本等國(guó)應(yīng)用較廣，在我國(guó)水利工程中，類似土工袋的構(gòu)件也有較為廣泛的應(yīng)用。

3．1 土工格柵加筋處理

3．1．1 材料及技術(shù)指標(biāo)

格柵處理層施工主要材料為膨脹土（巖）開挖料、土工格柵、粗砂、編織袋、草種等。土工格柵應(yīng)選用耐久性能、耐溫性能和施工性能均較好的HDPE土工格柵（幅寬大于1．0 m），根據(jù)渠道的不同部位，選擇合適的格柵材料。根據(jù)現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)成果，材料的抗拉強(qiáng)度宜50～80 kN／m；延伸率≤12%；2%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度≥10～20 kN／m；5%應(yīng)變對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度≥24～40 kN／m；蠕變強(qiáng)度（20℃）≥20～25 kN／m；碳黑含量≥2．0%。土工格柵回填采用開挖中弱膨脹性土料，其最大粒徑應(yīng)≤100 mm，控制含水率為最優(yōu)含水率＋（1～2）%。

3．1．2 施工過程

土工格柵處理層的施工過程可分為清基、放樣、格柵鋪設(shè)、鋪土、碾壓5個(gè)步驟。首先應(yīng)按照施工圖要求開挖邊坡，清除坡面及渠底浮土，要求基層平整度不超過±5 cm。遇地表積水應(yīng)提前進(jìn)行抽排，并清挖被水浸泡后的軟土，換填黏性土壓實(shí)，保證基坑清潔、干燥。然后嚴(yán)格按照施工圖放樣，做好邊樁、填土高度、格柵邊線、邊坡坡比控制等。土工格柵采用人工分層鋪設(shè)，在坡面向上層包裹形成反包搭接，反包長(zhǎng)度（從土工袋尾端起）不小于100 cm，相鄰兩塊格柵之間為平接；格柵之間用連接棒搭接、格柵與土體之間用U型鋼筋錨接。格柵鋪設(shè)完成后，應(yīng)先對(duì)鋪土巖土料的含水量、自由膨脹率進(jìn)行檢測(cè)，在含水量、自由膨脹率滿足回填開挖料基本要求以后方可填筑施工。若開挖料實(shí)測(cè)含水率低于規(guī)定的含水率，應(yīng)將篩下土料用灑水車噴灑濕潤(rùn)，用挖掘機(jī)翻拌均勻（不少于3遍），直至達(dá)到以上要求后方可填筑施工。含水率調(diào)整后的土料，應(yīng)及時(shí)用土工膜包裹，以防止含水率再次變化。最后，進(jìn)行碾壓施工，其碾壓施工控制參數(shù)如表1所示。

表1 土工格柵處理層碾壓施工控制參數(shù)Table 1 The control parameters of the roller compaction of the geogrid treatment layer

3．1．3 施工質(zhì)量控制

土工格柵處理層施工應(yīng)重點(diǎn)控制原材料、碾壓工藝和壓實(shí)效果3個(gè)環(huán)節(jié)。其中，原材料應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)材料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行控制；碾壓工藝應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況，在施工前通過碾壓試驗(yàn)確定。格柵處理層坡面形成后的平整度不超過±5 cm；粗砂找平層按0．7的相對(duì)密度控制；處理層的壓實(shí)效果按照表2所規(guī)定的指標(biāo)控制。

表2 土工格柵處理層的壓實(shí)效果控制指標(biāo)Table 2 The control parameters for the compaction effects of the geogridtreated layer

3．2 土工袋處理

3．2．1 材料及技術(shù)指標(biāo)

土工袋施工主要材料為土工袋、膨脹土（巖）開挖料、水泥、中粗砂、草種等。土工袋采用2種規(guī)格，大土工編織袋120 cm×147 cm，小土工編織袋45 cm×57 cm，可根據(jù)施工條件適當(dāng)增加小土工編織袋尺寸。土工編織袋原材料的主要成分是摻有1%老化劑（UV）的聚丙烯（PP）。土工袋應(yīng)在克重、經(jīng)緯紗UV含量，經(jīng)向、緯向拉力標(biāo)準(zhǔn)等項(xiàng)目上滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。大土工袋裝袋料的最大粒徑應(yīng)≤100 mm，小土工袋裝袋料最大粒徑應(yīng)≤50 mm。膨脹土（巖）袋裝土料和填縫土料含水率應(yīng)控制在最優(yōu)含水率＋（1～2）%。采用具有良好級(jí)配的中粗砂進(jìn)行找平。

3．2．2 施工過程

土工袋處理層的施工過程中可分為清基、放樣、土工袋裝袋、土工袋和水泥土鋪設(shè)碾壓4個(gè)步驟。在土工袋鋪設(shè)施工前，應(yīng)首先清除開挖斷面表層的浮土，接著嚴(yán)格按照施工圖放樣，做好邊樁、邊線和邊坡坡比控制等。土工袋裝袋時(shí)，應(yīng)盡可能采用機(jī)械裝袋，如挖機(jī)裝料。裝袋土料應(yīng)按照材料的技術(shù)要求進(jìn)行控制，不同的裝袋料源需做含水率和自由膨脹率等參數(shù)檢測(cè)。在進(jìn)行土工袋和水泥土鋪設(shè)碾壓時(shí)，土工袋采用逐層鋪設(shè)、逐層找平的方式施工，土工袋找平采用小型振動(dòng)平板夯或輕型碾壓機(jī)械。土工袋鋪設(shè)后遇天氣變化或隔夜施工時(shí)，應(yīng)注意場(chǎng)地的保護(hù)，避免已完成的結(jié)構(gòu)體長(zhǎng)時(shí)間暴露在大氣中。

3．2．3 施工質(zhì)量控制

土工袋處理層施工應(yīng)重點(diǎn)控制原材料、碾壓工藝和壓實(shí)效果3環(huán)節(jié)。其中，原材料應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)材料的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行控制；碾壓工藝在滿足壓實(shí)效果的前提下可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行施工優(yōu)化或調(diào)整，土工帶處理層坡面形成后的外切平整度不超過±2 cm，粗砂找平層按0．7的相對(duì)密實(shí)度控制；處理層的壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 土工袋處理層壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Control parameters for the compaction effects of the soilbagtreated layer

4 渠坡處理效果的原位試驗(yàn)研究

4．1 原位雙環(huán)滲透試驗(yàn)

為比較土工格柵、土工袋處理層的滲透性狀，在現(xiàn)場(chǎng)開展了2種處理措施的原位雙環(huán)滲透試驗(yàn)，同時(shí)，還進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)開挖渠坡原巖的滲透試驗(yàn)以進(jìn)行比較。

表4為不同巖性土層及處理措施場(chǎng)地滲透系數(shù)及入滲影響深度比較。由表可知：①泥灰?guī)r和黏土巖的現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定滲透系數(shù)均為10－5cm／s數(shù)量級(jí)，后者僅在系數(shù)上略高于前者；②泥灰?guī)r和黏土巖的現(xiàn)場(chǎng)最大入滲深度分別為1．6 m和1．0 m，黏土巖的入滲深度明顯小于泥灰?guī)r；③比較土工格柵處理層和土工袋處理層的現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)可見，土工格柵加筋處理層的滲透系數(shù)為10－6cm／s數(shù)量級(jí)，土工袋處理層的滲透系數(shù)為10－5cm／s數(shù)量級(jí)，兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，而入滲深度前者為0．8 m，后者為1．5 m，兩者相差近一倍。

表4 不同巖性及處理措施滲透系數(shù)及入滲影響深度比較Table 4 The comparison of the permeability coefficients and infiltration depths between different rock properties and treatmentsmeasures

4．2 現(xiàn)場(chǎng)降雨試驗(yàn)

4．2．1 水平變形

為了解土工格柵和土工袋的處理措施在環(huán)境變化條件下的響應(yīng)規(guī)律，分別在土工格柵處理區(qū)和土工袋處理區(qū)一級(jí)馬道以上渠坡開展了人工降雨試驗(yàn)。同時(shí)，為便于比對(duì)，將裸坡試驗(yàn)區(qū)在相同條件下的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)匯總于表5。

表5 坡面水平變形量Table 5 Horizontal deformations of the bare slopes

觀測(cè)成果顯示：土工袋、格柵處理試驗(yàn)區(qū)在人工降雨后渠坡的水平變形明顯比裸坡小，表明處理措施對(duì)渠坡水平變形的抑制效果十分明顯。

4．2．2 膨脹變形

為了比較降雨入滲條件下2種處理方案對(duì)抑制渠坡膨脹變形的作用，觀測(cè)了降雨后渠坡坡面的垂直變形成果。觀測(cè)成果顯示：裸坡區(qū)黏土巖渠坡在降雨條件下的最大膨脹變形為450．0 mm，土工袋處理層的最大膨脹變形為14．0 mm，土工格柵處理層的最大膨脹變形為7．0 mm。從抑制膨脹變形的效果上看，土工格柵處理層的效果最為明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，初步探討了土工格柵、土工袋2種土工合成材料在膨脹巖渠坡處理工程中的應(yīng)用，對(duì)土工格柵、土工袋2種土工合成材料在渠坡加固中的施工工藝進(jìn)行了介紹，可供工程參考。

（2）通過開展現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)人工降雨試驗(yàn)等，對(duì)比分析了膨脹巖裸坡以及土工格柵、土工袋2種處理措施的滲透、變形性狀，認(rèn)為2種處理措施均對(duì)膨脹巖渠坡有一定的保護(hù)作用，并且，土工格柵加筋處理措施的防滲性能和抑制膨脹變形的效果更好。

［1］ 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)江科學(xué)院．南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹土試驗(yàn)段工程（南陽(yáng)段）段初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］．武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)江科學(xué)院，2008．

［2］ 龔壁衛(wèi)，周小文，包承綱．南水北調(diào)中線工程中的膨脹土研究［J］．人民長(zhǎng)江，2002，（z1）：36－39．

［3］ 龔壁衛(wèi)，包承綱，周欣華．總干渠膨脹土渠坡處理措施探討［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2002，（增刊）：108－110．