引江濟(jì)漢工程中膨脹土的危害及防治措施

王振華

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

南水北調(diào)工程是我國為緩解中國北方水資源嚴(yán)重短缺局面而建設(shè)的重大戰(zhàn)略性工程，其總體布局分東線、中線、西線三條調(diào)水線。引江濟(jì)漢工程作為南水北調(diào)中線漢江中下游治理工程的重要組成部分，旨在從長江荊江河段開挖一條人工運河，向其第一大支流漢江“補水”，以恢復(fù)和改善漢江中下游因南水北調(diào)工程而致水量減少河段的生態(tài)、灌溉、供水和航運用水條件。渠道全長約67.23km，跨越多條河流及湖泊，沿途交叉建筑物100余座［1］，其工程地質(zhì)多樣且復(fù)雜。在施工過程中，影響邊坡失穩(wěn)的膨脹土是困擾施工的難題之一。引江濟(jì)漢工程膨脹土分區(qū)西起太湖港渠，東至西荊河。根據(jù)工程地質(zhì)特性，該區(qū)內(nèi)的膨脹土可劃分為兩類:中等膨脹土分布區(qū)，長12.4km;弱膨脹土分布區(qū)，長30.1km［2］，占渠道總長度的60%以上。

1 引江濟(jì)漢工程中的膨脹土危害成因及破壞形式

1.1 膨脹土危害成因分析

引江濟(jì)漢工程渠道地處江漢平原腹地，跨越兩個地貌單元，渠首和渠尾區(qū)為沖積平原，渠身區(qū)為崗波狀平原。其中渠身經(jīng)過的崗波狀平原由第四系中、上更新統(tǒng)(Qp2+3)黏土［3］組成，屬長江、漢江二級階地，為膨脹土分布區(qū)。膨脹土作為一類具有裂隙性和脹縮性的超固結(jié)塑性黏土，對氣候變化特別敏感，常引發(fā)坡面開裂、隆起或沉陷、邊坡失穩(wěn)等工程危害，且多具反復(fù)性和長期潛伏性特點。膨脹土體物理性質(zhì)不穩(wěn)定，反復(fù)變形特征明顯，其反復(fù)脹縮變形及引起的強(qiáng)度衰減還將影響工程的長期運行安全。

引江濟(jì)漢工程區(qū)段黏土含量豐富，多為硬塑黏土。膨脹土包含的黏土礦物主要為蒙脫石、伊利石和高嶺石等，親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石決定了膨脹土的脹縮性。膨脹土的膨脹與收縮機(jī)理［4］是具黏性的蒙脫石在電解質(zhì)溶液的作用下，土中的水分子相互作用，形成溢出勢和使空隙水進(jìn)入層間的膨脹勢，使得膨脹土吸水膨脹、失水收縮。土體吸水膨脹降低了土體的負(fù)孔壓，使有效應(yīng)力降低，同時土體因膨脹而軟化，抗剪強(qiáng)度大幅下降。由于濕化作用［5］，親水性黏土礦物吸水易崩解，在無約束的情況下，塊體濕化解體成碎粒狀散體，使其吸濕壓力大幅提高，在膨脹土的干縮過程中，產(chǎn)生縱橫交錯的張性裂隙直接破壞土體的結(jié)構(gòu)，形成許多潛在滑動面，同時會使土體的抗剪強(qiáng)度降低，在多種因素綜合作用下，最終導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)破壞。

1.2 渠坡膨脹土的破壞形式

黏土礦物具有不同的形狀、排列方式及定向性等微觀特征，微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了膨脹土破壞形式的復(fù)雜性。經(jīng)過實地工程研究，引江濟(jì)漢工程中所遇到的膨脹土對渠坡破壞形式可分為兩種:

a.膨脹型滑坡:在大氣環(huán)境作用下，渠坡土體反復(fù)脹縮，結(jié)構(gòu)遭破壞，在雨水參與下，發(fā)生淺表層蠕動變形［6］。

b.膨脹力對混凝土襯砌的破壞:施工中難以嚴(yán)格控制膨脹土的含水量，膨脹土在濕脹干縮作用下，會產(chǎn)生一定的拉壓應(yīng)力，作用在混凝土的內(nèi)襯砌面上，襯砌面在反復(fù)的脹縮作用下，出現(xiàn)裂縫;膨脹土暴露于空氣中后，將產(chǎn)生更大的脹縮變形，最終導(dǎo)致襯砌面破壞。

2 一般渠坡膨脹土影響防治措施

導(dǎo)致膨脹土邊坡破壞失穩(wěn)的影響因素主要分為土體內(nèi)在因素和外部環(huán)境影響因素兩大類。內(nèi)在因素有:土的物質(zhì)組成、成因類型、土體的結(jié)構(gòu)等工程地質(zhì)特性。外部因素有:地形地貌條件、地下水及地表水作用、施工區(qū)氣候條件等。膨脹土坡失穩(wěn)的原因:反復(fù)脹縮形成眾多無規(guī)則裂隙破壞土體結(jié)構(gòu)和膨脹土抗剪強(qiáng)度，由于含水量增加和干濕循環(huán)等因素影響而衰減［7］。膨脹土渠坡可有以下治理措施:

a.盡量減少土體與外界的水分交換，降低膨脹土含水量的變幅。目前一般采用改性土置換坡面和渠底土層。坡頂和坡面以防護(hù)為主，在坡頂主要防止雨水入滲和土體開裂;坡面做好排水，可有效防止膨脹性滑坡、減少結(jié)構(gòu)面控制型滑坡的發(fā)生。坡腳則應(yīng)以提高土體抗滑能力的措施為主，如換土、土壤改良、支擋和排水等。

b.渠道護(hù)坡的護(hù)面下設(shè)立一定厚度的過渡墊層，墊層可采用砂，也可采用剛度適宜且具有一定透水性的泡沫土工合成材料［8］，后者可以起到墊層和排水層的作用，還可以在一定程度上吸收膨脹。

c.開挖緩坡。具體做法是將富含膨脹土的坡體開挖，破壞大氣影響深度范圍的土體結(jié)構(gòu)，再按一定的設(shè)計坡比回填。這種方法可減小坡降，形成較為穩(wěn)定的坡型，以抑制膨脹土渠坡在脹縮作用下出現(xiàn)的滑坡現(xiàn)象。

d.在坡面面積較大的部位應(yīng)設(shè)置暢通的地表排水系統(tǒng)［8］，盡快從坡面上排走雨水;同時在護(hù)坡內(nèi)設(shè)置盲溝，大幅降低地下水的影響。

此外，施工中還應(yīng)充分考慮到環(huán)境因素的影響。在長時間的雨水入滲條件下，淺表層土體膨脹軟化，強(qiáng)度降低，臨界坡高顯著降低，極易發(fā)生牽引式滑坡［9］。因此，施工時盡可能避開雨季，且必須做好坡頂防水和現(xiàn)場排水。對已開挖邊坡采取臨時保護(hù)措施，如薄膜覆蓋、設(shè)置臨時排水溝等。渠道施工宜分段進(jìn)行，每段開挖、襯砌、坡面排水和臨時防護(hù)應(yīng)一氣呵成，以減少膨脹土暴露在空氣中的時間。

3 改進(jìn)方案

一般渠坡膨脹土影響防治措施在一定程度上降低了膨脹土的危害，但仍然存在有效性和經(jīng)濟(jì)性不佳等問題。針對該問題，提出了水下和地下水位變動區(qū)域采用瀝青混凝土襯砌的方案。由于引水渠線較長，膨脹土含量高，地質(zhì)情況隨坡基含水量、季節(jié)等因素影響變動較大，襯砌防滲、適應(yīng)地基的變形能力十分重要。

3.1 改進(jìn)方案的優(yōu)勢

a.瀝青混凝土由于孔隙率很小，外水難以進(jìn)入，緩解了脹縮土應(yīng)力產(chǎn)生的條件。瀝青混凝土的抗剪能力較強(qiáng)，可以抑制膨脹土遇水膨脹而造成的邊坡失穩(wěn)。根據(jù)室外試驗結(jié)果，當(dāng)軸向壓應(yīng)變?yōu)?4%、側(cè)向應(yīng)變?yōu)?%時仍可保證不滲漏。這一特點對適應(yīng)膨脹土邊坡的不均勻變形十分有利。而較瀝青混凝土，普通混凝土在反復(fù)的脹縮應(yīng)力下，更易產(chǎn)生疲勞破壞，不利于工程應(yīng)用。

b.瀝青混凝土可以防止襯砌面在膨脹力作用下的破壞。瀝青混凝土在25℃時可承受0.08的彎拉應(yīng)變不漏水，在2℃時可承受0.02的彎拉應(yīng)變不漏水［10］，這些參數(shù)均遠(yuǎn)高于普通混凝土。在常年平均溫度較高的地區(qū)，隨著環(huán)境溫度的變化，瀝青混合料的流變特性也有所改變。當(dāng)環(huán)境溫度很高時，瀝青因受熱而軟化，流動性增大，易發(fā)生變形破壞;當(dāng)環(huán)境溫度較低時，坡面由于冷縮作用，瀝青混凝土內(nèi)部就會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，甚至開裂。因此合理配比瀝青和混凝土的用量非常重要。引江濟(jì)漢工程施工現(xiàn)場地處長江中下游，多年平均溫度較高，可選擇軟化點較高的瀝青以降低瀝青混凝土破壞的可能。此外，水的比熱容較大，瀝青混凝土設(shè)置在水下和地下水位變動區(qū)，也最大程度限制了瀝青混凝土因溫變而溶化或產(chǎn)生開裂的條件。

c.瀝青材料表面光滑，減小了渠道開挖斷面或渠道坡降，從而減小土方和襯砌工程量，有利于減小工程投資，并減小渠道沿程水頭損失，提高水能利用率。

d.運行中修復(fù)快捷與維護(hù)費用低。瀝青混凝土襯砌投入運行后，如不發(fā)生邊坡反水壓、集中變形過大等情況，一般可持續(xù)運行10多年不需維護(hù)［10］。而普通混凝土由于其材料自身和使用環(huán)境的特點，使得混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的耐久性問題。

3.2 改進(jìn)方案的不足

a.施工工藝復(fù)雜。由于特定的物理特性，瀝青混凝土制作工藝較為復(fù)雜。在拌和過程中，混凝土混合料的級配、瀝青的用量、拌和溫度以及時間都至關(guān)重要。通過對多方面因素的合理控制，瀝青混凝土襯砌才能發(fā)揮理想的效果。同時，鑒于瀝青極易氧化及揮發(fā)，還應(yīng)該適當(dāng)降低拌和溫度，縮短施工時間［11］。瀝青混凝土的施工也極為復(fù)雜?，F(xiàn)場施工中，應(yīng)盡可能選擇較適宜的氣候，提高碾壓效率。由于瀝青的物理特性，為防止硬化，碾壓還應(yīng)在盡可能高的溫度下進(jìn)行，且至少碾壓兩次。在壓路機(jī)碾壓不到的地方，應(yīng)用手錘擊實，防止因局部透水而造成對整體襯砌的破壞。

b.施工難度較大。在進(jìn)行渠道瀝青混凝土襯砌時，必須對坡體的淺表層進(jìn)行適當(dāng)處理，以防因植物的生長，導(dǎo)致的襯砌變形甚至破壞［11］。而且完工至通水之間時間不宜過長，最好在通水前短期內(nèi)鋪筑瀝青混凝土襯砌。長期暴露在烈日下，容易使邊坡上襯砌的瀝青材料發(fā)生流動，使已固定成型的瀝青混凝土邊坡變形甚至破壞。

4 結(jié)論

引江濟(jì)漢工程是實現(xiàn)南北互利的重要紐帶。膨脹土渠坡穩(wěn)定分析和處理是工程施工和耐久性的重點和難點問題。在現(xiàn)行治理方案基礎(chǔ)上，針對土體含水量這一導(dǎo)致膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要因素，提出了采用瀝青混凝土襯砌的方案，以期減小膨脹土變形帶來的不利影響，該方法可為膨脹土治理和施工提供研究參考。鑒于我國對膨脹土的研究起步較晚，相關(guān)研究人員任重而道遠(yuǎn)，希望更多有識之士能加入到膨脹土的研究行列，早日解除膨脹土在工程中的危害。

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