南水北調(diào)中線工程膨脹土渠段改性土施工中存在的困難及對(duì)策研究

陳世剛，牟 偉，劉 軍

(1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局，北京 100038;2.中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，西安 710016;3.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 研究背景

正在建設(shè)中的南水北調(diào)中線工程渠線長(zhǎng)達(dá)1 200 km有余，渠道穿越水系、河流眾多，工程涉及面廣，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，遇到的巖土工程問(wèn)題包括膨脹土(巖)渠道邊坡穩(wěn)定、黃土濕陷破壞、易振動(dòng)液化飽和砂土等。其中，涉及膨脹土(巖)地段累計(jì)長(zhǎng)達(dá)340 km有余，約占渠道總長(zhǎng)的四分之一，是影響工程進(jìn)度和工程安全的主要巖土工程問(wèn)題。

2011年底至2012年初，國(guó)務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室3次組織南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局、中線工程有關(guān)設(shè)計(jì)公司以及特邀專家，組成南水北調(diào)中線工程膨脹土渠段處理施工技術(shù)協(xié)調(diào)工作組，分3組從陶岔渠首至古運(yùn)河南，對(duì)中線工程涉及膨脹巖土的渠段進(jìn)行全渠段調(diào)研，了解目前膨脹土渠段施工中存在的問(wèn)題。本文以魯山—鄭州段調(diào)研工作情況為背景，論述了當(dāng)前膨脹土渠段設(shè)計(jì)和施工中所存在的主要問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題的解決提出了意見(jiàn)和建議。

2 魯山—鄭州段膨脹土渠段基本情況

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，魯山—鄭州段全長(zhǎng)159.01 km，涉及膨脹巖土的渠段全長(zhǎng)79.97 km。其中，弱膨脹巖土渠段長(zhǎng)56.9 km，中膨脹巖土渠段長(zhǎng)20.5 km，強(qiáng)膨脹巖土渠段長(zhǎng)2.57 km。本渠段涉及8個(gè)設(shè)計(jì)單元，共23個(gè)標(biāo)段。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本段涉及的膨脹巖土渠道的處理，目前主要有2種處理措施:一是根據(jù)渠段的膨脹性，采用換填1.5～3.0 m的黏性土或水泥改性土;二是對(duì)于強(qiáng)膨脹渠段或局部中膨脹渠段，采用1.5 m×2.5 m的矩形或直徑為1.80 m的圓形抗滑樁，抗滑樁的深度一般深達(dá)渠底以下10 m。

3 存在的困難

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況來(lái)看，目前最突出的問(wèn)題主要集中在以下幾個(gè)方面。

3.1 料源不足和土料不滿足設(shè)計(jì)要求

本段大部分渠道采用黏性土和黏性土料摻水泥改性填筑，由于設(shè)計(jì)方案變更，目前大部分渠段的換填黏性土料不滿足設(shè)計(jì)提出的自由膨脹率指標(biāo)的要求，因而被迫采用黏性土料摻水泥改性填筑，弱膨脹開(kāi)挖料大多作為棄料，未加利用，使本段換填土料缺口在數(shù)百萬(wàn)方以上;部分渠段不得不新增黏性土料場(chǎng)，新增料場(chǎng)往往運(yùn)距較遠(yuǎn)，同時(shí)還存在新增征地等問(wèn)題，目前已成為制約工期的因素之一。

3.2 土料摻拌、碎土工藝控制困難

目前，各施工單位水泥改性土設(shè)備已基本到位，多數(shù)單位已開(kāi)展了生產(chǎn)性試驗(yàn)。從目前已經(jīng)進(jìn)行的土料摻拌水泥生產(chǎn)性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)論是黏性土還是弱膨脹土，土料摻拌水泥施工都存在土料天然含水率高、碎土困難、摻拌不均勻等問(wèn)題。由于水泥改性土的主要目的就是消除土料的膨脹性，因此，設(shè)計(jì)提出的有關(guān)土料塊徑、含水率的要求必須嚴(yán)格執(zhí)行。如何在保證設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)正確執(zhí)行，施工質(zhì)量滿足要求的前提下，加快施工進(jìn)度是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

3.3 半挖半填渠段施工以及施工沉降穩(wěn)定期

本段渠道存在部分半挖半填渠段，渠道下部開(kāi)挖后邊坡和渠底需要換填黏性土或水泥改性土，上部為填方，因此，存在渠坡?lián)Q填土層與上部填方段的施工銜接，以及填堤的土料分區(qū)施工困難等問(wèn)題。

此外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，填方渠段需經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期的沉降穩(wěn)定，才能進(jìn)行后續(xù)襯砌施工。換填土層的沉降期是否也需要6個(gè)月的沉降穩(wěn)定?若可以適當(dāng)加快進(jìn)度，那么究竟需要多長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到沉降穩(wěn)定?

3.4 水泥改性土施工的層間結(jié)合問(wèn)題

水泥改性土施工與一般黏土填筑施工相同，需要分層填筑，分層碾壓。在分層碾壓施工中，同樣存在上、下2層的層間結(jié)合問(wèn)題。南陽(yáng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段拆除時(shí)，針對(duì)水泥改性土試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了水泥土碾壓施工效果的檢測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在水泥改性土碾壓層之間存在分層界面現(xiàn)象。初步分析，認(rèn)為水泥改性土既不同于水泥土或混凝土，也與一般黏性土有所區(qū)別，由于水泥的水化作用，在碾壓層的表面，土層易失水形成硬殼，影響上下碾壓層的顆粒膠結(jié)。

3.5 改性土施工質(zhì)量檢測(cè)問(wèn)題

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，水泥改性土處理層單層施工要求在4 h內(nèi)完成水泥摻拌、運(yùn)輸、碾壓和檢測(cè)等工序，其中，改性土的檢測(cè)需要完成水泥摻量、壓實(shí)度或密度、含水率等質(zhì)量檢測(cè)工作。常規(guī)的密度檢測(cè)方法耗時(shí)較長(zhǎng)，而水泥土的施工與黏性土碾壓施工不同，必須在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)施工，因此，現(xiàn)場(chǎng)密度和含水率檢測(cè)必須縮短檢測(cè)時(shí)間，在下一道工序施工之前盡快完成。

3.6 其它方面困難

(1)基坑排水:調(diào)研過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，部分地下水位較高的渠段基坑開(kāi)挖后未及時(shí)排水，基坑長(zhǎng)期浸泡在水下，對(duì)渠道穩(wěn)定不利。

(2)坡面臨時(shí)防護(hù)和深挖方渠段的臨時(shí)監(jiān)測(cè):從渠道開(kāi)挖到坡面處理層施工，通常有一定的施工間歇。從現(xiàn)場(chǎng)施工渠道的情況來(lái)看，局部深挖方渠段渠坡已經(jīng)有開(kāi)裂或風(fēng)化現(xiàn)象，對(duì)于膨脹土渠道，這些都是十分不利的。

針對(duì)上述調(diào)研中存在和發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合“十一五”科技支撐項(xiàng)目膨脹土課題的研究成果，提出以下意見(jiàn)和建議，供設(shè)計(jì)和施工單位參考。

4 膨脹土渠道水泥改性土施工建議

4.1 有關(guān)料源問(wèn)題

膨脹土工程問(wèn)題既要足夠重視，同時(shí)也要對(duì)癥治理?！笆晃濉闭n題的研究成果揭示了膨脹巖土渠坡的2種主要的破壞模式:一種是膨脹變形引起的破壞，另一種是裂隙強(qiáng)度控制的破壞［1］。針對(duì)不同的破壞模式，只有采用相應(yīng)的處理措施才能從根本上解決膨脹土的渠坡穩(wěn)定問(wèn)題。

根據(jù)目前的室內(nèi)模型試驗(yàn)成果，膨脹變形引起的破壞，部分是由于渠坡土體在一定深度范圍內(nèi)受水以后，土體產(chǎn)生膨脹，在受水膨脹土體與下層未受水土體之間產(chǎn)生了剪應(yīng)力，同時(shí)伴隨土體的強(qiáng)度降低，進(jìn)而發(fā)生的滑坡。新近開(kāi)挖的膨脹土渠坡，在沒(méi)有裂隙的情況下，一般都是穩(wěn)定的。膨脹土自身的滲透性極低，降雨的入滲深度一般不會(huì)很深，最深1～2 m。因此，設(shè)計(jì)采用非膨脹土換填:一是解決表層土體在受水以后的自身膨脹變形問(wèn)題;二是起到對(duì)下部渠坡土體進(jìn)行保護(hù)、壓重和抑制膨脹變形的作用。

裂隙強(qiáng)度控制的破壞是由于渠坡土層內(nèi)部分布有緩傾角裂隙，裂隙面強(qiáng)度極低［2］，渠道開(kāi)挖后失去了對(duì)坡面的支撐，下滑力大于阻滑力產(chǎn)生的破壞。這種破壞有時(shí)在開(kāi)挖過(guò)程中就有發(fā)生，有時(shí)在開(kāi)挖完成一段時(shí)間以后發(fā)生，主要看裂隙的傾向、傾角和裂隙貫穿程度而定。對(duì)于這類破壞，必須采取擋土墻、抗滑樁、坡面錨固等剛性支擋或抗滑措施。

這樣看來(lái)問(wèn)題就很明確了，換填黏性土或改性土主要是解決膨脹變形引起的破壞問(wèn)題。也就是說(shuō)，只要換填土層自身不膨脹、穩(wěn)定就可以了。那么是換填黏性土還是用弱膨脹土改性換填，實(shí)際的作用和效果也是一樣，而且，用黏性土更為合適。黏性土摻水泥可以提高土體強(qiáng)度，只有在證明黏性土強(qiáng)度不滿足自身穩(wěn)定需要時(shí)才有必要?！笆晃濉逼陂g曾進(jìn)行了弱膨脹土水泥改性試驗(yàn)［3－4］，無(wú)論從室內(nèi)還是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均證明弱膨脹土改性以后是可以作為填料采用的。

為此，建議在膨脹土渠道換填施工中，首先應(yīng)盡量采用黏性土回填。對(duì)于黏性土不足、有可用的弱膨脹土料的渠段，首先考慮用弱膨脹開(kāi)挖料改性換填中膨脹土渠段，也可以采用弱膨脹土開(kāi)挖料就地改性回填，盡量避免新的征地。對(duì)于部分地下水位較高的弱膨脹土渠段，渠道水下部分甚至可以不換填而直接在開(kāi)挖斷面進(jìn)行襯砌等結(jié)構(gòu)層的施工。對(duì)于橋梁引道回填土，可考慮利用弱膨脹土水泥改性或石灰改性土;對(duì)于渠道倒虹吸回填土，可利用弱膨脹土水泥改性或原開(kāi)挖料。

此外，涉及膨脹土的施工渠段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)開(kāi)挖料的分類工作，區(qū)分黏性土、可利用弱膨脹土和棄料等，盡量利用好已有資源。對(duì)于料場(chǎng)地下水位較高的情況，應(yīng)對(duì)料場(chǎng)(或堆料場(chǎng))進(jìn)行必要的排水、降水、覆蓋防水等，如將料場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)，間隔一定距離開(kāi)挖縱橫向排水溝，排水溝的深度應(yīng)達(dá)到開(kāi)采層以下，以降低料場(chǎng)地下水位等;雨季和冬天要注意及時(shí)防護(hù)，防止雨水和融化后的雪水滲入土料。

4.2 土料摻拌、碎土工藝

長(zhǎng)江科學(xué)院為完成“十二五”科技支撐項(xiàng)目“膨脹土水泥改性處理施工技術(shù)”課題，于2011年11月在河南鎮(zhèn)平1標(biāo)，與水電三局共同開(kāi)展了水泥改性土的碎土工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

首先在堆料場(chǎng)附近開(kāi)辟了一塊約20 m×8 m的場(chǎng)地，攤鋪約30 cm厚開(kāi)挖料，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土料含水率25.3%。采用一臺(tái)旋耕機(jī)碎土(如圖1)，測(cè)定碎土不同遍數(shù)后土樣的含水率和土塊粒徑(團(tuán)塊塊徑)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)旋耕機(jī)碎土Fig.1 Photo of crashing the soil by rotary tiller

圖2為采用旋耕機(jī)碎土一定遍數(shù)后，土塊粒徑的變化曲線。成果顯示，在旋耕機(jī)的碎土作用下，土塊粒徑顯著減小，經(jīng)過(guò)10遍旋耕機(jī)的碎土作用，其最大粒徑已小于100 mm，100～50 mm土塊含量低于5%，50～5 mm土塊含量約80%。說(shuō)明旋耕機(jī)的碎土效果是比較明顯的。此外，通過(guò)檢測(cè)旋耕機(jī)每次碎土后土團(tuán)的含水率情況，認(rèn)為采用旋耕機(jī)將含水率較高的土團(tuán)打散后翻曬，可加快土料含水率的晾曬過(guò)程(本次試驗(yàn)條件下6 h內(nèi)，土料的含水率即由初始的25.3%，降低到20%左右，旋耕機(jī)的翻曬效果還是比較顯著的)。因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，若有一定面積的場(chǎng)地，增配機(jī)械，提前進(jìn)行碎土施工，并對(duì)破碎后的土料合理地儲(chǔ)存，基本可以解決碎土和含水率的翻曬問(wèn)題。

圖2 旋耕機(jī)碎土前后土團(tuán)粒徑變化Fig.2 Variation of the size of expansive soil aggregates before and after the crashing

4.3 半挖半填渠段施工以及施工沉降穩(wěn)定期

對(duì)于半挖半填渠段施工，設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)針對(duì)不同渠段的具體情況(包括料源、堤高等)，盡可能簡(jiǎn)化堤身斷面，使用同種土料，優(yōu)化施工工序。

對(duì)于施工沉降穩(wěn)定期，建議設(shè)計(jì)單位分別針對(duì)高填方區(qū)、低填方區(qū)、堤芯先填外包土后填換填區(qū)等情況，對(duì)于不同區(qū)域采用不同的沉降期要求。對(duì)于換填水泥改性土，可顯著縮短沉降穩(wěn)定期;對(duì)于換填黏性土和半挖半填填方區(qū)，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整施工間隙。此外，還可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)土層沉降變形，根據(jù)變形速率及時(shí)分析、判別沉降是否穩(wěn)定。

4.4 關(guān)于水泥改性土的層間結(jié)合問(wèn)題

初步的研究成果顯示，黏性土摻拌水泥后隨著離子交換，絮凝和結(jié)團(tuán)、結(jié)塊發(fā)生得相對(duì)較快，最顯著的變化發(fā)生在混合后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，而水泥－加固黏土的強(qiáng)度增長(zhǎng)最快發(fā)生在1 d到1個(gè)月之間。因此，水泥改性土的施工，應(yīng)盡可能實(shí)行流水化作業(yè)，碎土、摻拌水泥、鋪土和碾壓以及檢測(cè)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行，施工間歇不宜過(guò)長(zhǎng)，以免土層硬化，在結(jié)合部形成滲漏通道。

4.5 改性土施工質(zhì)量檢測(cè)

《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL1237—1999)中明確規(guī)定，土的含水率試驗(yàn)以烘干法為室內(nèi)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，在野外無(wú)烘箱設(shè)備或要求快速測(cè)定含水率時(shí)，可依土的性質(zhì)和工程情況采用酒精燃燒法等。針對(duì)目前水泥改性土的施工情況，建議施工單位應(yīng)事先開(kāi)展烘干法與酒精燃燒法的比對(duì)試驗(yàn)，在取得一定的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)后，經(jīng)有關(guān)方面認(rèn)可，采用酒精燃燒法進(jìn)行含水率的快速檢測(cè)。對(duì)于采用微波爐、核子密度儀等快速方法或檢測(cè)設(shè)備，應(yīng)開(kāi)展有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析比較這些設(shè)備與常規(guī)設(shè)備試驗(yàn)成果，制訂相應(yīng)檢測(cè)和試驗(yàn)方法，經(jīng)有關(guān)方面認(rèn)可后使用，同時(shí)，還要定期與規(guī)定的檢測(cè)方法進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，保證施工質(zhì)量的可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

膨脹土的渠道施工是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從渠道開(kāi)挖到襯砌施工的完成，涉及到土方開(kāi)挖、坡面防護(hù)、填筑碾壓、質(zhì)量檢測(cè)等一系列施工工序和施工技術(shù)問(wèn)題，如何在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，提高施工效率、保證工程質(zhì)量是南水北調(diào)中線工程建管、設(shè)計(jì)、科研和施工單位共同面臨的一個(gè)重要的課題。當(dāng)前，隨著工程建設(shè)的不斷深入，有關(guān)單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)膨脹土渠道工程施工技術(shù)的認(rèn)識(shí)，在施工過(guò)程中本著“獻(xiàn)身、負(fù)責(zé)、求實(shí)、創(chuàng)新”的南水北調(diào)精神，切實(shí)擔(dān)當(dāng)起加快工程建設(shè)任務(wù)，完成如期通水的使命。同時(shí)，還應(yīng)肩負(fù)起“利在當(dāng)代、澤被子孫”的責(zé)任，履行好光榮而艱巨的歷史重任，確保工程施工質(zhì)量，把南水北調(diào)工程建設(shè)成為經(jīng)得起歷史和人民檢驗(yàn)的工程。

［1］程展林，李青云，龔壁衛(wèi)，等.膨脹土地段渠道破壞機(jī)理及處理技術(shù)研究總報(bào)告(“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題研究報(bào)告)［R］.武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院，2010.(CHENG Zhan-lin，LI Qing-yun，GONG Bi-wei，et al.Overall Report on the Failure Mechanism and Treatment Technology for Expansive Soil Canal(The studies of National Science and Technology Infrastructure Program in 11th Five-Year Plan Period)［R］.Wuhan:Changjiang River Scientific Research Institute，2010.(in Chinese))

［2］胡 波，龔壁衛(wèi)，黃 斌.水泥改性膨脹土的非飽和強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8(4):12 － 15.(HU Bo，GONG Bi-wei，HUANG Bin.Study on Unsaturated Shear Strength Characteristics of Cement-stabilized Expansive Soil［J］.Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2010，8(4):12 －15.(in Chinese))

［3］黃 斌，聶 瓊，徐言勇，等.膨脹土水泥改性試驗(yàn)研究［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，26(11):27－30.(HUANG Bin，NIE Qiong，XU Yan-yong，et al.Experimental Research on Cement-modification of Expansive Soil［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26(11):27 －30.(in Chinese))

［4］劉 軍，黃 斌，龔壁衛(wèi)，等.膨脹土水泥改性均勻性及長(zhǎng)期性效果試驗(yàn)研究［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2011，33(增刊):204－208.(LIU Jun，HUANG Bin，GONG Biwei，et al.Study on Uniformity and Long-term Effects of Cement Modified Expansive Soil［J］.Northwestern Seismological Journal，2011，33(Sup.):204 － 208.(in Chinese ))