南水北調(diào)中線總干渠工程膨脹土渠段渠基排水處理

楊利紅，李林可

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021）

南水北調(diào)中線總干渠工程膨脹土渠段渠基排水處理

楊利紅，李林可

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050021）

膨脹土處理是南水北調(diào)中線工程總干渠的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，技術(shù)難度大，質(zhì)量要求高，膨脹土渠段渠基排水問題也是工程控制難點(diǎn)之一，南水北調(diào)邯邢段強(qiáng)膨脹及深挖方中膨脹土渠段渠基排水進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)類似工程具有一定的借鑒作用。

膨脹土；渠基排水；南水北調(diào)

南水北調(diào)中線一期工程總干渠河北省邯邢渠段的膨脹土（巖）多位于龍崗地貌區(qū)，自然坡度整體較緩。膨脹土（巖）中富含以蒙脫石為主的親水礦物，具有吸水膨脹失水收縮特性，脹縮性強(qiáng)，裂隙和隱蔽裂隙發(fā)育，膨脹土（巖）具有復(fù)雜的工程特性，加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)膨脹土和深挖方中等膨脹土（巖）渠段的排水處理措施。

1 膨脹土渠段地質(zhì)條件

邯鄲、邢臺(tái)段的膨脹土（巖）按時(shí)代和成因劃分為，第三系湖相沉積粘土巖及粘土和第四系下更新統(tǒng)湖積、冰水堆積粘土。第三系（lN1）粘土及粘土巖，紫紅或棕紅色，粘土及粘土巖夾灰綠色斑塊，裂隙和隱蔽裂隙發(fā)育，裂面具臘狀光澤，常見有擦痕。表層多為粘土，下部為粘土巖夾砂土、砂巖等透鏡體。第四系下更新統(tǒng)湖相沉積（lQ1）粘土及壤土，下更新統(tǒng)冰水積湖積（fgl+lQ1）粘土、以灰綠色為基本色，雜灰白色、黃色、棕紅色。粘土致密，裂隙和隱蔽裂隙發(fā)育，裂面臘狀光澤，見擦痕。

邯鄲、邢臺(tái)段的膨脹土巖空間分布的明顯特征是不同膨脹等級(jí)的土隨機(jī)性強(qiáng)，不同等級(jí)的膨脹土相互“包容”。膨脹土巖具有吸水膨脹失水收縮特性，還具有隱蔽裂隙發(fā)育的特征。對(duì)邯鄲、邢臺(tái)段膨脹土巖試驗(yàn)：粘土礦物蒙脫石含量23.36%～44.35%，伊利石含量6.39%～10.45%；比表面積195.57～415.70m2/g；陽離子交換量29.93～49.12meq/100g。膨脹土巖中富含以蒙脫石為主的親水礦物。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 粘性土換填

初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)膨脹土處理采取換填粘性土措施：一級(jí)馬道以下強(qiáng)、中膨脹土換填厚度分別為2.5，2.0m，一級(jí)馬道以上強(qiáng)、中膨脹土換填厚度為1.5，1.0m。

2.2 渠基排水

膨脹土渠段渠基排水優(yōu)先采取外排，無外排條件且水質(zhì)滿足要求的采取內(nèi)排，其中一級(jí)馬道以上排水通過坡面排出。一級(jí)馬道以下在換填土上部設(shè)砂礫料墊層及排水盲溝，利用軟式透水管收集后通過逆止閥內(nèi)排或外排。

2.2.1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1.1 排水反濾層位置

由于排水反濾層在渠坡設(shè)置的位置不同，對(duì)地下水浸潤(rùn)線的影響效果也不同。40+775渠道斷面為挖方渠道，渠坡為中膨脹土，渠道底寬18.5m，設(shè)計(jì)邊坡1∶3.25，挖深15m。確定排水反濾層位置對(duì)地下水浸潤(rùn)線的影響，分別對(duì)兩種反濾層設(shè)置方案進(jìn)行滲流計(jì)算：①排水反濾層設(shè)置在換填土層的頂面；②排水反濾層設(shè)置在換填層與膨脹土開挖渠坡之間。

計(jì)算結(jié)果表明，排水反濾層設(shè)置在換填層與膨脹土開挖渠坡之間的浸潤(rùn)線較低。從地下水位角度考慮，排水反濾層設(shè)置在換填層與膨脹土開挖渠坡之間對(duì)渠坡穩(wěn)定有利，如圖1所示。

圖1 不同反濾料位置浸潤(rùn)線

2.2.1.2 排水反濾層厚度

膨脹土裂隙內(nèi)的地下水采用排水措施排出土體外，一方面可避免膨脹土的抗剪強(qiáng)度的降低，另一方面消除裂隙內(nèi)積水對(duì)換填土的壓力。排水反濾層有利于疏干膨脹土裂隙水，反濾層的厚度對(duì)排水效果影響較大。按照反濾層設(shè)置的原則，水平反濾層的最小厚度采用0.3m，傾斜反濾層的最小厚度采用0.5m。渠底反濾料的厚度按0.3m考慮。

2.2.1.3 渠基排水結(jié)構(gòu)型式

（1）排水墊層方案是在換填土和膨脹土開挖渠坡之間設(shè)置排水墊層，地下水通過渠坡排水墊層匯集至渠底排水墊層，再通過逆止閥排入總干渠。該方案排水效果較好，但對(duì)換填土的抗滑穩(wěn)定存在一定影響。

（2）排水盲溝方案是在換填土以下膨脹土開挖渠坡上設(shè)置排水盲溝，排水盲溝縱橫交錯(cuò)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并與渠底排水墊層連通，再通過渠底逆止閥排入總干渠。該方案排水效果比排水墊層方案稍差，但對(duì)換填土的抗滑穩(wěn)定性影響較小。

3 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

由于膨脹土中裂隙的發(fā)育，夾沙層、透鏡體的存在，為排除膨脹土內(nèi)地下水及上層滯水，對(duì)初設(shè)排水方式進(jìn)行了變更設(shè)計(jì)。同時(shí)為避免地表水的入滲，增加了渠道地表的防滲措施。經(jīng)方案比選、優(yōu)化，提出強(qiáng)膨脹土及深挖方中膨脹土渠坡處理方案。

3.1 膨脹土渠坡處理措施

膨脹土（巖）裂隙的存在大大加強(qiáng)了膨脹土的滲透性，同時(shí)由于換填土層的滲透系數(shù)較小，當(dāng)上層滯水、地下水較高時(shí)，容易在換填土層與膨脹土結(jié)合面上形成承壓水，惡化換填土層的穩(wěn)定條件。

3.1.1 渠道換填土

對(duì)膨脹土處理采取換填粘性土措施，一級(jí)馬道以下強(qiáng)、中膨脹土換填厚度在設(shè)計(jì)變更中增加了換填厚度，強(qiáng)、中膨脹土渠段一級(jí)馬道以下?lián)Q填土厚度初步設(shè)計(jì)分別為2.5，2.0m。設(shè)計(jì)對(duì)膨脹率較大、地下水位高于渠底的強(qiáng)膨脹土，一級(jí)馬道以下?lián)Q填厚度增加到3.5m，地下水位低于渠底的，換填厚度采用3.0m。挖深大于15m的中膨脹土渠段一級(jí)馬道以下?lián)Q填土厚度增加到2.5m。

3.1.2 渠道襯砌板厚度

初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)土質(zhì)邊坡，一級(jí)馬道以下渠坡、渠底混凝土襯砌板厚度分別為10，8cm。由于影響混凝土襯砌板的應(yīng)力大小的主要因素是地基土的變形，目前換填土一方面抵抗膨脹土膨脹力，盡管換填土有一定的厚度，但仍然不可避免要發(fā)生一定的變形，其變形直接作用在混凝土襯砌板上，襯砌板厚度應(yīng)能抵抗換填土的變形而不裂縫?？紤]到強(qiáng)、中膨脹土渠段的特殊性，為保證襯砌板穩(wěn)定，強(qiáng)、中膨脹土渠段混凝土襯砌板厚度增加到15cm。

3.2 渠基排水設(shè)計(jì)

3.2.1 換填層下部排水方案

設(shè)計(jì)變更采取渠底排水墊層和渠坡十字盲溝方案。在渠底換填層之下設(shè)置0.3m厚的砂礫料排水墊層，渠坡設(shè)縱橫向排水盲溝。渠坡垂直高度每2m在換填土靠近渠坡膨脹土開挖面的開磴部位設(shè)置排水反濾料，作為縱向排水盲溝，換填土與排水反濾料同時(shí)碾壓。渠坡根據(jù)排水量每隔4～8m設(shè)置一道橫向排水盲溝，盲溝頂高程為一級(jí)馬道換填層底部（換填層位置），與縱向排水溝和渠底排水墊層連通。縱、橫向盲溝內(nèi)設(shè)置集水暗管，相互貫通?？v向排水盲溝一般深30～50cm，寬度根據(jù)過水?dāng)嗝孢吰麓_定。渠坡靠近渠底部位每側(cè)設(shè)逆止閥一排，將地下水內(nèi)排入渠。

3.2.2 換填層上部排水方案

換填土上部渠坡、渠底維持原初步設(shè)計(jì)的15cm砂墊層，在兩側(cè)坡腳及渠底中心位置各設(shè)置一道縱向盲溝，盲溝內(nèi)設(shè)集水暗管，通過逆止閥內(nèi)排水入渠。

3.2.3 左岸地面防滲排水設(shè)計(jì)

膨脹土渠段需要截流、防水，防止地表水滲入膨脹土體內(nèi)，引起膨脹土的濕脹而影響邊坡穩(wěn)定。初步設(shè)計(jì)階段截流溝一般為土質(zhì)截流溝，流速較大段采取干砌石防護(hù)，本次設(shè)計(jì)增加截流溝防滲措施。截流溝下部鋪設(shè)復(fù)合土工膜，土工膜以上設(shè)厚30cm保護(hù)土層，保護(hù)層以上為30cm干砌石。

4 結(jié)語

（1）強(qiáng)膨脹土及深挖方中膨脹土渠段渠基排水處理至關(guān)重要，需要根據(jù)工程情況優(yōu)化、選擇技術(shù)可行的處理措施。

（2）充分分析膨脹土（巖）工程地質(zhì)特性，認(rèn)識(shí)膨脹土（巖）裂隙的存在，膨脹土巖中的地下水有孔隙水和裂隙水，孔隙水賦存于砂土夾層中，裂隙水賦存于膨脹土巖的隱蔽裂隙中。

（3）重視排水措施，調(diào)整排水方式，選擇不同的渠基排水結(jié)構(gòu)型式。

（4）增加換填粘性土厚度，地下水位在渠底以上的強(qiáng)膨脹及挖深大于15m的中膨脹土渠段換填厚度分別增加到3.5m和2.5m，強(qiáng)膨脹土無地下水渠段換填厚度增加到3.0m。

（5）對(duì)強(qiáng)膨脹土及挖深大于15m的中膨脹土渠段，渠坡、渠底混凝土襯砌板厚度增加到15cm。

［1］陳世剛，牟偉，劉軍.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［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013（9）.

［2］陳尚法，溫世億，冷星火，等.南水北調(diào)中線一期工程膨脹土渠坡處理措施［J］.人民長(zhǎng)江，2010（16）.

［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（S0）.

［4］單國(guó)方.甌江翻水站渠道防滲及渠基排水處理方案分析［J］.浙江水利科技，2006（147）.

［5］王志波.混凝土低溫季節(jié)施工質(zhì)量控制［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2013（3）.

Treatment Measures for Channel Drainage of Expensive soil in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

YANG Li-hong，LI Lin-ke
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

Treatment method of expensive soil was one of the key technical problems of the South-to-North Water Diversion Project.It has high technical difficulty and high quality requirements to deal with expensive soil.Treatment method of channel drainage in the segment with expensive soil was also one of the difficulties of project management.This paper provides optimization design of treatment measures for expensive soil and channel drainage of the deep cut segment with expensive soil of Handan-to-Xingtai Section in South-to-North Water Diversion Project.The results of this paper can give some references to the similar projects.

expensive soil;channel drainage;South-to-North Water Diversion Project

TV223.5；TU443

B

1672-9900（2014）03-0073-03

2014-04-25

楊利紅（1968-），女（漢族），河北張北人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，（Tel）0311-80966417。