南水北調(diào)中線葉縣段總干渠工程地質(zhì)問題的處理方法

謝建波，劉海峰，曹道寧，王 杰

(1.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010;2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北武漢 430010)

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程是緩解京、津、華北地區(qū)資源性缺水的特大型跨流域調(diào)水工程，主要為沿線城市提供生活、生產(chǎn)用水，并兼顧生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水，一期工程年調(diào)水量95億m3，輸水總干渠全長1 267 km，其中葉縣段總干渠全長30.266 km。

2 水文、工程地質(zhì)特征

葉縣段總干渠沿線位于伏牛山東麓山前丘陵與淮河水系沖積平原交匯地帶，地層呈水平狀，上土下巖，主要地層巖性為:①Q(mào)粉質(zhì)粘土。褐黃、棕黃色，可塑—硬塑狀，分布于地表一帶，多具弱或中等膨脹潛勢，滲透系數(shù) K=i×10－8～ i×10－5cm/s，具極微—弱透水性;②Q礫質(zhì)土。褐黃色，密實，礫卵石含量30%～50%，分布于渠坡中上部，滲透系數(shù)K=i×10－9～i×10－6cm/s，具弱—微透水性;③N粘土巖?；揖G色夾棕黃色，硬塑狀，具中等—強膨脹潛勢，分布于渠坡中下部，具微透水性;④N砂礫巖。棕黃色夾灰綠色，中—粗粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)微膠結(jié)，礫石總含量30% ～50%，多分布于渠坡中下部及底板，局部呈透鏡體狀，滲透系數(shù) K=i×10－4～ i×10－3cm/s，具中等透水性;⑤N 砂巖。褐黃色、灰白色，中—粗粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)微膠結(jié)，多呈透鏡體狀分布于渠坡中下部及底板。

葉縣段總干渠工程區(qū)降水量年際變幅大，年內(nèi)分配不均，降雨主要集中在6—9月份，多年平均年降水量960 mm。沿線地表水系較發(fā)育，河流具暴漲暴落的特點，汛期水量豐沛，枯水期水量很小甚至斷流干涸。沿線地下水主要為第四系覆蓋層孔隙水和基巖孔隙—裂隙水二種類型，主要接受大氣降雨及河水補給，向區(qū)外排泄或補給下部含水層。地下水多屬上層滯水，局部渠段由于處于崗坡之間谷地，豐水期則略具承壓性［1］。

3 工程地質(zhì)問題及施工處理

葉縣段總干渠工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要有膨脹巖(土)、渠坡穩(wěn)定、渠道滲漏、高填方地基穩(wěn)定及基坑地下水等五類工程地質(zhì)問題。其中，膨脹巖(土)問題是本段的關(guān)鍵性工程地質(zhì)問題［2］。

3.1 膨脹巖(土)變形破壞問題及施工處理

葉縣段總干渠沿線壟崗、丘陵地帶及河流Ⅱ級階地廣泛分布有膨脹巖(土)。開挖揭示，強膨脹巖渠段共6段，累計長3.405 km;中膨脹巖(土)渠段共18段，累計長11.741 km;弱膨脹土渠段共9段，累計長4.633 km。

相關(guān)研究表明，膨脹巖(土)中的粘粒成分主要由隨含水量變化具有顯著的體積脹縮性的強親水性礦物組成［3］，水分的遷移變化是控制其體積脹縮的關(guān)鍵外因，而大氣環(huán)境又對水分的遷移起著重要的制約作用，膨脹巖(土)對大氣環(huán)境具有較強敏感性，在干濕循環(huán)的氣候環(huán)境條件下極易產(chǎn)生脹縮變形破壞。因此，控制大氣環(huán)境變化所引起的巖土體含水量變化是解決膨脹巖(土)問題的關(guān)鍵。

據(jù)相關(guān)科研成果，葉縣段總干渠采用超挖換填水泥改性土的方法對膨脹土(巖)挖方渠道進行保護(照片1)［4］，在渠道設(shè)計輸水?dāng)嗝娴幕A(chǔ)上，按換填厚度超挖，具體按渠道膨脹潛勢等級分為兩類:

(1)一般弱膨脹土渠段，僅對過水?dāng)嗝娉趽Q填，換填厚度為1.0 m。

(2)中、強膨脹巖(土)渠段，全斷面換填至開口線以外截流溝，中膨脹巖(土)過水?dāng)嗝鎿Q填厚度為1.2 m或1.5 m，過水?dāng)嗝嬉陨蠐Q填厚度為1.0 m;強膨脹巖(土)過水?dāng)嗝娉趽Q填厚度為2.0 m，過水?dāng)嗝嬉陨蠐Q填厚度為1.5 m。

同時，根據(jù)邊坡匯水面積大小，采取適當(dāng)?shù)钠旅媾潘翱箾_刷措施。

此外，對于用弱膨脹土填筑的填方渠段亦采用外包1.0～2.0 m厚水泥改性土的方法對弱膨脹土進行保護，并對馬道及坡肩進行防滲處理。

照片1 水泥改性土換填Photo 1 Exchange filling of cement concrete modification soil

照片2 樁號191+960～192+020段左側(cè)渠坡變形Photo 2 Canal slope deformation of stake number of 191+960～192+020

3.2 渠坡穩(wěn)定

據(jù)渠道開挖揭示地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、巖(土)體膨脹等級、結(jié)構(gòu)面及地下水的發(fā)育程度以及挖深、坡比等因素綜合分析評判，葉縣段總干渠渠坡絕大部分屬穩(wěn)定—較穩(wěn)定渠坡，僅小范圍渠段渠坡穩(wěn)定性較差，存在渠坡穩(wěn)定問題。

開挖揭示，渠坡穩(wěn)定性較差渠段渠坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)一般為:上部為弱膨脹粉質(zhì)粘土和礫質(zhì)土，下部為砂礫巖和中等膨脹或強膨脹粘土巖，均屬于中等膨脹巖渠坡或強膨脹巖渠坡。其中，對渠道邊坡穩(wěn)定影響較大的為渠坡下部的中膨脹或強膨脹粘土巖，巖體內(nèi)大—長大結(jié)構(gòu)面一般較發(fā)育，微—小結(jié)構(gòu)面一般極發(fā)育，密集呈網(wǎng)狀，面多附灰綠色泥膜。部分渠段坡體上部的礫質(zhì)土層或坡體下部的砂礫巖層內(nèi)地下水還比較發(fā)育，易引起坡面潮濕、滲水，并易在坡腳及底板形成積水，引起粘土巖的脹縮變形，進而影響渠坡的穩(wěn)定。施工期間，保護措施若不能及時到位，隨時有發(fā)生滑移變形的風(fēng)險(照片2)。

施工期間，根據(jù)開挖揭示地質(zhì)條件綜合評判結(jié)果，對沿線穩(wěn)定性較差的渠坡，主要結(jié)合巖(土)體膨脹等級、結(jié)構(gòu)面及地下水的發(fā)育程度等地質(zhì)條件，在一級馬道高程附近布設(shè)了抗滑樁及坡面梁等加強措施(照片3、照片4)，進行抗滑加固處理。一級馬道高程以上部分主要采取了減小坡比、設(shè)置多級馬道等措施，施工后期，又采取了漿砌石聯(lián)拱或格構(gòu)等支護措施，并注意加強坡面排水及抗沖刷措施。

照片3 抗滑樁Photo 3 Anti-slide pile

照片4 坡面梁施工Photo 4 Construction of slope beam

另外，相關(guān)的膨脹性巖土渠道超挖換填厚1.0～2.0 m的水泥改性土，對渠坡的穩(wěn)定性亦能起到一定的輔助作用。

對于施工期間發(fā)生的滑移變形體具體作如下處理:清除變形體至滑動面以下≥0.5 m，坡比≤1∶3，用水泥改性土填筑，同時加強坡面的系統(tǒng)排水措施，如加密排水盲溝等，混凝土襯砌面板施工前，又對渠道坡面均進行了外包水泥改性土處理，局部還增設(shè)了坡面梁。

3.3 渠道滲漏

葉縣段總干渠渠坡或渠底大多分布有弱透水性的礫質(zhì)土、含泥砂礫石以及中等—強透水性的砂巖及砂礫巖等，天然地下水位與設(shè)計水位存在較大高差，在不做防滲的情況下，存在側(cè)向或垂直滲漏以及由于滲漏而引起的滲透變形問題和土壤鹽堿化問題。渠道滲漏或滲透變形將使渠道及襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，進一步加劇渠道滲漏或滲透變形，如此反復(fù)，必將影響渠道的安全與穩(wěn)定。

施工期間，根據(jù)開挖揭示地質(zhì)條件，采取了如下工程措施:渠道過水?dāng)嗝娌捎脧姸雀?、均勻性好的抗老化的雙面復(fù)合土工膜防滲(照片5)，復(fù)合土工膜選用規(guī)格為576 g/m2，膜厚0.3 mm(276 g/m2)，雙面土工布(150 g/m2)的長纖土工織物。對渠道底板以下一定范圍內(nèi)存在厚層砂礫石的有關(guān)渠段進行了換填粘性土處理，對渠坡存在厚層砂礫石的有關(guān)渠段設(shè)置了防滲墻。另外，相關(guān)膨脹性巖土渠段過水?dāng)嗝娌捎脫Q填厚1.0～2.0 m水泥改性土，亦能對渠道起到較好的輔助防滲作用。

照片5 土工膜敷設(shè)Photo 5 Laying of geomembrane

3.4 高填方渠段地基沉降變形

葉縣段總干渠填方高度≥6.0 m的高填方渠段共18段，累計長8.509 km，主要分布于沿線經(jīng)過的河流、溝渠的河床、Ⅰ級階地及古河道一帶，地基主要為粘性土、砂性土、砂礫石等，由于土體在結(jié)構(gòu)、強度、滲透特性及壓縮性等方面均存在一定差異，運行期間存在不均勻沉降變形問題。

照片6 坡面排水板鋪設(shè)Photo 6 Laying of drainage plate

施工時采取的處理方法為:填筑前對渠堤進行清基0.5 m并翻壓，將渠基范圍內(nèi)表層根植土、有機質(zhì)土等清除，對局部出現(xiàn)的溝塘、墳?zāi)埂⒍囱ǖ劝雌卤取?∶5的要求放坡清挖。含水量較大的粘土性地基填筑前作翻曬處理。填高＜2.0 m時，全部采用水泥改性土填筑;填高＞2.0 m時，以弱膨脹土外包厚1.0 m水泥改性土或非膨脹粘性土填筑，碾壓密實。填筑施工完成后，預(yù)留一定的固結(jié)沉降期，一般為6個月以上。

施工后期，在初設(shè)審定方案基礎(chǔ)上，又結(jié)合施工特點進行了專題研究?？紤]了地基、填土施工、滲控及防洪綜合影響等級等因素，分別采取了增設(shè)防浪墻、將渠道襯砌砼改為纖維砼、土工膜加厚、渠堤外坡防護等加強措施，進一步提高了高填方渠道的穩(wěn)定性和安全性。

3.5 基坑地下水

基坑地下水問題主要包括以下兩類問題:

(1)基坑涌水、滲水影響施工安全和施工進展的問題。

(2)總干渠運行檢修期間渠道外圍由于地下水不能及時排降而引起巖土體抗?jié)B流穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定的問題。

葉縣段總干渠開挖期間存在基坑涌水的渠段共7段，累計長8.465 km。該類渠段渠坡含1～2層連續(xù)性較好的透水層，地下水有較連續(xù)的高于渠道底板開挖高程的水位線，補給較穩(wěn)定，水量較豐富。開挖期間存在局部滲水的渠段共7段，累計長11.605 km。該類渠段地下水多屬上層滯水，無連續(xù)的地下水位，主要接受大氣補給;補給范圍有限，水量不豐，但補給快，消退慢，主要表現(xiàn)為雨季渠坡出現(xiàn)滲水點、下降泉等，沿坡面外流，影響邊坡穩(wěn)定。此外，通水運行后，兩岸地下水水位會緩慢上升，最終達到新的平衡，總干渠檢修期間，由于連續(xù)快速排水，渠道內(nèi)水壓力迅速消減，渠坡外圍若排水不暢，地下水不能同步降排，將形成較大的外水壓力，引起渠道內(nèi)、外側(cè)水壓力失衡，進而會引起巖土體抗?jié)B流穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定問題。

對總干渠建筑物基坑涌水、滲水影響施工安全和施工進展的問題，施工期間按照如下原則處理:對于水量豐富，補給穩(wěn)定的基坑涌水，采用系統(tǒng)管井降、排水至基坑底板開挖高程以下≥0.5 m;對季節(jié)性滲水點，采用集水明排或布設(shè)隨機碎石盲溝或雙層排水板等隨機引排。

為確保總干渠運行檢修期間渠道外圍巖土體抗?jié)B流穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定問題，施工期間采用布設(shè)系統(tǒng)排水管網(wǎng)，將地下水通過渠坡及渠底排水管網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)逆止閥排入渠道的方式進行排水減壓處理(照片6、照片7)，具體按沿線開挖揭示的工程地質(zhì)特征分別采用了如下處理措施:①對透鏡狀分布、連續(xù)性差、與外界水力聯(lián)系較小的透水層設(shè)置水平減壓管;②對透水層連續(xù)、透水性強、與外界有水力聯(lián)系的透水層采用加密系統(tǒng)排水管網(wǎng)，設(shè)置縱、橫向系統(tǒng)排水盲溝等滲控措施;③對渠底板為強透水層，土工膜直接鋪設(shè)在強透水層上的，設(shè)置防滲墻及豎向排水減壓管;④渠底板以下一定范圍內(nèi)分布有砂礫石或砂礫巖含水層的，通水運行期間地下水為承壓水，考慮到運行期間地下水位變動影響，主要采用設(shè)置減壓井，局部同時采用防滲墻、減壓管作為排水減壓措施(照片8)。

4 結(jié)語

葉縣段總干渠存在膨脹巖(土)、渠坡穩(wěn)定、渠道滲漏、高填方地基穩(wěn)定及基坑地下水等五類工程地質(zhì)問題，施工期間根據(jù)開挖揭示地質(zhì)條件進行了工程處理。自2014年10月試通水至今監(jiān)測成果表明，沿線未見較大異常，證明了施工處理措施是可靠的。

照片7 底板排水系統(tǒng)Photo 7 Drainage system of floor

照片8 豎向排水減壓管Photo 8 Decompression tube of vertical drainage

［1］ 陽云華，關(guān)沛強，馮建偉，等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠陶岔渠首至沙河南段工程葉縣段初步設(shè)計工程地質(zhì)勘察報告［R］.武漢:長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，2008.

［2］ 高健，陽云華.南水北調(diào)中線總干渠主要工程地質(zhì)問題［J］.人民長江，2007(9):5－7.

［3］ 劉海峰，易鳴，謝建波，等.南水北調(diào)中線強膨脹土微觀結(jié)構(gòu)特征及工程特性［J］.人民長江，2014(6):67 －70.

［4］ 蔡耀軍，膨脹土渠坡破壞機理及處理措施研究［J］.人民長江，2011(22):5－9.