老撾色薩拉龍灌溉項(xiàng)目分散性粘土區(qū)渠道設(shè)計(jì)實(shí)踐

彭小川，曲 洋，王景濤

（1.中國(guó)北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林 長(zhǎng)春130021）

1 概 況

老撾色薩拉龍灌溉項(xiàng)目地區(qū)為分散性粘土地區(qū)，渠系包括：主渠、支渠和斗渠三級(jí)渠系，其中主渠總長(zhǎng)約12 km。

灌溉渠系于2012年3月開(kāi)始施工，2014年7月竣工。施工期，主渠沿線(xiàn)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了混凝土襯砌破壞現(xiàn)象。為了確保將來(lái)運(yùn)行期渠道不再出現(xiàn)同樣的破壞，對(duì)破壞原因進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查、分析，并提出相應(yīng)的處理和防治措施，以改進(jìn)渠道設(shè)計(jì)，取得了很好的效果。

2 分散性粘土概述

2.1 地質(zhì)成因

通過(guò)查閱有關(guān)資料，認(rèn)為分散性粘土一般由蒸發(fā)而風(fēng)化的產(chǎn)物二次積累形成了受鈉影響的土壤。隨著蒸發(fā)，鈣和鎂脫溶為碳酸鹽。即使初始鈉濃度很低，這也會(huì)使鈉濃度變得非常高。這樣這個(gè)高鈉土溶液改變了交換平衡，促使鈉轉(zhuǎn)到交換絡(luò)合物上。后來(lái)，淋溶作用沖走了可溶鹽，但是這個(gè)可交換鈉仍保留在土壤中。由各種型式的蒸發(fā)—累積—淋溶循環(huán)，形成了這種鈉土。

大部分分散性粘土都是在洪泛沉積層、坡積層、湖泊沉積層和風(fēng)化黃土層中產(chǎn)生的。幾乎毫無(wú)例外，已知有火成巖和變質(zhì)巖就地風(fēng)化成的所有細(xì)粒土以及由石灰?guī)r變來(lái)的土從來(lái)都處于非分散狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)觀察，能夠長(zhǎng)草的土壤不是分散性土，分散性土根本不會(huì)生長(zhǎng)什么植物。

2.2 性 狀

這種土以分散狀態(tài)處于自然界中，其特點(diǎn)是在緩慢流動(dòng)或甚至在靜水中迅速被沖蝕和管涌，各個(gè)膠體粘土顆粒變成了懸浮質(zhì)。其主要性狀如下：

1）粘土的分散性質(zhì)，主要是由于土粒之間的排斥力超過(guò)了相吸力。故一旦接觸水，土體的表面土粒逐漸依次脫落，成為懸液。如屬流動(dòng)水，分散土粒即被帶走。

2）粘土孔隙水中的鈉離子數(shù)量較多，鈉促使土粒周?chē)p電層水膜增加厚度。因此土粒間相吸力減少。

3）促成粘土分散性管涌的另一個(gè)主要原因，是決定于水中所含不溶解鹽類(lèi)的總量。該總量低，土料分散性管涌可能性就越大，這是產(chǎn)生離子的“解吸附作用”之故。因此，越是水質(zhì)清，就越會(huì)沖蝕，比如雨水就比較容易沖蝕。

2.3 破壞性

分散性粘土管涌會(huì)嚴(yán)重破壞渠基、渠堤或混凝土襯砌。破壞的主要形式是：地面降雨徑流在渠道頂向下滲入干縮裂縫中，然后通過(guò)襯砌的施工縫流進(jìn)渠道，在渠堤內(nèi)部產(chǎn)生了侵蝕孔道，并對(duì)混凝土襯砌形成頂托作用而導(dǎo)致?lián)p壞，見(jiàn)圖1。

圖1 分散性粘土渠堤典型的降雨侵蝕孔道示意圖

3 項(xiàng)目區(qū)分散性土礦物分析

項(xiàng)目區(qū)土層主要為沖積、坡殘積物。沖積層巖性主要為灰黃色粉砂、粉土；坡殘積巖性主要為紅褐色砂質(zhì)粘土及粘土。

針對(duì)項(xiàng)目區(qū)坡、殘積土，對(duì)原狀樣和制備樣分別采用了針孔和雙比重計(jì)試驗(yàn)（也稱(chēng)SCS 分散度試驗(yàn)），見(jiàn)表1。

綜合分析室內(nèi)試驗(yàn)成果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)土體特征觀察，認(rèn)為項(xiàng)目區(qū)粘性土具有分散性，且具有弱膨脹性，局部具中等膨脹性。

表1 渠道土體分散性試驗(yàn)匯總表

4 渠道初步設(shè)計(jì)

鑒于分散性土的特性，一般要求分散性土不宜用作渠堤填筑。如果項(xiàng)目區(qū)沒(méi)有其它更合適的填筑材料，而必須采用分散性粘土作為填筑材料時(shí)，必須考慮防止通過(guò)集中滲流管涌的設(shè)計(jì)措施。

該項(xiàng)目區(qū)土質(zhì)地基基本為分散性粘土，附近也沒(méi)有找到合適的非分散性土料場(chǎng)作為填方渠道的填筑材料，無(wú)論挖方渠道，還是填方渠道，均需要采取保護(hù)措施。因此，在渠道斷面設(shè)計(jì)時(shí)，渠頂和混凝土襯砌下鋪設(shè)一層土工膜，以便阻斷渠道頂雨水、渠內(nèi)水與渠堤分散性土接觸而發(fā)生分散和膨脹。

填方渠道典型斷面見(jiàn)圖2和3；挖方渠道典型斷面見(jiàn)圖4和5。

圖2 填方渠道典型斷面示意圖

圖3 填方渠道渠頂細(xì)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 挖方渠道典型斷面示意圖

圖5 挖方渠道渠頂細(xì)部結(jié)構(gòu)示意圖

5 渠道施工期破壞和原因分析

1）渠道混凝土襯砌破壞出現(xiàn)的類(lèi)型

2013年4月下旬進(jìn)入當(dāng)?shù)赜昙?，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有局部渠堤頂和邊坡沖蝕，混凝土襯砌板破壞的現(xiàn)象。襯砌板破壞類(lèi)型主要有：渠道底板縱向（順流向）開(kāi)裂、邊板縱向開(kāi)裂、邊板向渠內(nèi)滑動(dòng)等主要形式。

2）破壞原因分析

經(jīng)過(guò)分析，破壞原因主要為：分散性粘土地基和渠堤遇到降雨后，由于渠頂和坡面尚未進(jìn)行全封閉，因此在渠堤頂面、背水坡面形成溶蝕孔道，成為匯水通道。大量雨水從孔道直接灌入襯砌板后面，對(duì)襯砌板產(chǎn)生較大的揚(yáng)壓力，從而導(dǎo)致混凝土襯砌板斷裂和滑動(dòng)破壞。

6 渠道改進(jìn)設(shè)計(jì)和防治措施

鑒于施工期出現(xiàn)了渠堤和襯砌板破壞，在進(jìn)行修復(fù)時(shí)，為了確保渠道將來(lái)運(yùn)行期的安全，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，采取了有效的防治措施如下：

1）渠道堤頂和外坡均采用全封閉處理措施，所有外露的表面必須加以保護(hù)以防治水分的過(guò)分損失，其目的是防治土壤發(fā)生裂縫而被沖蝕；

2）渠道坡腳處增設(shè)縱向枕梁；

3）土質(zhì)半填半挖及挖方渠道，全部設(shè)置有效的截水、導(dǎo)水、排水措施；

4）挖方段兩岸均設(shè)置截水、導(dǎo)水、排水溝道，避免雨水順坡集中流入渠道，造成渠頂沖刷和渠道內(nèi)淤積。

渠道改進(jìn)設(shè)計(jì)后主要典型斷面見(jiàn)圖6-8。

7 結(jié) 語(yǔ)

圖7 填方渠道渠頂細(xì)部結(jié)構(gòu)圖

圖8 挖方渠道渠頂?shù)湫蛿嗝鎴D

1）通過(guò)改進(jìn)渠道斷面，尤其渠堤頂和邊坡采用了全封閉措施，有效地解決了填方渠堤和挖方分散性土渠基沖蝕問(wèn)題，避免產(chǎn)生沖蝕孔道，從而也就有效地解決了渠道混凝土襯砌板破壞的問(wèn)題。

2）項(xiàng)目竣工后，經(jīng)過(guò)雨季的考驗(yàn)，渠道混凝土襯砌破壞極少，說(shuō)明針對(duì)分散性渠道采取的防治措施是非常有效的。

3）嚴(yán)格控制碾壓工藝和質(zhì)量控制也是防治分散性渠堤沖蝕的有效措施。應(yīng)該把控制施工質(zhì)量和達(dá)到最優(yōu)含水量條件下的碾壓看做是防治分散性粘土管涌改進(jìn)土體柔性特點(diǎn)，也就是減少不均勻沉降裂縫或水力劈裂或者是兩者的因素。但不及時(shí)填筑，最優(yōu)含水量的碾壓濕度會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生干縮裂縫，總之含水量不能低于最優(yōu)含水量。偏干含水量的填土容易產(chǎn)生裂縫，而且沉陷與不均勻沉陷較大。