總干渠渠道破壞分析處理措施研究

劉秀軍

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊830000)

0 前 言

北疆調(diào)水工程總干渠在運(yùn)行多年來由于地質(zhì)因素及土料性質(zhì)局部破壞較嚴(yán)重，需對渠堤不穩(wěn)定土料進(jìn)行置換處理，因總干渠渠線先后穿越額爾齊斯河Ⅳ、Ⅴ級侵蝕、剝蝕平臺，傾斜洼地和烏倫古河沖積平原等3個不同的地貌單元，地勢為北東向西南逐漸降低，沿線出露的底層為石灰系、泥盆系、第三系和第四系底層。第三系地層是渠道穿越的主要底層，第三系地層屬內(nèi)陸湖相沉積，巖相變化大，常以透鏡體和團(tuán)塊狀分布，巖性為砂礫巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖等，砂質(zhì)泥巖、泥巖分布面積約占渠道總面積的21.6%。由于砂質(zhì)泥巖、泥巖的礦物成分中均含有蒙脫石，巖土中當(dāng)蒙脫石含量達(dá)7%以上，巖土表現(xiàn)出脹縮特征，且蒙脫石含量越高，產(chǎn)生的線脹縮率也就越大，對建筑物的危害也越嚴(yán)重?？偢汕植嫉纳百|(zhì)泥巖、泥巖，大部分屬中等膨脹巖，個別達(dá)到強(qiáng)膨脹，由于巖石的礦物成分不同，黏粒含量的高低，含水量的不同，巖體的膨脹強(qiáng)弱也不同;總干渠大部分地段無大的工程地質(zhì)問題，局部段砂質(zhì)泥巖、泥巖屬中等—強(qiáng)膨脹巖，存在邊坡穩(wěn)定和膨脹隆起引起渠道襯砌體的變形破壞等問題。

1 渠道的破壞分析和解決措施

1.1 渠道的破壞原因分析

總干渠運(yùn)行15 a以來，每年春季或秋季均有6 ～9 處滑坡破壞?；轮饕蚱湟皇怯捎谇缆┧屯鈦頋B水無法排出，渠堤內(nèi)部因滲水原因?qū)е鹿?jié)理結(jié)構(gòu)及受力不平衡發(fā)生變化，最終發(fā)生滑坡等破壞，這一問題在總干渠近年來的施工中已做了處理，在渠堤內(nèi)增設(shè)了縱橫排水設(shè)施，解決了滲水外排問題。其二是渠道因地質(zhì)問題的破壞，總干渠局部段所處在地質(zhì)構(gòu)造第三系底層，砂質(zhì)泥巖、泥巖屬中等—強(qiáng)膨脹巖，存在導(dǎo)致渠道邊坡穩(wěn)定發(fā)生滑坡和膨脹隆起引起渠道襯砌體的變形破壞等問題。

1.2 渠道的置換形式

總干渠渠道置換的形式從斷面結(jié)構(gòu)分為半斷面置換和全斷面置換，半斷面置換就是將局部單邊滑坡的泥巖按設(shè)計(jì)尺寸挖出后回填穩(wěn)定性好的土料［1］。全斷面置換是將渠堤、渠底全部挖出，換填穩(wěn)定性好的土料。

2 換填料的研究

2.1 換填料的選擇

總干渠因地質(zhì)因素較復(fù)雜，導(dǎo)致對渠道換填料以及料場的選定也增加了一定難度，總干渠所處在地質(zhì)構(gòu)造第三系底層，大部分巖性為砂質(zhì)泥巖、泥巖，而渠道換填料要求較高，首先回填料顆粒均勻，含泥量要低，透水性好，碾壓密實(shí)度要高，抗剪、抗壓能力要強(qiáng);其次考慮到降低成本問題，要求取料要本著“因地制宜，最近取材”的原則。

2.2 換填料的實(shí)驗(yàn)

總干渠是長距離輸水工程，渠道跨距較長，要想保證回填料的質(zhì)量及數(shù)量，且能降低成本就必須對其進(jìn)行可行性研究，根據(jù)總干渠回填料的工程特性進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)材料是從總干渠20 ～40 km渠段劃定料場取得，試驗(yàn)在“中心土工試驗(yàn)室”完成。試驗(yàn)項(xiàng)目有顆粒分析、相對密度、比重、滲透、擊實(shí)、抗剪強(qiáng)度、界限含水率土工試驗(yàn)(見表1)。試驗(yàn)依據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行》進(jìn)行。

表1 土的基本性質(zhì)試驗(yàn)成果表

2.2.1 料場情況

墊層料試樣分別取自14#、27#、41#料場土料。3個料場分別位于渠道里程14、27、41 km處。其中41#料場用量最大，所以本次試驗(yàn)以41#料場土料為主進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)通過相對密度試驗(yàn)為填筑施工質(zhì)量控制提出合理的相對密度控制指標(biāo)［2］。

2)提供回填料壓實(shí)后的滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度，為渠堤回填料設(shè)計(jì)和渠堤邊坡穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

3)通過實(shí)驗(yàn)選出合理的料場，為工程節(jié)約成本。

2.2.3 顆粒分析試驗(yàn)

土的基本工程特性與其顆粒級配有很大關(guān)系。如壓實(shí)的密度主要受到粒徑＜5 mm(以下稱含砂量)和＞5 mm含量(以下稱含礫量)比例的影響。而土的滲透特性除了與土的密度或者是孔隙比影響外，還與其含＜0.1 mm含量有關(guān)。本次試驗(yàn)共進(jìn)行了5個土料的顆粒分析試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得3個料場所取土樣的顆粒級配變化范圍較小，含＞2 mm顆粒在46% ～50%，屬于粗粒土中的砂類土，但粒徑＜0.075 mm含量＞15%，按砂類土分類為細(xì)粒土質(zhì)砂，土名稱為黏土質(zhì)砂(見圖1)。

圖1 總干渠回填料顆分曲線

2.2.4 擊實(shí)試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)

本次試驗(yàn)分別對27#、41#料場土料進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試樣顆粒最大粒徑為5 mm。并對41#和土進(jìn)行了壓實(shí)度為0.99 的直剪試驗(yàn)，直剪試樣顆粒最大粒徑為2 mm。擊實(shí)功能為592.2 kJ/m3。從擊實(shí)曲線看出，土的干密度隨土的含水率而變化，說明該土具有凝聚性細(xì)粒土特性。41#料場的＜5 mm土料為最優(yōu)含水量時，其最大干密度值達(dá)到1.975 g/cm3，這一數(shù)值超過風(fēng)干料相對密度試驗(yàn)結(jié)果的最大干密度1.90 g/cm3(風(fēng)干含水量為1.0%)的數(shù)值，＜5 mm的土料最大干密度相當(dāng)于濕料最大干密度0.96，說明該土具有凝聚性細(xì)粒土特性。

2.2.5 相對密度試驗(yàn)

從顆粒分析和擊實(shí)試驗(yàn)看，總干渠回填料具有礫質(zhì)土性質(zhì)，即最大干密度除了與最優(yōu)含水量有關(guān)還與含礫量有關(guān)。但考慮到現(xiàn)場土料的含水量較小為2% ～5%，施工配水成本高，因此進(jìn)行了風(fēng)干土料的相對密度試驗(yàn)。相對密度試驗(yàn)的目的是求出回填料的最大和最小干密度后，從而根據(jù)設(shè)計(jì)要求的相對密度值，確定現(xiàn)場壓實(shí)干密度。一般含礫土的最大和最小干密度隨礫石含量而變化，所以本次相對密度試驗(yàn)采用3個料場的平均級配制備不同含礫量的試樣(礫石含量為0%、30%、50%、70%、100%)進(jìn)行了試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制相對密度—干密度礫石含量三因素相關(guān)圖(見圖2)?，F(xiàn)場密度控制可根據(jù)設(shè)計(jì)相對密度和土料含礫量，利用三因素相關(guān)圖確定現(xiàn)場控制干密度，相對密度控制指標(biāo)適用于無凝聚性土;對于總干渠回填料如果用相對密度控制干密度，對于含礫量＜50%時，應(yīng)考慮適當(dāng)提高相對密度控制指標(biāo)。

2.2.6 滲透試驗(yàn)

本次試驗(yàn)對3個料場土料均采用了不同干密度和不同含礫量的滲透試驗(yàn)，對不同粒徑的試樣采用了不同試驗(yàn)儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)可看出結(jié)果符合隨著孔隙比減小滲透系數(shù)也減小的滲透規(guī)律。如27#料場土顆粒＜2 mm試樣孔隙比為0.332 時，滲透系數(shù)為1.4 ×10－7cm/s，試樣孔隙比為0.582 時，滲透系數(shù)為4 ×10－5。本次試驗(yàn)使用了直徑為300 mm大型滲透儀，進(jìn)行了試樣最大粒徑為60 mm，含礫量為40%、50%、70%的滲透試驗(yàn)，在干密度相近的條件下，滲透系數(shù)隨著含礫量增加而增大，而且在含礫量＜50%時變化較小，滲透系數(shù)≤i×10－5cm/s，可作為防滲土料，當(dāng)含礫量增加到70%時，滲透系數(shù)增加到i ×10－3cm/s，成為排水土料。滲透系數(shù)隨含礫量增大的原因主要是土料中的部分礫石形成骨架，粗顆粒之間的孔隙不能被細(xì)顆粒完全充填，使土料的滲透特性發(fā)生了較大變化。

圖2 總干渠回填料相對密度—干密度—礫石含量三因素相關(guān)圖

3 結(jié) 語

經(jīng)過對試驗(yàn)成果的分析特提出如下建議:

1)通過相對密度試驗(yàn)，得出相對密度－干密度－含礫量三因素相關(guān)圖，可作為施工現(xiàn)場干密度及相對密度控制依據(jù)。但對于含礫量＜50%的回填料，應(yīng)適當(dāng)提高相對密度控制指標(biāo)。

2)小于5 mm粒徑土料的擊實(shí)試驗(yàn)表明回填料有凝聚性細(xì)粒土的特點(diǎn)，按細(xì)粒土進(jìn)行的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果可作渠道邊坡穩(wěn)定校核參考數(shù)據(jù)。建議對含礫回填料進(jìn)行大三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，以便進(jìn)一步驗(yàn)證墊層料的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果。

3)通過各種參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，得出14#、27#、41#料場土料適合總干渠換填所需用料，也為總干渠泥巖置換最經(jīng)濟(jì)的換填料場，通過此次實(shí)驗(yàn)也為總干渠以及周邊相似地質(zhì)區(qū)域的渠道以及大壩回填用料提供參數(shù)借鑒。

［1］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］. 長江科學(xué)院院報(bào)，2002，19(S1):108－110.

［2］錢建輝，宋新江. 膨脹土濕化變形特性的試驗(yàn)研究［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(01):59－60.