引江濟淮輸水線路膨脹土影響分析

岳金剛（安徽省水利水電勘測設計院蚌埠233000）

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引江濟淮輸水線路膨脹土影響分析

岳金剛
（安徽省水利水電勘測設計院蚌埠233000）

濟淮輸水線路沿線膨脹土主要分布在淮河以南的江淮、菜巢分水嶺的崗地段，其反復脹縮變形及引起的強度衰減對引水渠道邊坡的穩(wěn)定性有較大影響。本文主要闡述了輸水線路沿線膨脹土的成分、分布及發(fā)育特點等，有利于采取正確的處理措施，保證工程安全。

引江濟淮輸水線路膨脹土邊坡處理

1　引言

引江濟淮工程，曾稱江淮運河，它溝通長江、淮河兩大水系，潤澤安徽，惠及河南，造?；春?，是一項具有保障供水、發(fā)展航運、農(nóng)業(yè)灌溉補水和改善環(huán)境等綜合效益的大型跨流域調(diào)水工程。由引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大部分組成，其中引江濟巢段又包括西兆河和菜子湖兩條線路。

輸水線路沿線膨脹土主要分布在淮河以南的江淮、菜巢分水嶺的崗地段，其反復脹縮變形及引起的強度衰減對引水渠道邊坡的穩(wěn)定性有較大影響，分析研究膨脹土性質(zhì)，有助于采取正確的處理措施，保證工程安全。

2　膨脹土特性

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特殊粘性土，這一特性常造成開挖邊坡發(fā)生滑動破壞。其反復脹縮變形及引起的強度衰減對工程的長期安全運行構成隱患。礦物及化學成分和微觀結構是膨脹土具脹縮特性的內(nèi)在因素，而水的參與和干濕變化則是膨脹土產(chǎn)生脹縮變化的外在因素。

2.1膨脹土的礦物和化學成分

采用“X—射線法”對工程沿線分布的膨脹土做了礦物成分和化學成分分析，結果見表1。

該區(qū)膨脹土碎屑礦物的主要成分為石英和長石（斜長石、鉀長石）。碎屑礦物是粗粒部分的主要組成物質(zhì)，其特點是物理、化學性質(zhì)穩(wěn)定或較穩(wěn)定，對土的膨脹特性幾乎沒有影響。

表1　輸水線路膨脹土礦物成分特性一覽表

表2　輸水線路膨脹土化學成分特性一覽表

而粘土礦物中蒙脫石、伊利石等親水礦物對土膨脹性的影響最大。根據(jù)表1，蒙脫石和伊利石合計含量為21%～51%。江淮分水嶺兩種礦物的含量最高，菜巢分水嶺最少。

各線路膨脹土化學成分試驗分析結果見表2。

沿線膨脹土的化學成分以SiO2、Al2O3和Fe2O3為主，三者合計含量87%～91%。其中SiO2含量最高，占61%～77%，Al2O3和Fe2O3的含量次之。這一現(xiàn)象表明，在粗顆粒中石英礦物相對富集，而細小的粘土顆粒中鋁硅酸鹽粘土礦物相對富集。

2.2膨脹土膨脹性分布特點

淮河以南段膨脹土分布長度約93km，主要分布在菜巢、江淮分水嶺的崗地段。

2.2.1膨脹性分段對比情況

各線路膨脹土長度及膨脹性對比情況見表3。

在引江濟巢段菜子湖線路和江淮溝通兩條線路中，膨脹土均有大量分布，而江淮溝通段膨脹土分布最長，膨脹土邊坡高度也最大；菜子湖線路最短，局部有強膨脹土分布，但分布很短。

土體膨脹力的大小也與膨脹土分級有一定關系，弱膨脹土的膨脹力一般約20kPa，而中膨脹土膨脹力約40kPa，而強膨脹土膨脹力大于50kPa。

2.2.2膨脹性與地形地貌的關系

根據(jù)此次礦物成分分析成果，對比樣品取樣高程發(fā)現(xiàn)，同一地貌、地質(zhì)單元，蒙脫石、伊利石和自由膨脹率均與樣品的取樣高程有一定的線性關系。即隨著樣品取樣高程的增加，蒙脫石、伊利石的含量和自由膨脹率均逐漸增加。江淮溝通段蒙脫石含量與取樣高程關系散點圖、自由膨脹率與取樣高程關系散點圖見圖1、圖2。

表3　輸水線路各等級膨脹土分布一覽表

圖1　江淮溝通段蒙脫石含量與取樣高程關系圖

圖2　江淮溝通段自由膨脹率與取樣高程關系圖

經(jīng)統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，就土的膨脹性來說，分水嶺、崗地頂部＞崗坡＞崗底。就江淮分水嶺而言，南坡膨脹性＞北坡。這種差異可能與土體的搬運堆積、大氣環(huán)境改造有密切關系。

2.3膨脹土中裂隙發(fā)育特點

膨脹土裂隙按成因可分為原生裂隙和次生裂隙。

原生裂隙是指土沉積和固結過程中形成的裂隙（結構面），它是由于沉積環(huán)境變化、溫度、濕度和壓密等作用產(chǎn)生的結構面。包括沉積層理、沉積間斷等原生長大結構面和土體壓密固結過程中所形成的裂隙。

次生裂隙是指土體受構造、卸荷、風化作用和脹縮作用所產(chǎn)生的裂隙，如卸荷裂隙、風化裂隙、脹縮裂隙、構造裂隙等。其中卸荷裂隙是因土體中應力釋放和調(diào)整而產(chǎn)生，膨脹土深挖方段開挖引起土體卸荷及裂隙擴張可能對后期邊坡穩(wěn)定有著重要影響。而干濕循環(huán)則在大氣影響深度范圍內(nèi)形成密集的微裂隙（脹縮裂隙），是產(chǎn)生淺表型脹縮變形破壞的主要因素。

而長大裂隙多是原生裂隙（原生結構面）在外部環(huán)境因素影響下進一步改造的產(chǎn)物。這種裂隙多位于“非影響帶”內(nèi)，產(chǎn)狀較平緩，經(jīng)過后期改造，常形成灰綠色粘土充填、光滑的軟弱結構面。當與中、陡傾角的卸荷裂隙組合，并達到一定的連通率后，即可能產(chǎn)生中、深層裂隙型滑坡。是膨脹土邊坡工程中不可忽視的破壞因素。

根據(jù)南水北調(diào)中線工程經(jīng)驗，膨脹土裂隙發(fā)育密度與土體膨脹性關系密切，中～強膨脹土裂隙發(fā)育密度大于弱膨脹土。而地形地貌也對膨脹土裂隙發(fā)育密度有重要影響，地面高程越高，裂隙發(fā)育密度呈增大趨勢。膨脹土邊坡設計時，應注意膨脹土中裂隙對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3　膨脹土邊坡的抗剪強度取值

“大氣影響帶”內(nèi)的膨脹土，脹縮型微裂隙密集，土體被微裂隙切割成近散體狀，因而建議采用殘余強度值；對“非影響帶”內(nèi)的膨脹土，采用折減法取值?？紤]到中～強膨脹土裂隙發(fā)育密度大于弱膨脹土，因而對中、強膨脹土加大了折減力度。建議在輸水河道工程指標建議值的基礎上，弱膨脹土凝聚力和內(nèi)摩擦角分別按75%和95%取值；中膨脹土凝聚力和內(nèi)摩擦角分別按65%和85%取值；強膨脹土凝聚力和內(nèi)摩擦角分別按55%和80%取值。

4　膨脹土邊坡處理建議

對于邊坡高度大于10m的弱膨脹土渠段，建議采用放坡處理，坡比不宜陡于1∶3，并應根據(jù)坡高設置必要數(shù)量和寬度的平臺。

對于邊坡高度大于15m的中、強膨脹土渠段，易產(chǎn)生中、深層裂隙型滑坡，因而建議考慮采用錨固、抗滑樁等措施處理。

膨脹土邊坡坡面處理方面，應以盡量減少邊坡內(nèi)土體的干濕交替作用為主要原則，如換填一定厚度的非膨脹土或邊坡表土改性等，并輔以必要的排水、導水工作。

不僅要做好坡面換填防護，在坡頂和坡底一定寬度范圍內(nèi)進行換填也很重要。

對于換填厚度，參照南水北調(diào)中線工程經(jīng)驗，結合該區(qū)“大氣影響急劇層深度”，以及該區(qū)各等級膨脹土膨脹力大小規(guī)律，弱膨脹土垂直換填厚度可為1.0m，中膨脹土垂直換填厚度可為1.0～1.5m，強膨脹土垂直換填厚度可為2.0m。

5　結語

引江濟淮工程中江淮、菜巢分水嶺的崗地均分布有大量膨脹土，近百公里渠道均在膨脹土中開挖，膨脹土特有的礦物成分和微結構特征，對土體強度降低作用非常明顯，容易引起邊坡失穩(wěn)問題。在實際工程應用中，進行渠道邊坡設計、核算其邊坡穩(wěn)定性時，需結合工程特點，根據(jù)膨脹土的工程特性和所處的不同位置，著重從影響其物理力學性質(zhì)變化的內(nèi)、外在因素上考慮，合理地選擇抗剪強度指標。并采用放緩邊坡、增設平臺以及抗滑樁等措施，同時做好地面排水防滲措施，防止膨脹土因遇水膨脹、失水收縮降低強度，以保證邊坡的穩(wěn)定性■