南水北調(diào)中線魯山南2段渠道膨脹土處理設(shè)計(jì)

賈 靜 馬少波 岳麗麗 魏鉑佳

南水北調(diào)中線魯山南2段渠道膨脹土處理設(shè)計(jì)

賈 靜 馬少波 岳麗麗 魏鉑佳

膨脹土是高塑性黏土，具有吸水膨脹和失水收縮、浸水后承載力降低、干縮裂隙發(fā)育等特性。就南水北調(diào)中線魯山南2段渠道膨脹土問題，在分析膨脹土破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，介紹了其處理方法及相應(yīng)的處理措施。

渠道 膨脹土 水泥改性土 換填 防滲排水

南水北調(diào)中線魯山南2段位于平頂山市魯山縣境內(nèi)，總長9.780 km，其中渠道長9.066 km，建筑物長0.714 km。渠道為梯形實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面，分全挖、全填、半挖半填3種情況，其中，全挖方渠段長3 263.0 m，全填方渠段長111.0 m，半挖半填渠段長5 692.0 m。本段渠道縱坡采用1/25 000，設(shè)計(jì)流量320 m3/s，加大流量為380 m3/s。渠道設(shè)計(jì)水深為7.0 m，邊坡系數(shù)2.0~2.5，底寬22~24.5 m。渠道采用全斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠坡襯砌混凝土厚10 cm，渠底厚8 cm。襯砌混凝土下鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲。

1 主要地質(zhì)情況及存在問題

1.1 主要地質(zhì)情況

1.1.1 膨脹土分布情況

魯山南2段渠道通過伏牛山山前的壟崗、丘陵地帶及Ⅱ級階地分布有膨脹土，通過膨脹土區(qū)段總長達(dá)6.380 km。其中，具有弱膨脹土的渠段長5.77 km，有0.35 km只分布于渠底板以下；有中等膨脹性土的渠段長0.61 km，全部分布在渠底板以下。膨脹土分布見表1。

表1 魯山南2段膨脹土分布表

1.1.2 地下水分布情況

根據(jù)渠線現(xiàn)狀地下水位埋深、長觀孔資料、渠線勘探孔及附近水井觀測成果，結(jié)合大氣降水資料，并考慮渠線地形地貌、土巖滲透性等，對渠線沿線地下水的最大、最小埋深進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 魯山南2段地下水位及變幅預(yù)測成果表

1.2 存在問題

魯山南2段渠段經(jīng)過膨脹土區(qū)較長，約占本渠段總長70.4%。其顆粒成分主要由黏粒及粉粒組成，富含以蒙托石為主的親水礦物，隱蔽裂隙發(fā)育，裂隙面光滑。在天然狀態(tài)下，多呈堅(jiān)硬、硬塑狀態(tài)，強(qiáng)度一般較高，壓縮性較?。唤笱杆佘浕?、膨脹、崩解以及強(qiáng)度大大降低。反復(fù)脹縮的結(jié)果使得土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，力學(xué)強(qiáng)度隨之降低，對渠坡和渠床產(chǎn)生直接破壞作用，使襯砌遭到破壞，導(dǎo)致渠水外滲，渠道不能正常運(yùn)行。

對于部分地下水位長期高于渠道設(shè)計(jì)水位，且變幅較大、地基以弱膨脹土為主的渠段，地下水會引起膨脹土含水量的變化，進(jìn)而使膨脹土體承載力迅速下降，抗剪強(qiáng)度降低，影響邊坡穩(wěn)定。同時(shí)，地下水位較高，嚴(yán)重影響渠道施工開挖期間的邊坡穩(wěn)定和檢修期渠內(nèi)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2 魯山南2段渠道膨脹土處理措施

膨脹土邊坡失穩(wěn)主要是土體裂隙發(fā)育造成。膨脹土吸水膨脹，裂隙閉合，失水則張開。干濕交替變化，造成膨脹土的反復(fù)膨脹和收縮，最終導(dǎo)致土體松散，破壞土體的完整性，因此，膨脹土邊坡淺層失穩(wěn)的處理措施，核心是斷絕膨脹土與外界的接觸，減少膨脹土的初始含水量發(fā)生變化。其處理技術(shù)主要包括：含水量控制法、換填法、錨固支擋法及加強(qiáng)表層防護(hù)措施等。同時(shí)，在施工時(shí)做好防水保濕：一是要擋住外水使其不進(jìn)入施工基槽；二是盡可能避開雨季施工；三是降低地下水的措施要安全可靠，保證基坑干地施工；四是采用預(yù)留保護(hù)層方法開挖，避免土體長時(shí)間裸露失水收縮干裂，保護(hù)層開挖完畢后緊跟下道工序施工。

針對魯山南2段實(shí)際地質(zhì)情況，對于膨脹土渠段，必須采取處理措施，以保證渠道的安全運(yùn)行。通過施工難易程度、投資、工程處理效果等方面的綜合比較，最終選取水泥改性土換填法，對開挖料進(jìn)行摻水泥改性，消除其脹縮性，提高強(qiáng)度并保持持久穩(wěn)定；為防止施工期或渠道放空檢修期地下水揚(yáng)壓力對邊坡及襯砌板的破壞，以及水位變動引起膨脹土含水量的變化等，采取防滲排水措施，確保邊坡穩(wěn)定。

2.1 水泥改性土換填

對于挖方渠段，在設(shè)計(jì)開挖斷面的基礎(chǔ)上，向渠坡外超挖，然后換填水泥改性土。通過改性土的壓重作用減小下伏膨脹土的膨脹變形，同時(shí)對邊坡還可以起到一定的柔性支擋作用。根據(jù)膨脹土通常在表層發(fā)生破壞的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)卮髿庥绊懠眲由疃?，以及膨脹土地區(qū)已建工程處理的成功經(jīng)驗(yàn)，換土的最小厚度需滿足隔離層抵抗膨脹變形的要求，經(jīng)分析確定弱、中等膨脹土的換土垂直厚度分別為1.0 m和1.5 m，且只對襯砌下 （即一級馬道以下）的膨脹土進(jìn)行換土處理。

對于填方渠段，由于本渠段開挖料量較大，但主要以弱膨脹性黏性土為主，為充分利用開挖料，減少棄土及借土方量，降低工程投資，將弱膨脹土開挖料亦作為填筑用料。但考慮到膨脹土的固有特性，為確保渠道邊坡及襯砌的穩(wěn)定，采用 “金包銀”的填筑方式，即內(nèi)部回填開挖料，外包1.0 m厚水泥改性土。挖方、填方改性土處理措施分別見圖1、2。

圖1 挖方段改性土處理措施圖

圖2 填方段改性土處理措施圖

2.2 防滲排水

通過對本渠段地下水分布情況、地下水水質(zhì)及地形情況等分析，本渠段不具備自流外排條件，故采取自流內(nèi)排方案，將地下水排入總干渠，保證渠道邊坡和襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并減少總干渠的輸水損失。具體措施為：在渠底中部設(shè)置單排集水管，并根據(jù)排水需要設(shè)置逆止閥；邊坡則根據(jù)地下水位高低情況及渠道挖填情況分別布置單排或雙排集水管，同時(shí)設(shè)置逆止閥。按上述原則，并綜合考慮地下水位變化情況，本渠段采取自流內(nèi)排方案渠段總長8 814 m，其中，單排布置渠段長5 368 m，雙排布置渠段長3 446 m。內(nèi)排單排、雙排排水布置分別見圖3、4。

同時(shí)，為了減少渠道滲漏及水頭損失，提高渠道水利用率，以及避免因渠道滲漏引起土體的膨脹變形、強(qiáng)度降低，本渠段采用全斷面混凝土襯砌，并采用復(fù)合土工膜加強(qiáng)防滲。

3 結(jié)語

南水北調(diào)中線魯山南2段膨脹土邊坡采用改性土換填法處理。對于挖方渠段邊坡，在設(shè)計(jì)開挖斷面的基礎(chǔ)上，向渠坡外超挖，然后換填1.0~ 1.5 m厚度的水泥改性土；對于填方渠段，則采用內(nèi)填開挖料，外包1.0 m厚水泥改性土的 “金包銀”的填筑方式。同時(shí)，為防止施工期或放空檢修期地下水揚(yáng)壓力對邊坡及襯砌板的破壞，以及水位變動引起膨脹土含水量的變化等，對襯砌板后設(shè)計(jì)了排水設(shè)施，即利用縱、橫向暗管集水并通過逆止閥排入總干渠，保證渠道邊坡和襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，取得較好的效果。

圖3 暗管內(nèi)排單排排水布置圖

圖4 暗管內(nèi)排雙排排水布置圖

賈 靜 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

馬少波 男 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

岳麗麗 女 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

魏鉑佳 男 助理工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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