南水北調(diào)渠道膨脹土復(fù)核勘察與防治措施研究

柳東亮，蘭景巖

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

1 工程概況

南水北調(diào)中線總干渠設(shè)計(jì)樁號(hào)172+000～173+100渠段位于河北省高邑縣南焦村東南約1.4km處。渠道施工期間發(fā)現(xiàn)該渠段局部灰綠色膨脹性黏土含量較高，具備膨脹土特性。為徹底查明該段渠道巖土特性，分別對樁號(hào)172+000～172+500、樁號(hào)172+500～173+100渠道進(jìn)行了勘察、取樣工作。

2 勘察方法及工作量

本階段勘察采用鉆探結(jié)合坑槽探的取樣方法，共布置9個(gè)鉆孔和13個(gè)探坑。取原狀樣14個(gè)，擾動(dòng)樣8個(gè)，室內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目包括：天然含水率、密度、比重、顆粒分析、液塑限、壓縮試驗(yàn)、快剪試驗(yàn)、膨脹性試驗(yàn)和濕化試驗(yàn)等。

3 地質(zhì)概況

3.1 地形地貌

渠段樁號(hào)172+000～173+100所處地貌單元為山前傾斜平原，地勢為西南高東北低，地面高程83.70～85.90m，地勢較平坦，該段渠道主要為挖方施工。渠道上口寬72m，底寬22m，邊坡設(shè)計(jì)坡比1∶2.0，渠底設(shè)計(jì)高程74.649～74.605m。左、右渠坡設(shè)一級馬道，馬道寬5m，高程81.999～81.955m，設(shè)計(jì)開挖深度8.6～11.0m。

3.2 地層巖性

地層巖性由上至下分述如下：

黃土狀壤土：黃褐色，稍濕，可塑，局部夾碎石，出露于地表，厚0.6～1.4m。

3.2.2 第四系下更新統(tǒng)下段冰磧層（fglQ1）

（1） 樁號(hào)172+000～172+500上部以壤土為主，灰黃、棕紅色，局部灰綠色，稍濕～干燥，可塑～硬塑，部分微含碎石，局部夾卵礫石。該層左邊坡厚度一般在2m左右，右邊坡一般厚度4～8m。樁號(hào)172+400鉆孔揭露在孔深2.7～3.7m和6.8～7.8m夾有灰綠色黏土。其中樁號(hào)172+000～172+300渠底以上揭露較大厚度的含黏土中砂，棕紅色，局部灰綠色，稍濕，密實(shí)，局部膠結(jié)強(qiáng)度較高；該層在渠道左邊坡揭露厚度較大，一般厚度為7m，右邊坡一般揭露厚度2.7～4.2m。

（2） 樁號(hào)172+500～173+100上部壤土厚度一般1m左右，灰白、灰綠色，局部黃褐色，含少量礫石，干燥，堅(jiān)硬。一級馬道以下大部為黏土，灰白、灰綠色，土質(zhì)不均勻，局部含碎石、中砂，堅(jiān)硬。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

依據(jù)2004年4月中國地震局分析預(yù)報(bào)中心對南水北調(diào)中線工程地質(zhì)段地震危險(xiǎn)性復(fù)核報(bào)告《南水北調(diào)中線工程沿線設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃報(bào)告》劃定：地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)。

3.4 水文地質(zhì)條件

本渠段勘察期間正值汛期，渠道樁號(hào)172+000～172+300左側(cè)鉆孔均揭露地下水，一般水位高程80.2～81.6m，分析認(rèn)為揭露水位為大氣降雨入滲造成的高水位，依據(jù)前期勘察資料和本段地層巖性特征，真實(shí)地下水位埋深較大。

4 試驗(yàn)成果及分析

4.1 試驗(yàn)成果

該渠段經(jīng)過勘察、試驗(yàn)。第一次試驗(yàn)渠段為樁號(hào)172+000～172+500，試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)如表1；第二次試驗(yàn)渠段為樁號(hào)172+500～173+100，試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)如表2。

4.2 成果分析

4.2.1 樁號(hào)172+000～172+500

（1）壤土（fglQ1）。液性指數(shù)為-0.5～0.2，黏粒含量在7.1%～29.1%；飽和抗剪指標(biāo)：摩擦角18.6°～35.2°，黏聚力15.3～49.2kPa；自由膨脹率5%～37.5%，膨脹力5～40kPa；14組試樣均不具膨脹性，但有一組數(shù)據(jù)自由膨脹率37.5%，膨脹力40kPa，該試樣取樣位置在樁號(hào)172+300右側(cè)一級馬道下1m。

（2）黏土（fglQ1）。在樁號(hào)172+400僅有兩處發(fā)育，黏土層向樁號(hào)172+500方向延伸且不斷擴(kuò)展，局部尖滅；液性指數(shù)-0.2，黏粒含量40.3%～45.8%；飽和抗剪指標(biāo)： 內(nèi)摩擦角16°，黏聚力17.3kPa； 自由膨脹率42.5%，僅有2組試樣均具有弱膨脹性。

（3）含黏土中砂（fglQ1）。黏粒含量1.2%～30.7%；飽和抗剪指標(biāo)：內(nèi)摩擦角26.9°～35°，黏聚力20kPa；自由膨脹率0%～30%，平均值10%，膨脹力0～5kPa，4組試樣均不具有弱膨脹性。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)（樁號(hào)172+000～172+500）

表2 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)（樁號(hào)172+500～173+100）

4.2.2 樁號(hào)172+500～173+100

（1）壤土（fglQ1）。以灰白色為主，雜灰綠色和棕黃色，土質(zhì)不均含小礫石，堅(jiān)硬。液性指數(shù)-0.35～-0.20，黏粒含量19.1%～29.8%； 飽和抗剪指標(biāo)： 摩擦角27.3°～31.5°，黏聚力15.3～54.3kPa；自由膨脹率32%～49%，有荷（50kPa）膨脹率0，無荷膨脹率0.7%～3%，膨脹力8.2～11.8kPa，3組試樣有1組具有弱膨脹性；土遇水崩解能力較弱，一組試樣在17h內(nèi)崩解量僅為3.8%。

（2）黏土（fglQ1）。以灰白色為主，雜灰綠色和棕黃色，土質(zhì)不均，局部含碎石、砂粒，堅(jiān)硬，液性指數(shù)-0.45～-0.03，黏粒含量30.1%～41.5%；飽和抗剪指標(biāo)：內(nèi)摩擦角12.6°～32.5°，黏聚力19.8～85.8kPa；自由膨脹率21.0%～57%，平均值43.1%；有荷（50kPa）膨脹率0，無荷膨脹率0.4%～6.9%，膨脹力0.4～9.4kPa，10組試樣有7組具有弱膨脹性；土遇水崩解能力較弱。

5 復(fù)核勘察

依據(jù)兩次勘察、試驗(yàn)成果，復(fù)核結(jié)論如下：

（1） 本次勘察渠段以冰水磧黏土為主，壤土次之，局部夾卵石和砂礫層。根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，并結(jié)合試驗(yàn)成果，結(jié)論如下：①壤土層大部不具膨脹性，僅少量具弱膨脹性； ②夾層卵石和砂礫均不具膨脹性；③膨脹性土因含親水性黏粒（蒙脫石、伊利石等）而具膨脹性，根據(jù)規(guī)范自由膨脹率大于40%可定性為膨脹土，結(jié)合現(xiàn)場勘察和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，膨脹性土主要為灰綠色黏土，其分布不均勻，特性差異較大，一般地層中膨脹性土含量超過40%具備膨脹性。

（2）樁號(hào)172+000～172+300渠底以上巖土膨脹性較小，均達(dá)不到弱膨脹性的特性；樁號(hào)172+300～172+400渠基主要為壤土層和含黏土中砂，渠道右側(cè)夾有中砂和卵石，試驗(yàn)表明試樣自由膨脹率均小于40%，壤土層局部自由膨脹率37.5%，膨脹力40kPa，已接近弱膨脹性土的特性；樁號(hào)172+400～172+500渠道一級馬道下不均勻分布2處以上厚度1m左右灰綠色黏土夾層，其自由膨脹率42.5%，具有弱膨脹性；樁號(hào)172+500～173+100渠段采樣13組，其中有8組自由膨脹率試驗(yàn)值大于40%，占試驗(yàn)總數(shù)的61.5%，自由膨脹率平均值48.3%，最大自由膨脹率57%，介于40%～65%，根據(jù)規(guī)范判定其具弱膨脹潛勢。其余5組自由膨脹率小于40%，自由膨脹率平均值32.6%，判定為不具膨脹潛勢。土樣取樣間距100m，宏觀上本段土層為同一時(shí)代、同一成因，僅局部土粒礦物成分有所差異，反應(yīng)為膨脹性隨機(jī)性較大。因此，可判定本渠段大部具弱膨脹性。

6 膨脹巖土危害及防治措施

6.1 膨脹巖土的危害

膨脹土主要是由親水性礦物（例如蒙脫石、伊利石、高嶺石等）組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土。由膨脹土本身特性決定了該類型土體浸水后承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育。從而導(dǎo)致地基變形過大引起建筑物開裂、傾斜甚至倒塌；建筑物沉陷；膨脹力致使支擋結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)等。

6.2 防治措施

膨脹巖土的問題對工程來說影響很大，同時(shí)也是比較難解決的問題之一。對膨脹巖土的處理，不但受其自身的工程特性的影響，還受工程類型的影響，不同的工程類型處理的措施也不一樣。對于渠道工程可選用的處理措施有：

（1）采用非膨脹土進(jìn)行換填。換填的厚度可依據(jù)大氣影響深度及膨脹土的類型決定，一般1.0～2.0m，換填料材料可采用滿足質(zhì)量的非膨脹土，經(jīng)石灰、水泥、煤渣改良的灰土等。

（2）優(yōu)化基礎(chǔ)形式，改變土體的整體受力條件。較多采用的就是削坡減載，在渠坡下部或坡腳采用合適的支擋結(jié)構(gòu)（如抗滑樁、擋土墻、砌石聯(lián)拱等）進(jìn)行處理，亦可在膨脹土體中分層加入適當(dāng)?shù)募咏畈牧闲纬杉咏铙w，從而改善土體整體受力。

（3）水是膨脹土的外部起因條件，防止表水的滲入，控制含水量變化范圍也是比較好的處理措施，可優(yōu)先采用土工格柵（室）或土工膜進(jìn)行處理。

（4）改良膨脹土的土性?？刹捎秒娀瘜W(xué)土壤處理劑、堅(jiān)土酶、生態(tài)改性劑，化學(xué)劑離解出H+離子與膨脹土中的親水陽離子產(chǎn)生化學(xué)交換作用，從而可提高土體強(qiáng)度，減小膨脹性。

6.3 防治措施分析比較

膨脹土的防治措施有很多，各有特點(diǎn)，針對性也各有不同。非膨脹土進(jìn)行換填法是最環(huán)保、有效的方法之一，但由于換填深度不易確定，且存在非膨脹土土源及膨脹土的棄土等問題，故該方法主要適用于非膨脹土源豐富且便于棄土的渠段； 改良的加筋土體對提高整體抗滑能力有較好的效果，但對于淺層渠坡的抗滑長期效果不明顯； 減少荷載與支擋結(jié)構(gòu)不適于強(qiáng)膨脹的土體；土工格柵（室）與土工膜，雖然施工簡便，但存在環(huán)保問題；各類化學(xué)改良劑施工較為方便，但環(huán)保的可靠性還有待進(jìn)一步研究； 摻水泥、石灰、粉煤灰等土體改性，雖對提高土體強(qiáng)度效果明顯，但使用面積和材料受限制。

6.4 渠道防治措施

依據(jù)勘察資料和試驗(yàn)成果，樁號(hào)172+000～172+300渠道地層巖性不符合膨脹土特征，按原設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工；樁號(hào)172+300～173+100渠段地層巖性符合膨脹土特征，且具弱膨脹性，需采取處理措施。

針對本段渠道工程特征和地質(zhì)條件，對膨脹土危害的防治可采取如下工程措施：

（1）為保持開挖渠道渠坡的穩(wěn)定，應(yīng)采用控制邊坡坡度。可參照已有運(yùn)行正常渠道的渠坡調(diào)查坡比進(jìn)行，如表3。結(jié)合膨脹土試驗(yàn)段邊坡的穩(wěn)定情況，參考膨脹土地區(qū)已建工程邊坡的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)膨脹性分等，并結(jié)合實(shí)際工程渠坡的高度提出的南水北調(diào)中線工程弱膨脹土渠坡處理后坡比設(shè)計(jì)建議值取1∶2。

表3 膨脹土渠坡坡比調(diào)查

（2）參考已建工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推薦弱膨脹土渠道一級馬道以上進(jìn)行防護(hù)處理，一級馬道以下?lián)Q填或改性處理厚度0.6～1.0m。膨脹土渠段具體換填或改性處理厚度須根據(jù)該渠段所在膨脹性等級的膨脹性強(qiáng)弱、膨脹土分布不均勻性等綜合確定。

7 結(jié)語

通過對疑似膨脹土渠道的補(bǔ)充勘察和試驗(yàn)，進(jìn)一步確定了巖土的膨脹特性和等級，在了解膨脹土危害和比較防治措施適用性基礎(chǔ)上，針對該段干渠工程地質(zhì)條件、工程特性及就近資源的特點(diǎn)，為渠道邊坡設(shè)計(jì)和施工提出了防治措施建議。