南水北調(diào)中線干線磁縣段膨脹土施工及滑坡技術(shù)處理

邵玉恩

膨脹土處理是水利工程施工中的一項(xiàng)難題，在南水北調(diào)中線干線工程施工中，磁縣段分布有大量的膨脹土，為渠道工程的安全帶來(lái)極大隱患。在工程施工中，通過(guò)換填、加厚襯砌、加強(qiáng)防滲等措施解決了膨脹土施工的難題。南水北調(diào)中線工程自2014年10月通水以來(lái)，一直保持著安全穩(wěn)定的運(yùn)行。此文對(duì)南水北調(diào)中線干線磁縣段膨脹土施工技術(shù)，以及膨脹土渠段在施工過(guò)程中發(fā)生滑坡的成因分析及處理措施進(jìn)行了總結(jié)和回顧，對(duì)其他水利工程設(shè)計(jì)和施工中類(lèi)似問(wèn)題的技術(shù)處理具有重要參考意義。

1.膨脹土施工技術(shù)概述

1.1 基本情況

南水北調(diào)中線干線磁縣段工程以冀豫交界處的漳河北為起點(diǎn)（樁號(hào)為0＋000），至磁縣與邯鄲縣交界的河北村為終點(diǎn)（樁號(hào)為40+056），工程全長(zhǎng)40.056km。渠道為梯形斷面型式，設(shè)計(jì)流量235m3/s，加大流量265m3/s，受地形起伏變化影響，分為全挖、全填、半挖半填3 種型式。

磁縣段工程地質(zhì)巖性多變，比較復(fù)雜。渠線分布膨脹性巖（土）總長(zhǎng)13.579km，其中強(qiáng)膨脹土4.371km，中膨脹2.36km，弱膨脹6.848km。

膨脹土是土中黏粒成分主要由親水性礦物組成、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，性質(zhì)極不穩(wěn)定。常使建筑物產(chǎn)生不均勻的豎向或水平的脹縮變形，造成位移、開(kāi)裂、傾斜甚至破壞，危害性很大。

1.2 存在問(wèn)題

在初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)膨脹土渠段地基采用以放坡和換填黏性土措施為主的處理措施。按照膨脹土強(qiáng)弱性質(zhì)，一級(jí)馬道以下強(qiáng)、中膨脹土換填厚度分別為2.5、2.0m；一級(jí)馬道以下渠坡、渠底混凝土襯砌板厚度分別為10cm、8cm。

2010年汛期，在南水北調(diào)中線干線工程施工過(guò)程中，安陽(yáng)膨脹巖渠段已經(jīng)進(jìn)行換填處理的渠坡出現(xiàn)了失穩(wěn)滑坡現(xiàn)象，為減小運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高安全度，2010年 10月和 12月，南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局2 次在北京組織召開(kāi)會(huì)議，專(zhuān)題研究膨脹土渠段處理方案優(yōu)化工作，并下發(fā)了會(huì)議紀(jì)要。國(guó)務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室要求對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化修改，尤其是加強(qiáng)一級(jí)馬道以下過(guò)水?dāng)嗝媲碌脑O(shè)計(jì)安全度。

1.3 技術(shù)措施

基于以上情況，對(duì)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了變更。主要內(nèi)容為：增加換填厚度。地下水位在渠底以上的強(qiáng)膨脹及挖深大于15m 的中膨脹土渠段換填厚度分別增加到3.5m 和2.5m。弱膨脹土換填厚度1.0m。將渠坡渠底混凝土襯砌板厚度增加到15cm。過(guò)水?dāng)嗝嬉陨系那?，換填土表層采用六邊混凝土框格防護(hù)。為避免匯入一級(jí)馬道排水溝的坡面水滲入膨脹土體內(nèi)，在弱膨脹土渠段一級(jí)馬道排水溝下鋪設(shè)復(fù)合土工膜。2011年8月，國(guó)務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室對(duì)設(shè)計(jì)方案變更進(jìn)行了批復(fù)。

同時(shí)，由于設(shè)計(jì)方案的變更，膨脹土換填所需土料大量增加，因?yàn)榉弦蟮耐亮陷^少，征地又非常困難。為了有效地利用渠道開(kāi)挖弱膨脹土，采用弱膨脹土摻加水泥改性的方法。通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定水泥改性土水泥摻量4%，填筑壓實(shí)度為98%的方案。該方案經(jīng)過(guò)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院審查通過(guò)。在施工過(guò)程中，通過(guò)對(duì)改性膨脹土的料源、水泥摻量、拌合均勻度、土料含水量、粒徑、換填面處理、填筑工藝等進(jìn)行嚴(yán)格控制。各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)安全監(jiān)測(cè)設(shè)備觀測(cè)的變形量，均在合理變化范圍內(nèi)。磁縣段共利用水泥改性土約90 萬(wàn)m3，有效解決了換填土料料源不足的問(wèn)題。

2.施工中膨脹土渠段滑坡技術(shù)處理

磁縣段膨脹土渠坡在施工期間共發(fā)生3 處滑坡，分別位于樁號(hào)12+880～13+340 渠段、樁號(hào) 28+015～28+039 左坡以及樁號(hào)31+150～31+395 右坡，由于滑坡成因機(jī)理不同，分別采取不同的處理措施。

檢測(cè)膨脹土壓實(shí)度 邵玉恩攝

2.1 樁 號(hào) 12+880～13+340 渠 段 滑坡處理

樁號(hào)12+880～13+340 渠段為弱膨脹土段，挖方斷面。左側(cè)挖深約18m，右側(cè)挖深11m 左右，過(guò)水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)邊坡1∶2.0，一級(jí)馬道以上邊坡為 1∶2.25，二級(jí)馬道以上邊坡為1∶2.0，膨脹土渠坡處理采取換填措施，換填黏性土厚度為1.0m。滑坡前樁號(hào)12+880～13+000 開(kāi)挖至渠底高程，樁號(hào)13+000～13+340開(kāi)挖至一級(jí)馬道以下2m 左右。

2012年 8月1日日 ，由 于 連 續(xù) 降雨，該段左、右坡在出現(xiàn)滑坡，其中左坡兩處較為嚴(yán)重，有明顯的原生結(jié)構(gòu)面，滑面呈蠟狀光澤，右坡坡面出現(xiàn)蠕滑，坡面分布有縱向裂縫。

為了查明滑裂面的位置及滑坡成因，在左、右渠坡開(kāi)挖橫向探槽1 條，依據(jù)左、右側(cè)滑坡特征，分別對(duì)滑坡采取不同的處理措施。左側(cè)渠坡坡高較大，且具有明顯的原生結(jié)構(gòu)面，采取抗滑樁+換土方案進(jìn)行滑坡處理，并對(duì)開(kāi)口線外側(cè)永久占地范圍內(nèi)的泥礫土采取黏性土換填防滲處理。左坡共布置抗滑樁 92 根，樁長(zhǎng)為 13m 和 15m，右側(cè)渠坡坡高較小，為淺層蠕滑，采取換土方案。渠坡?lián)Q填土厚度2.5m，渠底換填土厚度1.0m。換填層底部按照渠基排水要求布設(shè)排水盲溝和軟式透水管。

為了監(jiān)測(cè)滑坡處理效果，在抗滑樁內(nèi)埋設(shè)測(cè)斜管2 支，增加抗滑樁位移變形測(cè)點(diǎn)5 個(gè)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，變形量均在合理范圍內(nèi)，處理效果良好。

膨脹土換填施工現(xiàn)場(chǎng) 邵玉恩攝

2.2 樁 號(hào) 28+015～28+039 左 坡 滑坡處理

樁號(hào) 28+015～28+039 渠段，為弱膨脹土渠段，挖方斷面。挖深約22m 左右，一級(jí)馬道以下設(shè)計(jì)邊坡1∶2.75，一級(jí)馬道以上至地面設(shè)計(jì)邊坡分別為1：2.25、1∶2、1∶1.75。膨脹渠坡處理采取換填措施，換填黏性土厚度為1.0m。

2013年3月初，該渠段左坡出現(xiàn)滑塌，長(zhǎng)度約20m，并順坡向延伸至一級(jí)馬道以上位置。針對(duì)滑坡發(fā)展情況，對(duì)滑坡體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，開(kāi)挖探槽1 條，基本探明滑裂面的深度、范圍和滑坡原因。由于地層結(jié)構(gòu)為上部泥礫，中部砂夾砂巖，下部膨脹性黏土巖的3 層結(jié)構(gòu)。砂夾砂巖及膨脹性黏土巖自北西向南東傾斜，且砂夾砂巖為含水層，坡腳局部膨脹土裂隙較為發(fā)育，地下水自含水層內(nèi)沿巖層分界面向外流動(dòng)，形成溢出通道，浸濕黏土巖表面，流入黏土巖裂隙內(nèi)。由于水的作用，表層膨脹性黏土巖反復(fù)脹縮，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，且渠道表層土體接近飽和，強(qiáng)度降低，表層松軟飽和的土體沿節(jié)理裂隙面發(fā)生滑動(dòng)形成滑坡。

根據(jù)該滑坡體的失穩(wěn)特征和滑坡成因，經(jīng)分析研究，采取清除滑坡體、抗滑擋墻與支撐滲溝相結(jié)合等措施對(duì)滑塌部位進(jìn)行處理?？够瑩鯄Σ捎寐袷炷粒掠?013年6月處理完成后，渠段穩(wěn)定性良好。

2.3 樁 號(hào) 31+150～31+395 右 坡 滑坡處理

樁號(hào) 31+150～31+395 渠段，為中膨脹土渠段，挖方斷面。右坡平均挖深約11m 左右，最大挖深13.5m，最小挖深9.5m，一級(jí)馬道以下設(shè)計(jì)邊坡1∶2.75，一級(jí)馬道以上設(shè)計(jì)邊坡1：2.5。膨脹土渠坡處理采取換填措施，換填黏性土厚度為2.0m。

2011年汛后，發(fā)現(xiàn)該段右坡坡面出現(xiàn)了2 條貫通性裂縫，前緣向前鼓起，有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。第1 條裂縫位于一級(jí)馬道位置，局部在一級(jí)馬道以上。第2 條裂縫位于過(guò)水?dāng)嗝媲碌闹猩喜?，距一?jí)馬道坡面長(zhǎng)約10m，2 條主裂縫兩側(cè)形成多條分支裂縫，局部坡面存在滲水出逸點(diǎn)。經(jīng)分析滑坡的主要原因在于開(kāi)挖坡面由于長(zhǎng)時(shí)間暴露于大氣中，土巖體原生裂隙失水開(kāi)裂，逐漸形成貫通性裂隙，透水能力顯著增加，由于降水和坡面水流入滲，使土巖體產(chǎn)生膨脹變形，如此反復(fù)，導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，土體沿滑動(dòng)面下滑，向前鼓起，同時(shí)帶動(dòng)后部土體向下滑動(dòng)，產(chǎn)生張拉裂縫。導(dǎo)致渠道右側(cè)邊坡滑坡失穩(wěn)。

根據(jù)該滑坡體的失穩(wěn)特征和滑坡原因分析，經(jīng)分析研究，采取清除滑坡體，換填黏性土處理措施。換填厚度6m，滑坡于2012年9月?lián)Q填施工完成后，渠段穩(wěn)定性良好。

3.結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)工程作為世界上最大的調(diào)水工程，在工程設(shè)計(jì)和施工中遇到的難題是前所未有的。目前，中線總干渠通水已超過(guò)5年，工程運(yùn)行狀態(tài)保持穩(wěn)定，膨脹土渠段的技術(shù)處理措施得到了很好的驗(yàn)證。這些技術(shù)措施將為其它水利工程的設(shè)計(jì)和施工起到技術(shù)引領(lǐng)和示范帶頭作用，具有極其重要的借鑒意義。