南水北調(diào)膨脹巖邊坡膨脹等級(jí)復(fù)核分析

張永央

（河南省水利勘測(cè)有限公司）

0 引言

膨脹巖是一種常見(jiàn)的特殊巖土，在中國(guó)廣泛分布，膨脹巖對(duì)水分狀態(tài)的變化十分敏感，這種敏感會(huì)引起膨脹巖體積和強(qiáng)度的變化，危害建筑物安全。膨脹巖以對(duì)工程危害大、工程處理難度大、處理費(fèi)用高，被工程界喻為多問(wèn)題、難對(duì)付的巖土。充分研究膨脹巖的工程地質(zhì)特征、做好工程地質(zhì)勘察是保障工程質(zhì)量、工程安全的前提，施工過(guò)程中對(duì)開(kāi)挖揭示的膨脹巖進(jìn)行膨脹等級(jí)復(fù)核則是保障工程建設(shè)質(zhì)量的又一道屏障，施工開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)開(kāi)挖揭示后的膨脹巖膨脹等級(jí)進(jìn)行復(fù)核，以便設(shè)計(jì)單位調(diào)整邊坡的處理措施，指導(dǎo)施工。

1 工程背景

南水北調(diào)中線一期工程總干渠某渠段位于河南省西南部，地處暖溫帶和北亞熱帶氣候交錯(cuò)的邊緣地區(qū)，氣候具有明顯的過(guò)渡性特征，多年平均降雨量約830 mm，地貌單元屬丘陵崗地向平原的過(guò)渡地帶，渠道由膨脹巖渠道段、非膨脹巖渠道段組成，其中膨脹巖渠道段地勢(shì)上南高北低、西高東低，地貌單元為丘陵崗地，地形平坦開(kāi)闊，無(wú)自然陡坎，渠道由南向北穿過(guò)該丘陵崗地，地面高程145.10～128.00 m，渠底設(shè)計(jì)高程約123.26 m，文中案例膨脹巖渠道段長(zhǎng)約1.10 km，渠道邊坡巖性主要為上第三系中新統(tǒng)洛陽(yáng)組（N1L）的粘土巖、泥灰?guī)r和第四系中更新統(tǒng)重粉質(zhì)壤土，其中粘土巖呈棕紅色局部夾雜灰綠色、灰白色，灰綠色與棕紅色粘土巖呈漸變關(guān)系，包含鈣質(zhì)團(tuán)塊，粒徑一般1～2 cm，巖體裂隙發(fā)育，傾角一般40～70°，節(jié)理面光滑，有鏡面擦痕，場(chǎng)區(qū)地下水位高于建基面高程，水位變幅3～5 m，膨脹巖邊坡存在干濕交替現(xiàn)象；工程勘察時(shí)自由膨脹率試驗(yàn)組數(shù)為60組，自由膨脹率范圍值40%～99%，按40%≤δef＜65%具弱膨脹潛勢(shì)，65%≤δef＜90%具中膨脹潛勢(shì)，δef≥90%具強(qiáng)膨脹潛勢(shì)，渠段粘土巖主要具弱膨脹潛勢(shì)，局部具中～強(qiáng)膨脹潛勢(shì)。渠道屬全自流渠道，渠道底寬度25 m，最大挖深約22 m，設(shè)計(jì)邊坡坡比1∶2.00～1∶2.50，過(guò)水?dāng)嗝嫒珨嗝嬉r砌，場(chǎng)區(qū)內(nèi)膨脹巖廣泛分布。

2 膨脹等級(jí)復(fù)核的技術(shù)路線

2.1 膨脹等級(jí)復(fù)核的初判

2.1.1 失水后干裂情況鑒別

開(kāi)挖后的巖體在自然狀態(tài)下暴露，觀察其失水后碎裂情況及碎塊狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)渠段粘土巖通常經(jīng)歷遇水、失水后收縮干裂成約菜花狀的碎塊，符合膨脹巖巖體干裂外觀特征鑒別表（詳見(jiàn)表1）中的中～強(qiáng)膨脹潛勢(shì)的特征，可鑒別為粘土巖具中～強(qiáng)膨脹潛勢(shì)。

表1 膨脹巖巖體干裂外觀特征鑒別表

2.1.2 水中崩解速度鑒別

現(xiàn)場(chǎng)條件下取新開(kāi)挖的膨脹巖巖塊，重量約300 g，在室溫狀態(tài)下，放置于靜止的透明容器內(nèi)，用導(dǎo)管從底部加入蒸餾水，水面高于巖塊約2 cm，觀察膨脹巖在水中的崩解速度，根據(jù)試樣浸水試驗(yàn)的崩解速率，符合水中崩解速度鑒別表（詳見(jiàn)表2）中的中膨脹潛勢(shì)特征，可鑒別粘土巖具中膨脹潛勢(shì)。

表2 水中崩解速度鑒別表

2.1.3 巖體裂隙發(fā)育情況鑒別

膨脹土（巖）依據(jù)其自由膨脹率的大小分為強(qiáng)、中和弱膨脹土（巖），其膨脹性強(qiáng)弱與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙的分布以及礦物成分等有關(guān)，據(jù)此，現(xiàn)場(chǎng)可統(tǒng)計(jì)膨脹巖巖體的裂隙發(fā)育程度，進(jìn)行膨脹等級(jí)的鑒別。新開(kāi)挖的邊坡長(zhǎng)（大）裂隙較發(fā)育，經(jīng)統(tǒng)計(jì)延伸長(zhǎng)度>50 cm的裂隙，密度一般約為1條/m；原生小裂隙，延伸長(zhǎng)度一般＜50 cm，密度約為3～5 條/m，裂隙面一般弧形且光滑有蠟質(zhì)光澤，傾角一般約45～55°。符合巖體裂隙發(fā)育情況鑒別表（詳見(jiàn)表3）中的中膨脹潛勢(shì)特征，可鑒別粘土巖具中膨脹潛勢(shì)。

表3 巖體裂隙發(fā)育情況鑒別表

初判綜述：經(jīng)編錄、測(cè)量，粘土巖中原生裂隙較多，延伸長(zhǎng)度一般10～80 cm，最長(zhǎng)者約2.30 m，該粘土巖有臨空面后極易沿裂隙面形成塌滑現(xiàn)象；裂面光滑細(xì)膩，多為灰綠色，雜有灰黑色鐵錳質(zhì)浸染薄膜或斑紋。裂隙方向不規(guī)則，主要的裂隙有三組：①傾向275～308°，傾角多為52～76°，個(gè)別16°；②傾向186～240°，傾角多為40～50°；③傾向98～145°，傾角38～52°；另有許多網(wǎng)狀微裂隙，產(chǎn)狀不規(guī)律?，F(xiàn)場(chǎng)各個(gè)坡面粘土巖均見(jiàn)有崩塌現(xiàn)象，左右岸邊坡發(fā)生滑坡可能性大。經(jīng)持續(xù)觀測(cè)，粘土巖結(jié)構(gòu)較致密，多呈硬塑土狀，初期天然強(qiáng)度較高，微觀結(jié)構(gòu)均有隱蔽微裂隙，裂面光滑細(xì)膩，方向不規(guī)則，隨著巖體干濕交替、卸荷回彈等影響裂隙逐漸顯現(xiàn)，坡面上粘土巖節(jié)理裂隙面發(fā)育迅速。經(jīng)初判段內(nèi)粘土巖具中～強(qiáng)膨脹潛勢(shì)。

2.2 膨脹等級(jí)復(fù)核的復(fù)判

根據(jù)膨脹等級(jí)復(fù)核的技術(shù)路線及初判結(jié)果，需對(duì)渠段膨脹巖膨脹等級(jí)進(jìn)行復(fù)判，工程師對(duì)段內(nèi)左側(cè)邊坡膨脹巖進(jìn)行取樣復(fù)核工作，按分?jǐn)嗝骐S機(jī)取樣，斷面間距約為100 m，每斷面取樣組數(shù)為3組，共取樣36組，送實(shí)驗(yàn)室作自由膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，粘土巖自由膨脹率范圍值42.00%～86.00%，自由膨脹率>65%的試樣共14 組，具中膨脹潛勢(shì)，占試樣比例為38.90%，中膨脹潛勢(shì)試樣數(shù)>該層試樣總量的1/3，渠段粘土巖具中膨脹潛勢(shì)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表4。

綜合現(xiàn)場(chǎng)膨脹等級(jí)復(fù)核的初判、復(fù)判及施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄情況，研究分析了巖性外觀結(jié)構(gòu)特征、遇水及氣候影響的風(fēng)化崩解情況，綜合判斷為渠段粘土巖具中膨脹潛勢(shì)。根據(jù)對(duì)各期試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）,并參考《南水北調(diào)中線工程膨脹土工程性質(zhì)研究報(bào)告》（長(zhǎng)江勘測(cè)技術(shù)研究所），綜合采用工程類比法提出膨脹巖渠段影響帶、過(guò)渡帶、非影響帶等3帶的參數(shù)建議值，用于渠道邊坡穩(wěn)定性分析、計(jì)算。

3 膨脹巖邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)膨脹巖地層分布情況、邊坡高度，選取樁號(hào)FH0+200、樁號(hào)FH0+800 共2 個(gè)典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。安全系數(shù)同初步設(shè)計(jì)階段的1.35，分設(shè)計(jì)工況、校核工況2種工況，計(jì)算方法采用畢肖普法，經(jīng)復(fù)核，2個(gè)典型斷面中的校核工況下K2分別為1.20、1.14，均不滿足穩(wěn)定的需要，需對(duì)不穩(wěn)邊坡進(jìn)行處理，建議采用目前可行的方案①放緩邊坡方案；②增加換填厚度方案；③抗滑樁方案，可分別對(duì)3 種方案或相互組合方案進(jìn)行比選，選取安全、經(jīng)濟(jì)的處理方案。

表4 自由膨脹率復(fù)核成果表

4 結(jié)論

綜合初判、復(fù)判及施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)編錄成果，經(jīng)分析巖性外觀結(jié)構(gòu)特征、遇水及氣候影響的風(fēng)化崩解情況，渠段粘土巖具中膨脹潛勢(shì)；設(shè)計(jì)單位采用了現(xiàn)場(chǎng)膨脹巖邊坡復(fù)核成果，對(duì)該段邊坡原有的處理措施進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終采用了分段式處理的方式，即根據(jù)挖深、施工環(huán)境分別采用抗滑樁+水泥改性土換填、加厚水泥改性土換填等處理方式對(duì)該渠段膨脹巖邊坡進(jìn)行處理。同時(shí)對(duì)一級(jí)馬道以下部分進(jìn)行全斷面鋼筋混凝土襯砌，全坡面設(shè)置了排水溝、導(dǎo)流溝系統(tǒng)，全坡面進(jìn)行了綠化工作；該工程現(xiàn)已通過(guò)驗(yàn)收并運(yùn)行超過(guò)5a，經(jīng)過(guò)對(duì)典型斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，至今未發(fā)現(xiàn)有異常情況。