輸水管線高陡邊坡管溝水泥土回填研究與應(yīng)用

范志強(qiáng)

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，030024，太原）

大中型管線工程輸水線路選擇受地形和已有建筑物等多種因素的影響，在穿越高陡黃土深溝時(shí)，管道安裝及壓實(shí)回填施工難度較大，開(kāi)挖坡體管溝回填后難以恢復(fù)原貌，安裝管道頂部時(shí)會(huì)出現(xiàn)與管道平行的回填坡道。黃土邊坡破壞可分為兩種形式：邊坡坡體破壞和邊坡坡面破壞。邊坡坡體破壞的產(chǎn)生往往是由于邊坡自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，隨時(shí)間的延續(xù)及外界條件的影響，致使坡體變形，最后局部或整體失穩(wěn)破壞；邊坡坡面破壞通常是邊坡自身強(qiáng)度達(dá)到要求，但是隨著時(shí)間延續(xù)，因水的沖蝕等自然環(huán)境因素的影響導(dǎo)致邊坡坡面土體松動(dòng)甚至失穩(wěn)。

黃土陡坡管溝回填后邊坡一般需要防護(hù)，防護(hù)材料通常包括漿砌石、混凝土塊、噴射混凝土、草皮、植物及生物毯等，施工工序不同且防護(hù)效果各異，雖然能不同程度地解決回填土防沖等問(wèn)題，但因黃土地層遇水沉降等因素的影響，表面防護(hù)必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫甚至塌陷，雨水則會(huì)沿裂縫處不斷沖刷回填土，農(nóng)田灌溉水有可能從防護(hù)層下部灌入，回填土表面會(huì)出現(xiàn)沖溝，嚴(yán)重則造成管道周邊土流失和管道接頭漏水等不良后果，實(shí)施維護(hù)困難，直接影響到輸水管線工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。而管溝采用水泥土回填可有效解決表面沖刷及管底淘刷等問(wèn)題。

一、工程概況

東山供水工程是山西大水網(wǎng)骨干工程之一，是山西省“十二五”期間為提高全省水資源配置能力重點(diǎn)建設(shè)的互連互通工程。工程輸水管（洞）線長(zhǎng)約250 km，調(diào)入?yún)^(qū)地形起伏變化大、地上及地下已有建筑物較多。

根據(jù)工程布置，輸水管線主要位于由大量洪積物堆積形成的傾斜平原，為東北高西南低的緩坡地形。輸水管線沿線溝谷呈“U”字形，溝谷及兩岸為漫灘及堆積階地發(fā)育。穿溝段有30多處，合計(jì)長(zhǎng)度約2.5 km，溝谷深度一般5～30 m，其中20～30 m的有10余處，溝谷兩側(cè)邊坡坡度在40°～70°之間。

管線穿溝段地層巖性多為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）及上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal）低液限粉（黏）土層，該土層多為可塑至硬塑狀態(tài)，土質(zhì)較均勻，結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙發(fā)育，顆粒成分多以粉黏粒為主，多具濕陷性。

針對(duì)東山供水工程高陡深溝管道安裝及管溝回填施工難度大的實(shí)際情況，穿溝段管線設(shè)計(jì)管坡均適當(dāng)放緩至30°左右，但也不可避免會(huì)發(fā)生原狀黃土回填邊坡被雨水沖刷甚至造成管道漏水破壞的現(xiàn)象，將大大縮短管線工程的使用壽命。結(jié)合工程實(shí)際情況，科研單位、項(xiàng)目業(yè)主及設(shè)計(jì)單位共同研究高陡邊坡采用水泥土作輸水管線管溝回填材料，解決高陡邊坡防護(hù)、回填料防沖刷等問(wèn)題。

水泥土作為一種較新型建筑材料，可就地取材，施工工藝簡(jiǎn)單、物理力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。水泥土硅酸鹽水泥與水化合生成的硅酸鈣、硅鋁酸鈣水化物，以纖維狀微粒構(gòu)成的凝膠結(jié)合，與混凝土的凝結(jié)機(jī)理類似。其在已建工程路基、橋臺(tái)回填、地基加固及防滲工程等方面有所運(yùn)用，但國(guó)內(nèi)輸水管線工程高陡邊坡管溝回填中無(wú)成熟的資料可查，水泥土回填的水泥摻量、防沖效果評(píng)價(jià)及施工注意事項(xiàng)等均缺乏科學(xué)依據(jù)。

二、水泥土試驗(yàn)研究

1.研究過(guò)程

東山供水工程水泥土模擬試驗(yàn)所采用的兩種黃土土料從平遙管線段和介休管線段現(xiàn)場(chǎng)采集，加水至最優(yōu)含水率，試驗(yàn)研究水泥摻量（水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值）分別為4%、6%、8%、10%和12%，水泥土壓實(shí)度分別為90%和92%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7 d、14 d、21 d和28 d。

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：

①水泥土含水率與干密度試驗(yàn)：在同等條件下，采用輕型擊實(shí)法測(cè)定壓實(shí)水泥土的含水率與干密度的關(guān)系，從而確定其最優(yōu)含水率與相應(yīng)的最大干密度，為水泥土配合比設(shè)計(jì)和其他性能試驗(yàn)提供依據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)果：水泥摻量對(duì)最大干密度影響甚微，所以只用水泥摻量10%做含水率試驗(yàn)。平遙管線段土料配制10%的水泥土，最優(yōu)含水率為16.39%，最大干密度為1.68 g/cm；介休管線段土料配制10%的水泥土，最優(yōu)含水率為18.6%，最大干密度為1.64 g/cm。

②無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：制作不同水泥摻量、不同壓實(shí)度的水泥土立方體試件，用壓力機(jī)測(cè)定試件在各養(yǎng)護(hù)時(shí)間段的抗壓強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1至表3。

③放水沖刷試驗(yàn)：在研究邊坡坡面徑流侵蝕和沖刷時(shí)，不采用模擬降雨，采用放水實(shí)驗(yàn)?zāi)M邊坡坡面徑流沖刷侵蝕的過(guò)程。

④滲透試驗(yàn)：參照水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程，通過(guò)測(cè)定土和水泥土滲透試件的開(kāi)始和結(jié)束水頭及時(shí)間，計(jì)算其滲透系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果：原土滲透系數(shù)為10-5cm/s數(shù)量級(jí)，隨著壓實(shí)度提高，滲透系數(shù)變小，滲透性會(huì)減弱。加入不同摻量的水泥后養(yǎng)護(hù)初期水泥土的滲透系數(shù)也大多在10-5cm/s或10-6cm/s，總體看水泥土滲透系數(shù)值較素土減小，基本隨水泥摻量增加呈遞減趨勢(shì)。

⑤坡面抗沖蝕穩(wěn)定性試驗(yàn)：通過(guò)單位小時(shí)內(nèi)不同放水流量，測(cè)定不同水泥摻量的水泥土坡面徑流含沙量的大小。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4至表6?？梢钥闯?，隨著放水流量的增大，坡面的總徑流量和徑流平均值增大，總泥沙量和徑流含沙量也相應(yīng)增加，隨沖刷時(shí)間的延續(xù)呈波動(dòng)的下降趨勢(shì)并逐漸趨于穩(wěn)定，而不同水泥摻量的坡面徑流變化規(guī)律相似。

表4 4%水泥土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙

表6 10%水泥土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙

當(dāng)放水流量均為200 L/h時(shí)，30 min表面徑流總泥沙含量，黃土坡面為27.89 kg，而4%，6%，10%水泥土坡面產(chǎn)沙總量?jī)H分別為46.93 g、1.04 g和1.79 g，水泥土坡面產(chǎn)沙總量均比黃土坡面的明顯降低，大于6%水泥摻量水泥土坡表面徑流的泥沙含量非常小。

表1水泥土抗壓強(qiáng)度(MPa)隨水泥摻量的變化

表2水泥土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)和水泥效率

表3水泥土齡期對(duì)強(qiáng)度的影響

2.研究結(jié)論

結(jié)合土工試驗(yàn)和模擬邊坡沖刷試驗(yàn)，研究水泥對(duì)黃土主要性質(zhì)如無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、滲透性和沖刷性能的影響，分析黃土坡面穩(wěn)定的主要影響因素及水泥對(duì)坡面抗沖刷性的防護(hù)效果，優(yōu)選出水泥的最佳摻量等參數(shù)。水泥土試驗(yàn)主要成果如下：

①水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加而增大，而水泥的有效利用率隨摻量增大而降低，摻量8%左右時(shí)水泥利用效率最高。水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度、試件養(yǎng)護(hù)齡期均呈正相關(guān)關(guān)系，前者為線性關(guān)系，后者為冪函數(shù)相關(guān)。

②重塑壓實(shí)黃土和水泥土的滲透系數(shù)均在10-5cm/s數(shù)量級(jí)左右，水泥土滲透系數(shù)通常較原狀黃土有大幅度下降，抗?jié)B性較好。水泥土的抗?jié)B性能與水泥摻量關(guān)系不太密切。

③黃土邊坡坡面穩(wěn)定及抗沖蝕能力強(qiáng)弱主要由放水流量和壓實(shí)度決定。黃土邊坡的產(chǎn)沙總量隨著放水流量的增大而增大，隨著坡面壓實(shí)度的增大而減小；徑流含沙量隨放水流量增大呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，且放水流量對(duì)坡面徑流率影響比壓實(shí)度更大。

④4%水泥摻量的水泥土壓實(shí)度90%的坡面，在不同放水流量沖刷30 min均有較大的徑流含沙量，均值26.97 kg/m3，抗沖性較差；6%的水泥土同等條件下含沙量較少，抗沖性較好；10%的水泥土同等條件下基本沒(méi)有含沙，抗沖性良好。

⑤水泥摻量6%～8%和90%以上的壓實(shí)度條件下，水泥土坡面的抗沖刷能力可以滿足輸水管線管溝回填的要求。

⑥水泥土的性能是影響其抗沖刷性能的主要因素之一，但抗壓強(qiáng)度的提高對(duì)提高抗沖刷性能的效果并不太顯著?？箾_刷性能的差異與其抗壓強(qiáng)度之間并無(wú)明顯因果關(guān)系。

表5 6%水泥土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙

⑦水泥土施工質(zhì)量是影響水泥土性能的關(guān)鍵。水泥土壓實(shí)度、土料粒徑大小及拌和均勻度是影響水泥土管溝回填施工質(zhì)量的主要因素。

⑧溝槽較大范圍回填水泥土，屬于大體積處理，對(duì)于水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求不需要很高。水泥土立方體試件7 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥1.3 MPa，28 d齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥2.0 MPa。

三、應(yīng)用及效果

根據(jù)東山供水工程輸水管線溝槽實(shí)際情況結(jié)合試驗(yàn)研究成果，高陡邊坡段管線溝槽設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡坡度為1∶0.75，管頂回填厚度不小于1.5m。土料最大粒徑不大于20 mm，土料加水至最優(yōu)含水率，水泥摻量約為9%滿溝槽回填，采取300 mm分層碾壓，壓實(shí)度不小于90%。溝槽兩側(cè)表層與邊坡交接處砌筑300 mm厚M7.5漿砌石護(hù)腳。

與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件相比，現(xiàn)場(chǎng)施工受施工條件、施工設(shè)備及施工工序等多種因素影響?？紤]現(xiàn)場(chǎng)水泥摻量的準(zhǔn)確性、土料與水泥均勻拌和的不確定性等，為保證陡坡段管溝回填水泥土質(zhì)量，在清除表層雜土選擇合格土料等前提下，設(shè)計(jì)水泥摻量比試驗(yàn)研究成果的水泥摻量有所提高。溝槽分層碾壓填筑等完成后采用表面灑水等養(yǎng)護(hù)方式，避免水泥土出現(xiàn)干裂。

東山供水工程部分高陡穿溝段管線于2019年中旬完工，2020年年底經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，水泥土壓實(shí)回填邊坡未見(jiàn)明顯雨水沖刷現(xiàn)象，溝槽水泥土未見(jiàn)任何不均勻沉降?，F(xiàn)場(chǎng)取樣送檢情況：切取了6塊邊長(zhǎng)尺寸不小于150 mm×150 mm×150 mm的正方體水泥土塊，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室后再切割修整至標(biāo)準(zhǔn)尺寸，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。6塊試塊最小強(qiáng)度為2.08 MPa，最大為3.26 MPa，去掉最大最小值后平均強(qiáng)度為2.5 MPa，試塊強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)場(chǎng)檢查及送檢結(jié)果驗(yàn)證了高陡邊坡段管溝水泥土試驗(yàn)研究的成果，東山供水工程輸水管線高陡邊坡管溝回填材料及防沖刷等問(wèn)題得到了較好的解決，亦為今后類似工程提供了管線防護(hù)效果較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)?！?/p>