对南水北调膨胀土处理的分析

□付 帅 □范功川（南水北调中线干线工程建设管理局）

膨胀土是工程界普遍认同危害和处理难度较大的工程技术难题，南水北调膨胀土渠坡的处理与公路、铁路等膨胀土边坡相比，因存在永久过水断面的特殊性，与水为邻更加深了膨胀土渠道处理的难度。处理前可对膨胀土的膨胀性进行试验，依据《膨胀土地区建筑技术规范》对膨胀土的膨胀潜势等级进行判别。根据南水北调沿线膨胀试验成果，沿线分布的膨胀土多具弱膨胀潜势，且其膨胀潜势在空间分布上的随机性较大，反映了膨胀土的膨胀潜势在水平方向和垂直方向的不均匀性。如对膨胀土不进行技术处理，在发生超标准洪水时，降雨量、降雨强度大，地下水位会在短时间内迅速升高，且高于多年预测最高水位2～3m，膨胀土渠坡会出现坡脚变形，再随着降雨的持续，也会发生不同程度的坡脚变形和渠坡失稳。因此，可根据膨胀土渠坡的破坏特点，进行技术处理，以达到工程安全的目的。

一、膨胀土处理方式

(一)梯形明渠换填方式

如果渠段一级边坡1:3.25，通过稳定计算，设计工况安全系数1.697，校核Ⅰ工况安全系数1.335，均满足边坡稳定安全系数的要求。渠段为全挖方断面，最大挖深16.5m。渠道设计底宽18.5m，坡比1:3.25，一级坡以上以级差0.25坡比递减，设计水深7m。渠道开口线外两侧设防护堤、林带。

（二）矩形明渠方式

如果矩形明渠方案，进出口设50m长的渐变段，矩形明渠长1.11km。矩形明渠方案边坡为铅直，需采用支挡结构满足稳定要求，经技术经济比选后采用半重力式挡墙，设计底宽37.5m，设计水深7m。左岸沿填方外坡脚向外设防护林带，林带外缘设截流沟，右岸设置8m宽防护林带，不设截流沟。

渠段地下水位较高，为满足挡土墙稳定要求，需采取排水措施降低渠内外水位差。具体措施为：用暗管集水，逆止式排水阀自流内排入渠。内排系统由透水管、出水管和逆止阀组成。透水管采用Φ250软式透水管，在挡墙外侧顺坡布设透水管，透水管间距2.0m。顺水流方向布设Φ250软式透水管，间距为4.0m；出水管采用Φ110塑料排水管，布置间距同顺坡透水管，在出水管末端设可更换的逆止阀。

（三）落地槽方式

选取南水北调部分区段，矩形槽轴线长1.21km，其中矩形槽长1.11km，进口渐变段长50m，出口渐变段长50m。矩形槽C30钢筋混凝土矩形断面，双槽，单槽底宽24m，侧墙高8.2m，槽底厚1.3m，侧墙底部厚1.3m，顶部厚0.5m。矩形槽外侧填土回填槽顶，而后以1:2边坡向两侧地面削坡，每6m一级。进出口渐变段长均为50m，边墙采用直线扭曲面形式。边坡系数0～2，底宽50.6～24.5m，底板厚0.5m。渐变段始端为重力式挡土墙，墙高8.2m，末端为贴坡式挡土墙，墙高与总干渠一级马道齐平。该段渠道设计水位126.937～126.891m，水位差0.046m。根据水力计算，若采用单槽，则单槽净宽38m；若采用双槽，则单槽净宽24m。考虑单槽尺寸过大，对结构安全不利，因此，矩形槽方案采用双槽型式。矩形槽建基面位于粘土岩上，承载力标准值为300kPa，各项稳定指标均满足设计要求。

矩形槽受力比较明确，侧墙及底板均取最不利工况进行结构计算。经计算，中墙最不利工况为满槽水工况，内侧受拉；边墙最不利工况为槽内无水，外侧受拉；底板最不利工况为槽内设计水深，内侧受拉。

（四）暗渠方式

选取部分渠段暗渠轴线总长1210m，由上游渐变段、洞身段、下游渐变段3部分组成。

暗渠全长1210m，设计水头0.046m，由于水头太小，经水力计算，初拟两种孔径：方案一孔宽8.0m，共10孔；方案二孔宽9.2m，共8孔，均为两孔一联，暗渠最优孔径在7m左右，本次选用方案一孔宽8.0m，10孔。暗渠建基面位于粘土岩上，承载力标准值为300kPa，地基承载力经修正后495kPa，各项稳定指标均满足设计要求。

二、处理方式综合比较

通过采用等水头技术投资分析，梯形明渠方式投资大大少于矩形明渠方案和落地槽和暗渠方案的投资，南水北调总干渠一般渠道比降在1/25000～1/28000，但暗渠的综合比降在1/3000～1/5000，落地槽等建筑物的综合比降在1/5000～1/7000，因此若按建筑物进行设计，采取暗渠和落地槽方式需要加大水头，调整水头则会对全线施工进度造成重大影响。如再进行建筑物设计设置出口闸，会加大投资，更不经济合理。

综合以上情况，采用渠道粘土换填方式更合理，可从以下3个方面考虑：对膨胀土挖深＜15m的渠段，处理方式以柔性支付为主，采用不同的换填材料和换填断面形式。对地下水位高出渠底的渠段，采取必要的排水措施，以降低地下水的影响。对渠道边坡及坡顶采取有效的防护和排水形式，减少雨水的下渗量。

三、膨胀土换填方式的应用

膨胀土渠坡的处理，既要达到高地下水位排水之目的，同时还要避免对深层膨胀岩扰动引起强度降低，导致深层滑动以及表层渠道衬砌的抗滑稳定。综合排水计算与换填断面的计算结果，对弱膨胀土及挖深＜15m的中等膨胀岩渠段的具体处理方案如下：坡顶截排水措施：为减少地表水的入渗，将坡顶截流沟干砌石护砌形式改为现浇混凝土衬砌，厚8cm。另地表清基时，向截流沟一侧按1%坡度修坡。换填层后排水措施：通过对不同排水形式、不同水位高程的渗流计算分析，在坡面换填层后采用Φ150软式透水暗管集水，通过Φ150PVC波纹管连接逆止阀将水排出坡面。渠底铺设10cm厚砂砾石垫层与渠底纵向Φ150软式透水暗管相通。通过排水能力的计算，横向集水暗管与逆止阀间隔8m相间布置。

为更好地排泄和汇集膨胀岩坡面的裂隙水，在坡面上铺设三维排水网垫与纵向集水暗管连通。另对于地下水位高于渠底的渠段，每100m设置1辅助强排井。为固定铺设在斜坡面上的三维排水网垫，用Φ6的U型钢筋固定，每平方米不少于6个。穿过换填层的排水管采用Φ150PVC波纹管，为防止施工过程中机械碾压对管子造成破坏，应在完成相应的碾压高度、人工挖槽铺设后，再进行后续铺土碾压施工。

坡脚加固措施：根据渗流计算的换填层后的水位以及安阳段渠坡失稳主要发生在坡脚以上2～4m范围内的特点，对渠坡3m以下范围内采用改性水泥土换填，其余部位采用非膨胀性粘土换填。

换填材料及施工技术要求：对已开挖到设计建基面但未进行换填的渠段，坡脚及渠底应按变更方案进行二次开挖后，完成换填及排水措施的施工；对已经换填但未进行衬砌的渠段，应先将坡面及渠底换填层开挖后（单独堆放以便二次利用），按变更方案二次开挖后，完成换填及排水措施的施工。

对坡面受雨水冲刷后形成的雨淋沟，应清除风化层。对开挖面的平整度要求可以放宽，不得为满足平整度要求而对开挖面或清理后的雨淋沟采取补土处理，清理后直接进行换填层的填筑碾压即可。换填土应采用一般粘性土，粘粒含量≥15%，自由膨胀率应≤30%。改性水泥土技术指标：水泥强度425#，掺量初定范围值5%与土料掺拌均匀，压实度不低于0.98，施工前应进行现场碾压试验确定水泥掺量、铺土厚度、碾压遍数等施工参数，因膨胀岩不易粉碎及拌合均匀，除特殊渠段采用弱膨胀土改性，其余渠段所用土料同换填用土不宜用膨胀岩土。

为保证设计断面碾压密实，渠坡换填层超填宽度宜为30cm，并通过碾压试验验证。改性土填筑后削坡余料，不可重复利用。膨胀土处理段与非膨胀土段相邻时，应将过渡段设在非换填段，坡比不陡于1：1.5。对施工期地下水高于渠底的渠段，施工降水措施应当落实，保证作业面干燥施工。

四、结语

本工程为了优化临时工程量，满足施工导流要求，先后采用了上游导流矩形槽、坝体导流槽和坝外导流明渠三种导流设计。此导流设计在本工程坝体工程量大的特殊情况下，最大限度地保证了工期的顺利进行。