新疆某工程强风化泥岩筑坝的工程处理措施

陈增伟

（新疆水利水电勘测设计研究院 新疆乌鲁木齐 830000）

1 问题的提出

某工程位于新疆准噶尔盆地古尔班通古特沙漠的东部边缘，属中温带大陆性干旱半干旱气候，降水量少，蒸发量大。该地区四季分明，夏季干旱炎热，年平均气温为4.7℃，冬季严寒漫长，冬季从当年的11月份到次年的3月份，长达5 个月。

该长距离供水工程冬季调蓄水库库容为5000万m3，为引水注入式平原水库。水库利用地形四面围筑而成，由挡水坝、进水闸井、放水闸井和供水泵站组成。挡水坝长约6km，水库坝体为半填半挖，坝体利用库区内开挖料填筑。库区挖深1.5～6.5m，坝体填筑高度15.7～21.7m。

库区表层0～3.5m为第四系全新统洪积含细粒土砂，局部夹低液限黏土和砂透镜体，该层为非膨胀土。库区深度3.5m 以下为白垩系下统泥岩、砂岩，局部夹有砾岩透镜体，分布稳定，该层自由膨胀率49%，为膨胀土。该土具有吸水膨胀，失水收缩并往复变形的性质。

由于调蓄水库夏季利用供水管线引水注入水库，冬季供水给用水对象。水库反复干湿交替。若利用膨胀土筑坝，会影响坝坡稳定及破坏坝体上游的混凝土护坡。因此，必须对膨胀土采取处理措施，以防止膨胀土带来的危害。

2 膨胀土的工程特性

新疆膨胀土的物质组成和特点形成了其特殊的工程特性，其工程特性对坝坡稳定及上游坝坡混凝土护坡影响较大。

2.1 膨胀土的胀缩性

膨胀土吸水后体积增大而产生膨胀，土体失水则体积收缩，伴随土中出现开裂，可能造成建筑物开裂与塌陷。膨胀与收缩两种变形是可逆的，即土体吸水膨胀，失水收缩。如此循环变化，凝聚力值随循环次数衰减较快，内摩擦角值衰减较慢。

2.2 膨胀土的多裂隙性

膨胀土中发育有各种特定形态的裂隙，形成土体的多裂隙性。膨胀土的裂隙，是在成土过程中由各种自然地质应力作用所形成的产物，多裂隙性对坝坡稳定极其不利。

3 膨胀土处理措施的选择

目前水利工程对膨胀土处理采用的措施主要有3 类：换填、土性改良、预湿膨胀。

3.1 换填

换填是采用非膨胀土置换膨胀土。换填是最简易的解决办法，也是最好的解决办法。

换填法处理膨胀土的优点：能够得到比其他处理方法更大的地基承载力；不需要特殊的施工设备，并且工期较短。

3.2 土性改良

土性改良主要包括石灰改良、水泥改良和化学剂改良。

（1）石灰改良。我国是最早使用石灰作为膨胀土改良剂的国家，石灰改良有效地降低了膨胀土的膨胀性。因此，石灰改良应用非常广泛。

（2）水泥改良。水泥的水化物包括硅酸钙水化物、铝酸钙水化物和水硬性石灰。在水泥水化过程中，产生的石灰与膨胀土混合，降低了土的膨胀性。同时，水泥与土混合成水泥土，增强了土的强度。因此，近年来使用水泥来改良膨胀土得到了越来越广泛的应用。

（3）化学改良。化学改良主要包括有机和无机两大类，化学改良可以降低膨胀土的塑性指数和膨胀潜势。

化学改良需要注意的问题有：1）施工前在现场做试验，在处理前后取未扰动土样检验改良效果。2）注入化学剂的孔间距、化学剂的注入压力、施工过程中的控制等是设计重点和施工难点，需深入研究。

3.3 预湿膨胀

预湿膨胀是在施工前使土加水变湿而膨胀，并在土中维持高含水量，则土将基本保持体积不变，因而不会导致结构破坏。

预湿膨胀法存在的主要问题有：（1）施工期间土体膨胀，施工结束后，土体仍有可能继续膨胀，导致膨胀量难以控制。（2）施工需要浸泡时间通常1～2 个月，对工期影响较大。

本工程中坝体最大坝高24m，库区内总开挖量约1100万m3，坝体总填筑量约800万m3，设计为均质土坝。若用预湿膨胀法处理上游坝坡表层2m 范围内的膨胀土，则施工周期较长，且浸泡后土体含水量较大，无法碾压施工。即使施工结束后，土体仍有可能继续膨胀，对膨胀土的处理存在不可控的因素。若用土性改良法处理上游坝坡表层2m 范围内的膨胀土，处理工程量较大约90万m3，不管是用石灰、水泥还是化学改良剂改良，如此大的处理量会使工程投资大幅增加，同时也会大幅增加工期。若用换填法处理上游坝坡表层2m 范围内的膨胀土，只需使用非膨胀土换填膨胀土。关键在于能够找到非膨胀土，只要非膨胀土料场运距较近就不会使工程投资增加较多。库区内表层0～3.5m为第四系全新统洪积含细粒土砂，为非膨胀土，在库区内开挖后直接上坝填筑即可，对工程投资没有影响且不会使工期增加较多。

经比较，初步选用库区内非膨胀土换填膨胀土的处理措施。在距库区500m 远处有一已建蓄水池，蓄水池最大坝高15m。此蓄水池2006年建设，坝体采用膨胀土填筑而成，坝坡上游膨胀土采用砂砾石换填处理的方法，2007年该蓄水池蓄水，水库至今运行5年多，未出现坝体失稳及渗透破坏，运行状况良好。经综合比较换填法处理膨胀土投资最省且施工期较短，对膨胀土处理较彻底，不会留下工程隐患，且有邻近工程的成功经验参考。因此，最终选用非膨胀土换填膨胀土的处理方法。

4 坝体横断面设计

图1 坝体横断面设计图

坝体横断面设计如图1 所示。设计采用强风化泥岩作为坝体填筑料，考虑到库区内开挖的强风化泥岩遇水具有膨胀性，因而，上游采用无膨胀性的库区表层开挖覆盖层料进行换填处理。考虑到覆盖层料在寒冷地区的冻胀性，对覆盖层料采用砂砾石料换填的处理措施。盖重上游边坡取1∶3，盖重区以下为强风化泥岩填筑区，其上游填筑边坡为1∶2.5，下游填筑边坡为1∶1.75。强风化泥岩填筑区下游为弃料盖重区，主要由库区剩余覆盖层和弱风化泥岩组成，下游侧边坡为1∶3。坝体横断面自上游向下游依次为上游护坡、上游砂砾石垫层、上游盖重、坝壳区及坝后盖重区。

1 阎明礼主编.地基处理技术.中国环境科学出版社.1996.

2 周家忠.膨胀土地基基础设计浅谈.山西建筑，2010，（10）.3龙龙，吴伟平，孙永存，李晓白.膨胀土工程处理.北方交通，2009，（6）：14-15.

4 王星运，陈善雄，梅涛.膨胀土边坡稳定性参数影响分析. 路基工程，2011，（5）：29-32.