南水北调中线总干渠工程膨胀土渠段渠基排水处理

杨利红，李林可

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

南水北调中线总干渠工程膨胀土渠段渠基排水处理

杨利红，李林可

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

膨胀土处理是南水北调中线工程总干渠的关键技术问题之一，技术难度大，质量要求高，膨胀土渠段渠基排水问题也是工程控制难点之一，南水北调邯邢段强膨胀及深挖方中膨胀土渠段渠基排水进行方案优化设计对类似工程具有一定的借鉴作用。

膨胀土；渠基排水；南水北调

南水北调中线一期工程总干渠河北省邯邢渠段的膨胀土（岩）多位于龙岗地貌区，自然坡度整体较缓。膨胀土（岩）中富含以蒙脱石为主的亲水矿物，具有吸水膨胀失水收缩特性，胀缩性强，裂隙和隐蔽裂隙发育，膨胀土（岩）具有复杂的工程特性，加强对强膨胀土和深挖方中等膨胀土（岩）渠段的排水处理措施。

1 膨胀土渠段地质条件

邯郸、邢台段的膨胀土（岩）按时代和成因划分为，第三系湖相沉积粘土岩及粘土和第四系下更新统湖积、冰水堆积粘土。第三系（lN1）粘土及粘土岩，紫红或棕红色，粘土及粘土岩夹灰绿色斑块，裂隙和隐蔽裂隙发育，裂面具腊状光泽，常见有擦痕。表层多为粘土，下部为粘土岩夹砂土、砂岩等透镜体。第四系下更新统湖相沉积（lQ1）粘土及壤土，下更新统冰水积湖积（fgl+lQ1）粘土、以灰绿色为基本色，杂灰白色、黄色、棕红色。粘土致密，裂隙和隐蔽裂隙发育，裂面腊状光泽，见擦痕。

邯郸、邢台段的膨胀土岩空间分布的明显特征是不同膨胀等级的土随机性强，不同等级的膨胀土相互“包容”。膨胀土岩具有吸水膨胀失水收缩特性，还具有隐蔽裂隙发育的特征。对邯郸、邢台段膨胀土岩试验：粘土矿物蒙脱石含量23.36%～44.35%，伊利石含量6.39%～10.45%；比表面积195.57～415.70m2/g；阳离子交换量29.93～49.12meq/100g。膨胀土岩中富含以蒙脱石为主的亲水矿物。

2 设计方案

2.1 粘性土换填

初步设计阶段，对膨胀土处理采取换填粘性土措施：一级马道以下强、中膨胀土换填厚度分别为2.5，2.0m，一级马道以上强、中膨胀土换填厚度为1.5，1.0m。

2.2 渠基排水

膨胀土渠段渠基排水优先采取外排，无外排条件且水质满足要求的采取内排，其中一级马道以上排水通过坡面排出。一级马道以下在换填土上部设砂砾料垫层及排水盲沟，利用软式透水管收集后通过逆止阀内排或外排。

2.2.1 排水系统设计

2.2.1.1 排水反滤层位置

由于排水反滤层在渠坡设置的位置不同，对地下水浸润线的影响效果也不同。40+775渠道断面为挖方渠道，渠坡为中膨胀土，渠道底宽18.5m，设计边坡1∶3.25，挖深15m。确定排水反滤层位置对地下水浸润线的影响，分别对两种反滤层设置方案进行渗流计算：①排水反滤层设置在换填土层的顶面；②排水反滤层设置在换填层与膨胀土开挖渠坡之间。

计算结果表明，排水反滤层设置在换填层与膨胀土开挖渠坡之间的浸润线较低。从地下水位角度考虑，排水反滤层设置在换填层与膨胀土开挖渠坡之间对渠坡稳定有利，如图1所示。

图1 不同反滤料位置浸润线

2.2.1.2 排水反滤层厚度

膨胀土裂隙内的地下水采用排水措施排出土体外，一方面可避免膨胀土的抗剪强度的降低，另一方面消除裂隙内积水对换填土的压力。排水反滤层有利于疏干膨胀土裂隙水，反滤层的厚度对排水效果影响较大。按照反滤层设置的原则，水平反滤层的最小厚度采用0.3m，倾斜反滤层的最小厚度采用0.5m。渠底反滤料的厚度按0.3m考虑。

2.2.1.3 渠基排水结构型式

（1）排水垫层方案是在换填土和膨胀土开挖渠坡之间设置排水垫层，地下水通过渠坡排水垫层汇集至渠底排水垫层，再通过逆止阀排入总干渠。该方案排水效果较好，但对换填土的抗滑稳定存在一定影响。

（2）排水盲沟方案是在换填土以下膨胀土开挖渠坡上设置排水盲沟，排水盲沟纵横交错，形成网状结构，并与渠底排水垫层连通，再通过渠底逆止阀排入总干渠。该方案排水效果比排水垫层方案稍差，但对换填土的抗滑稳定性影响较小。

3 设计方案优化

由于膨胀土中裂隙的发育，夹沙层、透镜体的存在，为排除膨胀土内地下水及上层滞水，对初设排水方式进行了变更设计。同时为避免地表水的入渗，增加了渠道地表的防渗措施。经方案比选、优化，提出强膨胀土及深挖方中膨胀土渠坡处理方案。

3.1 膨胀土渠坡处理措施

膨胀土（岩）裂隙的存在大大加强了膨胀土的渗透性，同时由于换填土层的渗透系数较小，当上层滞水、地下水较高时，容易在换填土层与膨胀土结合面上形成承压水，恶化换填土层的稳定条件。

3.1.1 渠道换填土

对膨胀土处理采取换填粘性土措施，一级马道以下强、中膨胀土换填厚度在设计变更中增加了换填厚度，强、中膨胀土渠段一级马道以下换填土厚度初步设计分别为2.5，2.0m。设计对膨胀率较大、地下水位高于渠底的强膨胀土，一级马道以下换填厚度增加到3.5m，地下水位低于渠底的，换填厚度采用3.0m。挖深大于15m的中膨胀土渠段一级马道以下换填土厚度增加到2.5m。

3.1.2 渠道衬砌板厚度

初步设计阶段，对土质边坡，一级马道以下渠坡、渠底混凝土衬砌板厚度分别为10，8cm。由于影响混凝土衬砌板的应力大小的主要因素是地基土的变形，目前换填土一方面抵抗膨胀土膨胀力，尽管换填土有一定的厚度，但仍然不可避免要发生一定的变形，其变形直接作用在混凝土衬砌板上，衬砌板厚度应能抵抗换填土的变形而不裂缝。考虑到强、中膨胀土渠段的特殊性，为保证衬砌板稳定，强、中膨胀土渠段混凝土衬砌板厚度增加到15cm。

3.2 渠基排水设计

3.2.1 换填层下部排水方案

设计变更采取渠底排水垫层和渠坡十字盲沟方案。在渠底换填层之下设置0.3m厚的砂砾料排水垫层，渠坡设纵横向排水盲沟。渠坡垂直高度每2m在换填土靠近渠坡膨胀土开挖面的开磴部位设置排水反滤料，作为纵向排水盲沟，换填土与排水反滤料同时碾压。渠坡根据排水量每隔4～8m设置一道横向排水盲沟，盲沟顶高程为一级马道换填层底部（换填层位置），与纵向排水沟和渠底排水垫层连通。纵、横向盲沟内设置集水暗管，相互贯通。纵向排水盲沟一般深30～50cm，宽度根据过水断面边坡确定。渠坡靠近渠底部位每侧设逆止阀一排，将地下水内排入渠。

3.2.2 换填层上部排水方案

换填土上部渠坡、渠底维持原初步设计的15cm砂垫层，在两侧坡脚及渠底中心位置各设置一道纵向盲沟，盲沟内设集水暗管，通过逆止阀内排水入渠。

3.2.3 左岸地面防渗排水设计

膨胀土渠段需要截流、防水，防止地表水渗入膨胀土体内，引起膨胀土的湿胀而影响边坡稳定。初步设计阶段截流沟一般为土质截流沟，流速较大段采取干砌石防护，本次设计增加截流沟防渗措施。截流沟下部铺设复合土工膜，土工膜以上设厚30cm保护土层，保护层以上为30cm干砌石。

4 结语

（1）强膨胀土及深挖方中膨胀土渠段渠基排水处理至关重要，需要根据工程情况优化、选择技术可行的处理措施。

（2）充分分析膨胀土（岩）工程地质特性，认识膨胀土（岩）裂隙的存在，膨胀土岩中的地下水有孔隙水和裂隙水，孔隙水赋存于砂土夹层中，裂隙水赋存于膨胀土岩的隐蔽裂隙中。

（3）重视排水措施，调整排水方式，选择不同的渠基排水结构型式。

（4）增加换填粘性土厚度，地下水位在渠底以上的强膨胀及挖深大于15m的中膨胀土渠段换填厚度分别增加到3.5m和2.5m，强膨胀土无地下水渠段换填厚度增加到3.0m。

（5）对强膨胀土及挖深大于15m的中膨胀土渠段，渠坡、渠底混凝土衬砌板厚度增加到15cm。

［1］陈世刚，牟伟，刘军.南水北调中线工程膨胀土渠段改性土施工中存在的困难及对策研究［J］.长江科学院院报，2013（9）.

［2］陈尚法，温世亿，冷星火，等.南水北调中线一期工程膨胀土渠坡处理措施［J］.人民长江，2010（16）.

［3］龚壁卫，包承纲，周欣华.总干渠膨胀土渠坡处理措施探讨［J］.长江科学院院报，2002（S0）.

［4］单国方.瓯江翻水站渠道防渗及渠基排水处理方案分析［J］.浙江水利科技，2006（147）.

［5］王志波.混凝土低温季节施工质量控制［J］.水科学与工程技术，2013（3）.

Treatment Measures for Channel Drainage of Expensive soil in the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

YANG Li-hong，LI Lin-ke
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

Treatment method of expensive soil was one of the key technical problems of the South-to-North Water Diversion Project.It has high technical difficulty and high quality requirements to deal with expensive soil.Treatment method of channel drainage in the segment with expensive soil was also one of the difficulties of project management.This paper provides optimization design of treatment measures for expensive soil and channel drainage of the deep cut segment with expensive soil of Handan-to-Xingtai Section in South-to-North Water Diversion Project.The results of this paper can give some references to the similar projects.

expensive soil;channel drainage;South-to-North Water Diversion Project

TV223.5；TU443

B

1672-9900（2014）03-0073-03

2014-04-25

杨利红（1968-），女（汉族），河北张北人，高级工程师，主要从事水利水电工程规划设计工作，（Tel）0311-80966417。