膨胀土地区渠道高地下水的处理措施

崔成男

(辽宁省路桥建设集团有限公司第三分公司)

1 工程概况

南水北调中线一期工程漳河北～古运河南邯邢段磁县干渠工程渠道里程K35+685 ～K40+056 段(共计4.331 km)为垄岗地貌，地势平坦开阔，地面高程87.13 ～97.98 m，渠底高程83.78 ～83.61 m，渠道设计边坡1∶3.5 ～1∶3.25，底宽17.5 ～18.5 m。勘察期间地下水位80.0 ～89.6 m。上部为N1粘土，下部以N1粘土岩为主，N1粘土多呈强膨胀性，粘土岩多呈中等膨胀性，渠道最大挖深16.89 m，渠坡主要由强膨胀土组成，稳定性差。大部分渠段地下水位在渠底以上，最大高差9.5 m。

2 地下水特征

(1)赋存于浅层土体的根孔型孔隙和部分裂隙中的地下水，属于孔洞—裂隙型上层滞水。

通常位于地表以下4 m 深度范围内，施工时可根据开挖面渗水情况判断，开挖过程中一般表现为开挖开始时有明显的地下水位浸润线，地下水呈团块状渗出，并逐渐疏干，地下水位浸润线消失，疏干范围小于10 m。渠道开挖施工中，坡面渗水现象通常数天后消失，一般对施工影响较小。

(2)局部土体因岩性差异，孔隙、裂隙发育，地下水稍丰，形成透镜状地下水。

(3)当渠底板膨胀土厚度较小，下部分布承压含水层时，在承压水头作用下，沿膨胀土孔洞或裂隙上升越流补给进入基坑。

渠底下部分布承压含水层时，具承压性质的地下水可能沿土体孔洞、裂隙渗出，甚至产生突涌，影响施工。若不采取降水处理，不但底板和坡脚土体迅速被软化，底板处理层碾压也无法进行。渠道运行期间，土体内水压力增高，还会引起渠道衬砌破坏。

3 膨胀土地区高地下水的危害

3.1 对施工的危害

膨胀土裂隙特别发育，对气候变化特别敏感，是一种典型的非均匀三相介质。土质干湿效应明显，吸水时，土体膨胀、软化，强度下降;失水后土体收缩，随之产生裂隙。膨胀土的这种胀缩特性，在渠道边坡进行开挖后，边坡膨胀土中含水量减小时，就会充分显示出来。

在双重不利因素下，导致施工期间易发滑坡等现象发生。同时，因地下水沿土体孔洞、裂隙渗出，在渠底造成积水，影响施工。若不采取降水处理，不但底板和坡脚土体迅速被软化，底板处理层碾压也无法进行。

3.2 对运行的危害

为保证渠道通水不渗漏，南水北调渠道均进行防渗处理，避免了渠道输水不发生渗漏，但同时，阻止了地下水流入渠道。渠道衬砌前渠坡地下水位已接近渠底，衬砌施工完成后地下水位再次恢复为原水位，将造成以下三点危害。

(1)衬砌混凝土底部扬压力上升

由于渠道两侧地下水位恢复原有高度，导致衬砌混凝土底部扬压力较衬砌前较大幅度上升，对衬砌混凝土的边坡稳定性造成影响，易导致边坡失稳等事故发生。

(2)衬砌混凝土胀裂

渠道开挖时，土体干燥失水，体积收缩;衬砌完成后，地下水位上升，土体湿度增高，体积膨胀并形成膨胀压力，易导致混凝土胀裂现象发生。

(3)滑坡

膨胀、收缩变形随地下水位变化的往复发生，导致土的强度衰减，造成渠坡衬砌混凝土基础承载力降低，造成滑坡等事故。

4 减小地下水影响的施工措施

4.1 施工期间基坑排水

(1)渠道在开挖过程中，根据揭露的水文地质情况，以及开挖形成的基坑排水条件，做好开挖坡面和基坑积水引排措施，避免在渠坡表面及坡脚积水。

(2)施工期间应针对不同类型的地下水特点，结合施工组织安排选择合理的应对措施。对于上层滞水、透镜状地下水、渠底承压水，可参考以下处置措施。

①当上层滞水水量较丰或不能做到连续施工，开挖施工期间可能导致开挖面或坡脚积水时，应在坡底做好临时引排措施。临时排水沟应距坡脚一定距离(一般3 m 左右)，必要时做好防护，并对汇水及时进行引排(或抽排)，严禁坡脚积水造成土体软化。

②开挖揭露富含水的透水夹层时，根据夹层所处的位置、夹层透水性、夹层厚度，结合永久排水设计做开挖期间临时引排。

③对于渠底承压水，应根据承压水头和覆土厚度复核开挖期间覆土层的抗浮稳定性和渗透稳定性以及基坑渗水量，并根据分析结果采取相应的处理措施。当覆土抗浮稳定、渗透稳定、基坑渗水量三者之一不满足要求时，采取井点降水措施。当渗流量较小不致出现基坑积水现象时，降水主要以满足覆土抗浮稳定、渗透稳定为目的;当渗水量较大时，将承压水位降低到基坑开挖面以下不少于50cm。降水前，应进行抽水试验，以确定降水方法及降水设计参数。施工中严格限制施工设备对膨胀土体进行扰动，以免破坏土体结构、降低地基承载力。

4.2 运行期间排水

(1)提高地基承载力

为解决工程运行期间可能发生的危害，提高渠基承载力，对渠基膨胀土面进行粘性土换填施工，换填厚度3.5 m(垂直基面厚度)。

图1 变更段换填示意图

(2)降低地下水位

渠基排水将地下水通过逆止阀内排排入渠内。渠底换填底面采用反滤料换填30 cm，预埋软式透水管;渠坡换填底面开挖沟槽，横向8 m 一道，纵向每2 m 高差一道，与渠底软式透水管形成管网。渠坡换填底层排水管积水通过逆止阀内排至渠道内，逆止阀与管网间采用dn315(PVC－U)排水管相连，渠坡逆止阀沿渠坡方向间距8 m 布置。dn315(PVC－U)排水管与逆止阀间采用三通连接，连接部位采用土工布包裹。渠坡及渠底换填顶面铺设15 cm 反滤料，渠底纵向布设3 排逆止阀，间距16 m，逆止阀间采用软式透水管相连接。保证地下水位低于渠底混凝土衬砌高程。

(3)施工方法

排水暗管安装前检查是否有断裂、变形、破损等情况。软式透水管间采用嵌套绑扎方式，首先将两条管接口处的外包布割开，然后尽量将管口旋接在一起，搭接长度15 cm 以上，用绑丝将软式透水管的两个接口处绑扎好，先用割开的布包裹好，再用土工布包裹并用线径φ2.2 mm 铅丝绑扎好，土工布包裹长度大于1.0 m。软式透水管与PVC 管联结处用土工布包裹，并用线径φ2.2 mm 铅丝绑扎。已铺设的排水暗管及附件经验收合格后，用土工布包裹排水暗管，边包裹边绑扎。全面检查有无漏包、搭接长度不够、绑扎不紧、排水暗管和土工布间结合不紧密、褶皱、松动等现象。管道预留接头部位采用包裹保护，防止填料及其他杂物进入管道中，影响排水效果。铺设完成后其上不堆放重物。

排水暗管与附件安装，土工布包裹、捆扎验收合格后，及时回填沟槽，尽量减少沟槽暴露时间。回填前检查沟槽内有无积水、杂物。砂砾石反滤料由粗砂(0.5 ～2 mm)和细砾(2 ～5 mm)混合料组成，压实指标为渠底相对密度不小于0.7，渠坡相对密度不小于0.65。砂砾料分层分段洒水压实填筑，压实设备、铺料厚度、压实方式、碾压遍数和含水率等施工参数通过现场碾压试验确定。

［1］南水北调中线一期工程总干渠渠道膨胀土处理施工技术要求(NSBD－ZXJ－2－01)［S］.南水北调中线干线工程建设管理局印发，2010.12.

［2］陈正汉.膨胀土与膨润土工程特性及其应用研究的新进展［J］.解放军后勤工程学院，2009，(12).

［3］水利水电单元工程质量等级评定标准(DL/T5113.1－2005)［S］.中国电力出版社，2006.

［4］水利水电工程地质勘测规范(GB50487－2008)［S］.北京:中国计划出版社，2009.