老挝色萨拉龙灌溉项目分散性粘土区渠道设计实践

彭小川，曲 洋，王景涛

（1.中国北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.水利部松辽水利委员会，吉林 长春130021）

1 概 况

老挝色萨拉龙灌溉项目地区为分散性粘土地区，渠系包括：主渠、支渠和斗渠三级渠系，其中主渠总长约12 km。

灌溉渠系于2012年3月开始施工，2014年7月竣工。施工期，主渠沿线陆续发现了混凝土衬砌破坏现象。为了确保将来运行期渠道不再出现同样的破坏，对破坏原因进行了详细调查、分析，并提出相应的处理和防治措施，以改进渠道设计，取得了很好的效果。

2 分散性粘土概述

2.1 地质成因

通过查阅有关资料，认为分散性粘土一般由蒸发而风化的产物二次积累形成了受钠影响的土壤。随着蒸发，钙和镁脱溶为碳酸盐。即使初始钠浓度很低，这也会使钠浓度变得非常高。这样这个高钠土溶液改变了交换平衡，促使钠转到交换络合物上。后来，淋溶作用冲走了可溶盐，但是这个可交换钠仍保留在土壤中。由各种型式的蒸发—累积—淋溶循环，形成了这种钠土。

大部分分散性粘土都是在洪泛沉积层、坡积层、湖泊沉积层和风化黄土层中产生的。几乎毫无例外，已知有火成岩和变质岩就地风化成的所有细粒土以及由石灰岩变来的土从来都处于非分散状态。

经过观察，能够长草的土壤不是分散性土，分散性土根本不会生长什么植物。

2.2 性 状

这种土以分散状态处于自然界中，其特点是在缓慢流动或甚至在静水中迅速被冲蚀和管涌，各个胶体粘土颗粒变成了悬浮质。其主要性状如下：

1）粘土的分散性质，主要是由于土粒之间的排斥力超过了相吸力。故一旦接触水，土体的表面土粒逐渐依次脱落，成为悬液。如属流动水，分散土粒即被带走。

2）粘土孔隙水中的钠离子数量较多，钠促使土粒周围双电层水膜增加厚度。因此土粒间相吸力减少。

3）促成粘土分散性管涌的另一个主要原因，是决定于水中所含不溶解盐类的总量。该总量低，土料分散性管涌可能性就越大，这是产生离子的“解吸附作用”之故。因此，越是水质清，就越会冲蚀，比如雨水就比较容易冲蚀。

2.3 破坏性

分散性粘土管涌会严重破坏渠基、渠堤或混凝土衬砌。破坏的主要形式是：地面降雨径流在渠道顶向下渗入干缩裂缝中，然后通过衬砌的施工缝流进渠道，在渠堤内部产生了侵蚀孔道，并对混凝土衬砌形成顶托作用而导致损坏，见图1。

图1 分散性粘土渠堤典型的降雨侵蚀孔道示意图

3 项目区分散性土矿物分析

项目区土层主要为冲积、坡残积物。冲积层岩性主要为灰黄色粉砂、粉土；坡残积岩性主要为红褐色砂质粘土及粘土。

针对项目区坡、残积土，对原状样和制备样分别采用了针孔和双比重计试验（也称SCS 分散度试验），见表1。

综合分析室内试验成果，并结合现场土体特征观察，认为项目区粘性土具有分散性，且具有弱膨胀性，局部具中等膨胀性。

表1 渠道土体分散性试验汇总表

4 渠道初步设计

鉴于分散性土的特性，一般要求分散性土不宜用作渠堤填筑。如果项目区没有其它更合适的填筑材料，而必须采用分散性粘土作为填筑材料时，必须考虑防止通过集中渗流管涌的设计措施。

该项目区土质地基基本为分散性粘土，附近也没有找到合适的非分散性土料场作为填方渠道的填筑材料，无论挖方渠道，还是填方渠道，均需要采取保护措施。因此，在渠道断面设计时，渠顶和混凝土衬砌下铺设一层土工膜，以便阻断渠道顶雨水、渠内水与渠堤分散性土接触而发生分散和膨胀。

填方渠道典型断面见图2和3；挖方渠道典型断面见图4和5。

图2 填方渠道典型断面示意图

图3 填方渠道渠顶细部结构示意图

图4 挖方渠道典型断面示意图

图5 挖方渠道渠顶细部结构示意图

5 渠道施工期破坏和原因分析

1）渠道混凝土衬砌破坏出现的类型

2013年4月下旬进入当地雨季，陆续发现有局部渠堤顶和边坡冲蚀，混凝土衬砌板破坏的现象。衬砌板破坏类型主要有：渠道底板纵向（顺流向）开裂、边板纵向开裂、边板向渠内滑动等主要形式。

2）破坏原因分析

经过分析，破坏原因主要为：分散性粘土地基和渠堤遇到降雨后，由于渠顶和坡面尚未进行全封闭，因此在渠堤顶面、背水坡面形成溶蚀孔道，成为汇水通道。大量雨水从孔道直接灌入衬砌板后面，对衬砌板产生较大的扬压力，从而导致混凝土衬砌板断裂和滑动破坏。

6 渠道改进设计和防治措施

鉴于施工期出现了渠堤和衬砌板破坏，在进行修复时，为了确保渠道将来运行期的安全，对原设计进行了改进，采取了有效的防治措施如下：

1）渠道堤顶和外坡均采用全封闭处理措施，所有外露的表面必须加以保护以防治水分的过分损失，其目的是防治土壤发生裂缝而被冲蚀；

2）渠道坡脚处增设纵向枕梁；

3）土质半填半挖及挖方渠道，全部设置有效的截水、导水、排水措施；

4）挖方段两岸均设置截水、导水、排水沟道，避免雨水顺坡集中流入渠道，造成渠顶冲刷和渠道内淤积。

渠道改进设计后主要典型断面见图6-8。

7 结 语

图7 填方渠道渠顶细部结构图

图8 挖方渠道渠顶典型断面图

1）通过改进渠道断面，尤其渠堤顶和边坡采用了全封闭措施，有效地解决了填方渠堤和挖方分散性土渠基冲蚀问题，避免产生冲蚀孔道，从而也就有效地解决了渠道混凝土衬砌板破坏的问题。

2）项目竣工后，经过雨季的考验，渠道混凝土衬砌破坏极少，说明针对分散性渠道采取的防治措施是非常有效的。

3）严格控制碾压工艺和质量控制也是防治分散性渠堤冲蚀的有效措施。应该把控制施工质量和达到最优含水量条件下的碾压看做是防治分散性粘土管涌改进土体柔性特点，也就是减少不均匀沉降裂缝或水力劈裂或者是两者的因素。但不及时填筑，最优含水量的碾压湿度会导致产生干缩裂缝，总之含水量不能低于最优含水量。偏干含水量的填土容易产生裂缝，而且沉陷与不均匀沉陷较大。