南水北调中线工程膨胀土边坡处理效果及评价

刘 鸣，程永辉，童 军

（长江科学院水利部岩土力学力学与工程重点实验室，武汉 430010）



南水北调中线工程膨胀土边坡处理效果及评价

刘 鸣，程永辉，童 军

（长江科学院水利部岩土力学力学与工程重点实验室，武汉 430010）

摘 要：为研究膨胀土边坡在膨胀作用下的破坏形式及边坡处理方案，针对不同工况进行了现场模拟试验与监测。系统总结了膨胀土边坡处理的施工技术；从边坡变形、含水率变化2个方面，全面分析了水泥土改性、土工格栅加筋、土工膜封闭、土工袋填筑4个工况的边坡处理效果。结果表明：水泥改性土（换填非膨胀黏性土）处理效果最好；土工格栅加筋主要存在施工工艺较为复杂的问题；土工袋填筑存在压实度难以控制的问题；土工膜封闭主要由于没有压重处理，效果最差。最后总结并提出了膨胀土边坡处理原则。

关键词：南水北调工程；膨胀土；施工工艺；边坡；变形；含水率；效果评价

1 研究背景

“十一五”国家科技支撑计划重大项目《南水北调工程若干关键技术研究与运用》中，课题“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”（编号：2006BAB04A10），通过南阳、新乡2个试验段现场原型试验验证（2008年初—2010年底）、室内模型试验以及边坡稳定分析，将膨胀土的破坏模式归纳为2类：裂隙强度控制下的渠坡滑动和膨胀作用下的渠坡滑动［1－2］。研究认为膨胀土裂隙可分为原生裂隙和次生裂隙：原生裂隙是由于地质作用产生的裂隙；次生裂隙是土体浅表层由于干湿循环引起的裂隙。2种裂隙对于膨胀土边坡稳定的作用机理是不同的：当滑动面方向与原生裂隙面重合时，由于原生裂隙面抗剪强度极低，在开挖卸荷、降雨和地层扰动等外部因素影响下，边坡将因抗滑力不足而失稳，这是一种重力作用下的失稳，也就是所谓裂隙强度控制下的渠坡稳定问题；而次生裂隙主要在地层浅表面产生，干湿循环破坏了土体的结构性，使其强度降低的机理是土体结构和密度变化引起，同时，次生裂隙又为雨水进入膨胀土层提供了垂直入渗的通道，雨水在渗入过程中引起土体表层膨胀变形，导致渠坡浅层破坏，故此处的膨胀变形是渠坡失稳的主要原因。

因此，如何改性膨胀土工程特性，防治膨胀土边坡的灾害，国内外岩土工程学者对各种处理措施进行了较多有益的探索。按膨胀土作用机理将边坡处理方案划分为以下4类：含水量控制法、换填法、锚固支挡法、坡面防护措施等［3－5］。其中，锚固支挡法加固边坡土体，提高边坡的稳定性，适合裂隙强度控制下的渠坡深层滑动。而对于膨胀作用下的渠坡滑动，主要采用含水量控制法和换填法。

换填法包括非膨胀黏性土换填、物理改性膨胀土换填、化学改性膨胀土换填3大类，其处理效果均能消除干湿循环对边坡土体的影响，同时，还可以起到一定的柔性支挡作用。其中，最常用的非膨胀土换填方法，是将建筑物下一定深度范围的膨胀土采用非膨胀土置换。但多数情况下膨胀土地区要找到合适的非膨胀土料较为困难，外运土料必然增加工程投资，如果将工程的开挖料加以改性利用，从经济角度和保护生态环境角度都是适宜的。

目前，研究较多的是采用物理改性膨胀土换填和化学改性膨胀土换填。物理改性膨胀土主要包括土工格栅加筋膨胀土［6－7］、纤维土［8－9］等；化学改性膨胀土常用的方法包括石灰改性、水泥改性、工业矿渣（粉煤灰）及其它改性材料［10－12］。这些处理措施各有优缺点，本文根据现场试验研究的结果，总结评价几种常见边坡的处理方案，提出膨胀土边坡处理原则。

2 边坡处理方案

2．1 水泥改性

膨胀土化学改性是通过在膨胀土中掺入有机类或无机类改良剂，降低膨胀土的膨胀性［1］。目前使用较多的无机类改良剂有石灰、水泥2种，其中膨胀土水泥改性是南水北调工程中膨胀土渠坡主要处理措施之一。膨胀土水泥改性，是将水泥掺入土料中，与黏土矿物发生一系列物理化学反应，生成胶凝物质，减少亲水凝黏土矿物的含量，并提高土颗粒间的黏结强度［2］，从而改造膨胀土工程特性。

在膨胀土水泥改性施工工艺方面，主要需解决水泥掺拌均匀性问题，如果拌和水泥不够均匀，必然会造成局部的灰剂量过低或过高，易导致改性土受大气影响产生不均匀胀缩变形。目前，施工中影响水泥掺拌均匀主要有2个因素：①在膨胀土地区，开挖料含水率常常大于塑限值，掺入水泥很容易聚集，不易拌和；②膨胀土属高液限黏土，透水性差、土块易板结、开挖料存在大量超大土团，在水泥掺拌的过程中，土团内部是无法掺入水泥的。现场试验研究表明：为满足水泥掺拌均匀性，土料含水率应不大于土料塑限值ωp；均匀性对土团团径大小的要求为最大土团≤80 mm，80～20 mm土团≤30%，＜5 mm细土团≥20%。

如何实现开挖料高含水率降低和土团破碎，满足水泥掺拌均匀要求，是膨胀土水泥改性施工重点。通过现场土团破碎试验，借鉴农用机械旋耕机或钢蓖条筛，再组合破碎机碎土，可快速降低开挖料含水率和破碎超大土团，钢蓖条筛的结构示意图如图1所示。

图1　钢蓖条筛结构示意图（钢蓖间距10 cm×高5 m）Fig．1 Schematic of steel sieve structure（spacing and height：10 cm×5 m）

2．2 土工格栅加筋

土工格栅加筋可以抑制膨胀土边坡膨胀变形，由于格栅的抗拉特性，当其埋设于土中并受到平面方向的拉力时，会在格栅内引起应力和变形，同时由于法向荷载的作用，格栅与土的上、下界面将产生阻碍其变形和运动的摩阻力。这种筋土之间的相互作用不仅表现在2种介质的界面处，而且在界面以外一定范围内的土体也参与了共同作用。

土工格栅加筋膨胀土施工关键，主要在于土工格栅反包、重复削坡等技术。格栅反包的意义在于控制侧向膨胀变形，由于上一层的铺料和碾压过程中也会使格栅产生一定的松弛，因此在施工过程中必须保证格栅与坡面紧密贴附，并有一定预拉力，如图2所示。另外，为保证格栅加筋土坡面压实质量，超填及重复削坡是关键，即在进行上层填筑时，下层要预留削坡余量，如图3所示。

图2　土工格栅加筋反包详图Fig．2 Details of geogrid reinforcement

图3　土工格栅加筋层填筑过程示意图Fig．3 Schematic diagram of the process of filling geogrid reinforced layer

2．3 土工膜封闭

土工膜封闭覆盖技术为直接含水率控制法，其原理是保证坡内土体基本不受大气因素影响，孔隙水压力保持稳定，降低了边坡土体含水率变化幅度，土体吸力维持较高值，但其地层内部的水分变化是需解决的重点环节。

土工膜覆盖封闭施工中应注意2点：复合土工膜的铺设不宜过紧，不得打皱，但在整体坡面铺设时，由于施工面积大，要避免局部隆起；土工膜的接缝处理应满足《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL／T225—98）。采用粘接法连接土工膜，缝强度优于焊接法，这2种接缝方法均要求连接缝强度不低于母材强度的80%。对于过水断面，防渗要求较高，可采用热熔双缝焊接，并采用充气法对复合土工膜拼接处全部进行密封性检测。对非过水断面防渗要求较过水断面低，可采用无通道连接法。

2．4 土工袋填筑

土工袋装填膨胀土，土工袋可以约束袋内土体的膨胀变形［13］，边坡处理层自身稳定性也满足要求。同时，土工袋装填膨胀土处理层对坡体也起到压重和柔性支护的作用，达到防止膨胀作用下的边坡滑动和变形的效果。

土工袋装填膨胀土填筑施工应注意3个问题：①根据试验结果，装袋充填率80%的土工袋比充填率100%的土工袋经碾压后更易破损，因此采用机械装填，能控制好装填率；②膨胀土装袋后，土工袋具有较大的可压缩性（碾压时将产生侧向变形），为满足碾压后的土工袋之间紧密搭接，土工袋之间间隙需控制在3～5 cm；③土工袋铺设时长边应垂直渠道的走向（即碾压机械的行进方向）。

2．5 施工工艺比较分析

水泥改性土、土工格栅加筋、土工袋填筑施工工艺比较分析及评价如下。

2．5．1 水泥改性土施工

膨胀土水泥改性土的填筑碾压工艺简单，质量易于控制，但对开挖土料超大土团破碎和高含水量的降低要严格控制，否则难以保证水泥掺和均匀性，影响改性效果。另外，水泥改性土碾压施工完成时间不能太长，否则水化反应影响碾压填筑效果。

2．5．2 土工格栅加筋施工

土工格栅加筋施工难点是层层反包方案，施工程序较复杂，效率不高，还存在超填再削坡，以及格栅保护问题，从现场试验看仍存在施工质量难以控制问题。

2．5．3 土工袋填筑施工

对土工袋填筑方案，虽然采用了装袋机装袋，但从装袋、缝口、运输到铺设，需要大量的人力，不便于机械化施工；土工袋填筑处理层主要问题是压实困难，袋与袋间隙填充质量难保证，施工效率不高。

2．5．4 综合评价

换填非膨胀黏性土施工最简便，不存在改性、加筋等工序；其次是水泥改性土方案，但应控制好水泥拌和均匀和碾压的时效性；土工格栅加筋工艺稍复杂，而土工袋机械化程度低且存在碾压质量控制问题；土工膜覆盖封闭施工对防渗要求较高，往往用于非过水断面。

3 现场试验成果分析及效果评价

为比较各处理措施防护效果，边坡处理后现场监测主要有2个方面：一是边坡工况模拟，模拟边坡处理层和衬砌损坏、失效条件下，膨胀变形对边坡结构影响程度；二是根据监测所得的坡内含水率（特别是处理层接触面）变化幅度、变化深度［14］，判别各处理措施受大气降雨影响的防护效果。

3．1 坡面简易防护效果

现场试验坡面简易防护措施包括水泥砂浆喷护、砌石拱＋植草、混凝土框格＋植草、植草等几种方案。历经2 a运行后，监测坡内含水率变化幅度均较大，以水泥砂浆喷护、砌石拱＋植草为例，含水率探头（埋深0．5 m和1．5 m）涨落变化与大气降雨基本同步，如图4、图5中的9—10号（图中的上方方框内部数字代表时间日历号，其它图类同）降雨含水率落差达7%～8%。由此可说明，坡面简易防护措施对于防止含水率变化的效果非常有限，仅可以抵抗表层雨水冲蚀、剥落、泥流等表面破坏，长期作用下，仍会出现边坡稳定问题，不能作为膨胀岩渠坡的永久处理措施。图6为运行2 a的水泥砂浆喷护边坡开裂、脱落、直至滑坡现场照片。

图4　水泥砂浆喷护段含水率历时曲线Fig．4 Variation of water content with time at test section supported by cement mortar spraying

图5　砌石拱＋植草防护段含水率历时曲线Fig．5 Variation of water content with time at test section protected by asonry arch and planting

图6　一级马道以上水泥砂浆喷护滑坡Fig．6 Cement mortar spraying support above the first berm

3．2 边坡运行工况模拟状态

膨胀土边坡处理层＋衬砌施工完成后，进行了运行工况（水位深7 m）模拟试验。运行工况模拟采用2种形式：①正常运行工况，即处理层＋衬砌完好；②极端运行工况，即当处理层＋衬砌失效条件下，分别进行渠坡蓄水、退水，观察边坡变形情况。工况模拟试验共进行4种处理方案，分别为土工格栅＋开挖料回填、换填非膨胀黏性土、复合土工膜、土工袋＋开挖料回填，除土工膜处理外，其它处理层厚度均为2 m。3．2．1 正常运行工况模拟

模拟试验于2008年10月25日渠道蓄水至2009年12月20日渠道退水后，对4种处理措施试验边坡衬砌产生裂缝进行统计分析：土工格栅处理措施未产生裂缝；换填非膨胀黏性土处理措施、土工袋填筑处理措施在左岸边坡靠近底部均产生1条裂缝，裂缝长分别为4．0，2．8 m，宽度分别为2．0，1．5 mm；土工膜处理措施共产生43条裂缝，均靠近渠坡底部，累积裂缝长约114 m，最大宽度约4．0 mm。如图7所示。

图7　复合土工膜处理衬砌裂缝平面示意图Fig．7 Plan of fixing cracks of lining by composite geomembrane

以上表明，由于土工膜处理措施没有上覆压重作用，加之土工膜覆盖封闭施工防渗要求难以保证，衬砌板开裂严重。

3．2．2 极端运行工况模拟

极端运行工况模拟，对边坡处理层采取强制破坏，即在边坡左、右岸开1～2 m宽槽，拆除衬砌板和处理层至原坡基面。试验于2010年5月开始蓄水，2010年9月10日退水结束。边坡衬砌隆起测绘结果见表1。

由表1可知，隆起量最大的是复合土工膜处理措施，左岸、右岸、渠底隆起量均大于其它3个处理方案，其中右岸渠坡隆起量最大，强制破坏试验前后观测隆起量分别为78．7，101．7 mm。在处理层厚度为2 m压重条件下，换填非膨胀黏性土隆起量最小（15～27 mm），而土工格栅加筋隆起量为21～39 mm。

表1　强制破坏试验蓄水前后累积最大变形Table 1 Cumulative maximum deformations before and after water storage in the failure test　mm

3．3 非过水断面边坡处理效果

一级马道以上非过水断面膨胀土边坡处理措施包括水泥改性土＋混凝土六方格植喷、土工格栅＋植草、土工膜＋水泥砂浆喷护、土工袋＋植草，通过现场试验各埋深含水率变化防护效果如下所述。

3．3．1 水泥改性土＋混凝土六方格植喷

如图8所示，处理层施工结束后，处理层内深度0．5 m含水率为初始阶段，也处于平衡阶段，超过此深度含水率有明显增大，变幅为15%。2009年6—8月，受大气降雨（5—9号）影响，处理层内含水率探头也有跳动，但处理层以下0．1 m及0．5 m的含水率也有一定的变化，而深部的含水率变化有一定滞后。总体看处理层以下各埋深含水率变幅不大。

图8　水泥改性＋混凝土六方格植喷处理含水率历时曲线Fig．8 Variation of water content with time at test section treated by cement modification and concrete frame

3．3．2 土工格栅＋植草

如图9所示，埋深0．5，1，2．5 m处分别布置了含水率探头，处理层施工前，受大气降雨（3—4号）影响，含水率有不同程度增长，变化幅度2%左右。处理层施工完工后，受处理层保护，2008年度各埋深含水率波动减小，2009年初基本稳定于37．2%，36．1%，39．1%。2009年度含水率受降雨影响有明显跳动，主要受上部植草凋零有关。

图9　土工格栅＋植草处理含水率历时曲线Fig．9 Variation of water content with time at test section treated by geogrid and grass planting

3．3．3 土工膜＋水泥砂浆喷护

如图10所示，埋深0．5，1，2，3 m处分别布置了含水率探头，不论在土工膜＋水泥砂浆喷护施工期间，还是施工完工后期观测，含水率均随大气降雨波动。施工完工前的5号降雨，0．5，1 m埋深含水率波动在5%左右；2008，2009年度，波动幅度在2%～3%之间，说明随着运行时间增长，水泥砂浆喷护保护能力逐年降低，土工膜也出现了雨水渗漏现象。

图10　土工膜＋水泥砂浆喷护处理含水率历时曲线Fig．10 Variation of water content with time at test section treated by geomembrane and cement mortar spraying

3．3．4 土工袋＋植草

如图11所示，埋深0．8，1．6，2．6 m处分别布置了含水率探头，2008年6月处理层施工完工之前，大气降雨与含水率变化基本同步，处理层施工后含水率仍受大气影响波动，2009年度含水率波动大于2008年度。如处理层内布置含水率探头，其埋深0．5 m，2008年6月处理层施工结束，含水率由38．6%降至27%稳定，到2009年3月在进行人工降雨时，含水率升至35%，由此说明土工袋隔水、防渗稳定性逐年下降。

图11　土工袋＋植草处理含水率历时曲线Fig．11 Variation of water content with time at test section treated by geotextile bag and grass planting

3．4 过水断面边坡处理效果

一级马道以下过水断面膨胀土边坡处理措施包括水泥改性土＋衬砌、格栅处理层＋衬砌、土工膜＋衬砌、土工袋＋衬砌，通过现场试验各埋深含水率变化防护结论如下。

3．4．1 水泥改性土＋衬砌

如图12所示，各埋深含水率变化稳定。说明渠坡经水泥改性处理后大气降雨对坡内基本未产生影响，水泥改性＋衬砌处理膨胀土边坡效果明显。

图12　水泥改性＋衬砌处理段含水率历时曲线Fig．12 Variation of water content with time at test section treated by modified cement and lining

3．4．2 土工格栅＋衬砌

如图13所示，在处理层施工后，埋深0．5，1，2．5 m处分别布置了含水率探头，除7—8号受降雨影响有较小波动外，均变化幅度较小，受处理层保护2008年度各埋深含水率均为36．9%，基本未受渠道蓄水影响。2009年度埋深0．5，1 m处含水率略有增长，如13号降雨使得含水率跳动幅度近2%，含水率波动和略有上升与渠道运行1 a后衬砌防渗能力下降有关。

3．4．3 土工膜＋衬砌

如图14所示，处理层施工于2008年6月24日完成，埋深0．5，1，2 m处布置有含水率探头，含水率在2008年8月25日降雨条件下（8号）均有2%跳动，2008年12月27日渠道蓄水、2009年2月21日渠道退水，含水率分别相应增长、下降，2009年5—6月份大气降雨条件下3个埋深含水率波动较大，说明土工膜处理方案经过2 a运行，防渗能力开始下降。

图13　土工格栅＋衬砌处理含水率历时曲线Fig．13 Variation of water content with time at test section treated by geogrid and lining

图14　土工膜＋衬砌处理含水率历时曲线Fig．14 Variation of water content with time at test section treated by geomembrane and lining

3．4．4 土工袋＋衬砌

如图15所示，含水率探头在原基面以下埋深分别为0．5，1．5，2．5 m，2008年5月30日施工结束后，含水率并没有趋于稳定，2008年12月8日含水率最大跳动幅度为31．5%～41．8%，与12月4日渠道蓄水有关。2009年度受大气降雨影响，含水率波动大于2008年。

3．5 处理效果评价

（1）坡面简易防护措施对于防止含水率变化的效果非常有限，仅可以抵抗表层雨水冲蚀、剥落、泥流等表面破坏，长期作用下，仍会出现边坡稳定问题。

（2）水泥改性土、土工格栅加筋、土工袋均属换填压重的方法，从现场试验研究成果来看，以上4种换填压重的方法均是有效的，可以解决膨胀作用下的浅层失稳问题。但对于膨胀土边坡，由于膨胀性差异较大，应采用不同的处理厚度保证压重效果。

图15　土工袋＋衬砌处理含水率历时曲线Fig．15 Variation of water content with time at test section treated by geobags and lining

（3）水泥改性土处理方案具有很好的防渗性，处理层以下土体受大气降雨影响较小，含水率变化不大。而土工格栅加筋、土工袋处理层以下土体含水率，均易受大气降雨影响有不同程度变化，这与处理层上覆盖层或衬砌有破损渗漏，以及处理层本身防渗能力不足有关，如图16所示。试验证明对于土工格栅加筋、土工袋处理层以下土体，是以处理层与土体接触面的含水率变化最大，极易导致产生软弱滑动面，直接影响工程安全。因此，对于这2种处理层除了考虑厚度保证压重效果外，同时还应考虑处理层防排渗结构。

图16　非过水断面和过水断面0．5 m埋深含水率变幅Fig．16 Variation of water content at 0．5 m in the non⁃water flow section and the water flow section

（4）复合土工膜处理方案主要作用是防止土体含水量变化，但由于没有压重效果，衬砌出现的裂隙和隆起现象均较其它处理方案严重。对于膨胀土边坡来说，过水断面常年高水头输水，渗漏是不可避免的。因此，复合土工膜方案不能用于过水断面边坡处理；而非过水断面边坡主要受大气环境影响，采用复合土工膜可以起到一定的效果，但必须考虑土工膜老化问题，同时还需解决降雨产生的后方来水问题。所以复合土工膜方案可用于低地下水位且侧向补给较差的非过水断面边坡处理。

（5）处理效果评价。换填非膨胀黏性土，水泥改性土处理效果最好，其次是土工格栅加筋处理；土工袋填筑稍差，效果最差的是复合土工膜处理方案。

4 结 论

根据膨胀土边坡各处理方案防护技术特点和处理效果，膨胀作用下膨胀土边坡处理原则归纳如下：

（1）以边坡土体不产生膨胀变形为条件进行边坡处理层设计。对于临时性工程，可采用含水量控制进行简易处理；对于永久性工程，建议采用换填压重的方法。换填层厚度通过有荷膨胀率试验确定，同时根据处理层防渗能力考虑防排水结构；要求换填处理层本身不应产生胀缩变形，其处理方案可考虑非膨胀黏性土、水泥改性膨胀土、土工格栅加筋膨胀土、石灰改性膨胀土等换填方案。

（2）首选换填非膨胀黏性土或水泥改性土；其次在工程投资允许的情况下可采用土工格栅加筋、土工袋的处理方案。土工袋的处理方案应注意处理层与原坡面的排水问题；复合土工膜处理措施可用于地下水位低、无侧向补给的一级马道以上渠坡。

（3）在保证边坡抗滑稳定性要求后，还应采取坡面防护措施，可选用砌石联拱、混凝土框格、菱形结构、水泥砂浆抹面、植草等，具体措施应根据边坡的实际情况确定。

（4）在满足以上要求的前提下，可通过工程投资、施工工期、施工工艺复杂性以及其他工程限定的实际条件等进行综合比较分析，选定经济合理的边坡处理方案。

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（编辑：姜小兰）

Effectiveness of Treatment Measures for Expansive Soil Slope in the Middle Route of the South⁃to⁃North Water Transfer Project

LIU Ming，CHENG Yong⁃hui，TONG Jun
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resource，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：According to the failure mode of expansive soil slope induced by expansion effect and the monitoring re⁃sult of on⁃site simulation test，we summarize the techniques of expansive soil slope treatment．Furthermore，we compare and analyse the effectiveness of four treatment measures（cement soil modification，geogrid reinforcement，geomembrane，and geotextile bags filling）by evaluating the slope deformation and the variation of moisture content．Results reveal that cement soil（replacement of non⁃expansive clayey soil）has the best performance，whereas geo⁃grid reinforcement is featured with complex techniques，and the compaction degree of geotextile bags filling is hard to control．Finally，we put forward the principles of expansive soil slope treatment．

Key words：South⁃to⁃North Water Transfer Project；expansive soil；construction technique；slope；deformation；water content；effectiveness assessment

作者简介：刘 鸣（1963－），男，浙江奉化人，高级工程师，主要从事岩土工程试验、安全监测等方面的研究工作，（电话）027－82927646（电子信箱）lmoyq6763＠sina．com。

基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAB04A10）

收稿日期：2014－11－25；修回日期：2015－02－06

中图分类号：TU411．3

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0104－07