南水北调中线鲁山南2段渠道膨胀土处理设计

贾 静 马少波 岳丽丽 魏铂佳

南水北调中线鲁山南2段渠道膨胀土处理设计

贾 静 马少波 岳丽丽 魏铂佳

膨胀土是高塑性黏土，具有吸水膨胀和失水收缩、浸水后承载力降低、干缩裂隙发育等特性。就南水北调中线鲁山南2段渠道膨胀土问题，在分析膨胀土破坏机理的基础上，介绍了其处理方法及相应的处理措施。

渠道 膨胀土 水泥改性土 换填 防渗排水

南水北调中线鲁山南2段位于平顶山市鲁山县境内，总长9.780 km，其中渠道长9.066 km，建筑物长0.714 km。渠道为梯形实用经济断面，分全挖、全填、半挖半填3种情况，其中，全挖方渠段长3 263.0 m，全填方渠段长111.0 m，半挖半填渠段长5 692.0 m。本段渠道纵坡采用1/25 000，设计流量320 m3/s，加大流量为380 m3/s。渠道设计水深为7.0 m，边坡系数2.0~2.5，底宽22~24.5 m。渠道采用全断面现浇混凝土衬砌，渠坡衬砌混凝土厚10 cm，渠底厚8 cm。衬砌混凝土下铺设复合土工膜防渗。

1 主要地质情况及存在问题

1.1 主要地质情况

1.1.1 膨胀土分布情况

鲁山南2段渠道通过伏牛山山前的垄岗、丘陵地带及Ⅱ级阶地分布有膨胀土，通过膨胀土区段总长达6.380 km。其中，具有弱膨胀土的渠段长5.77 km，有0.35 km只分布于渠底板以下；有中等膨胀性土的渠段长0.61 km，全部分布在渠底板以下。膨胀土分布见表1。

表1 鲁山南2段膨胀土分布表

1.1.2 地下水分布情况

根据渠线现状地下水位埋深、长观孔资料、渠线勘探孔及附近水井观测成果，结合大气降水资料，并考虑渠线地形地貌、土岩渗透性等，对渠线沿线地下水的最大、最小埋深进行预测，预测结果见表2。

表2 鲁山南2段地下水位及变幅预测成果表

1.2 存在问题

鲁山南2段渠段经过膨胀土区较长，约占本渠段总长70.4%。其颗粒成分主要由黏粒及粉粒组成，富含以蒙托石为主的亲水矿物，隐蔽裂隙发育，裂隙面光滑。在天然状态下，多呈坚硬、硬塑状态，强度一般较高，压缩性较小；浸水后迅速软化、膨胀、崩解以及强度大大降低。反复胀缩的结果使得土体结构发生破坏，力学强度随之降低，对渠坡和渠床产生直接破坏作用，使衬砌遭到破坏，导致渠水外渗，渠道不能正常运行。

对于部分地下水位长期高于渠道设计水位，且变幅较大、地基以弱膨胀土为主的渠段，地下水会引起膨胀土含水量的变化，进而使膨胀土体承载力迅速下降，抗剪强度降低，影响边坡稳定。同时，地下水位较高，严重影响渠道施工开挖期间的边坡稳定和检修期渠内混凝土衬砌结构的稳定。

2 鲁山南2段渠道膨胀土处理措施

膨胀土边坡失稳主要是土体裂隙发育造成。膨胀土吸水膨胀，裂隙闭合，失水则张开。干湿交替变化，造成膨胀土的反复膨胀和收缩，最终导致土体松散，破坏土体的完整性，因此，膨胀土边坡浅层失稳的处理措施，核心是断绝膨胀土与外界的接触，减少膨胀土的初始含水量发生变化。其处理技术主要包括：含水量控制法、换填法、锚固支挡法及加强表层防护措施等。同时，在施工时做好防水保湿：一是要挡住外水使其不进入施工基槽；二是尽可能避开雨季施工；三是降低地下水的措施要安全可靠，保证基坑干地施工；四是采用预留保护层方法开挖，避免土体长时间裸露失水收缩干裂，保护层开挖完毕后紧跟下道工序施工。

针对鲁山南2段实际地质情况，对于膨胀土渠段，必须采取处理措施，以保证渠道的安全运行。通过施工难易程度、投资、工程处理效果等方面的综合比较，最终选取水泥改性土换填法，对开挖料进行掺水泥改性，消除其胀缩性，提高强度并保持持久稳定；为防止施工期或渠道放空检修期地下水扬压力对边坡及衬砌板的破坏，以及水位变动引起膨胀土含水量的变化等，采取防渗排水措施，确保边坡稳定。

2.1 水泥改性土换填

对于挖方渠段，在设计开挖断面的基础上，向渠坡外超挖，然后换填水泥改性土。通过改性土的压重作用减小下伏膨胀土的膨胀变形，同时对边坡还可以起到一定的柔性支挡作用。根据膨胀土通常在表层发生破坏的特点，结合当地大气影响急剧层深度，以及膨胀土地区已建工程处理的成功经验，换土的最小厚度需满足隔离层抵抗膨胀变形的要求，经分析确定弱、中等膨胀土的换土垂直厚度分别为1.0 m和1.5 m，且只对衬砌下 （即一级马道以下）的膨胀土进行换土处理。

对于填方渠段，由于本渠段开挖料量较大，但主要以弱膨胀性黏性土为主，为充分利用开挖料，减少弃土及借土方量，降低工程投资，将弱膨胀土开挖料亦作为填筑用料。但考虑到膨胀土的固有特性，为确保渠道边坡及衬砌的稳定，采用 “金包银”的填筑方式，即内部回填开挖料，外包1.0 m厚水泥改性土。挖方、填方改性土处理措施分别见图1、2。

图1 挖方段改性土处理措施图

图2 填方段改性土处理措施图

2.2 防渗排水

通过对本渠段地下水分布情况、地下水水质及地形情况等分析，本渠段不具备自流外排条件，故采取自流内排方案，将地下水排入总干渠，保证渠道边坡和衬砌结构稳定，并减少总干渠的输水损失。具体措施为：在渠底中部设置单排集水管，并根据排水需要设置逆止阀；边坡则根据地下水位高低情况及渠道挖填情况分别布置单排或双排集水管，同时设置逆止阀。按上述原则，并综合考虑地下水位变化情况，本渠段采取自流内排方案渠段总长8 814 m，其中，单排布置渠段长5 368 m，双排布置渠段长3 446 m。内排单排、双排排水布置分别见图3、4。

同时，为了减少渠道渗漏及水头损失，提高渠道水利用率，以及避免因渠道渗漏引起土体的膨胀变形、强度降低，本渠段采用全断面混凝土衬砌，并采用复合土工膜加强防渗。

3 结语

南水北调中线鲁山南2段膨胀土边坡采用改性土换填法处理。对于挖方渠段边坡，在设计开挖断面的基础上，向渠坡外超挖，然后换填1.0~ 1.5 m厚度的水泥改性土；对于填方渠段，则采用内填开挖料，外包1.0 m厚水泥改性土的 “金包银”的填筑方式。同时，为防止施工期或放空检修期地下水扬压力对边坡及衬砌板的破坏，以及水位变动引起膨胀土含水量的变化等，对衬砌板后设计了排水设施，即利用纵、横向暗管集水并通过逆止阀排入总干渠，保证渠道边坡和衬砌结构稳定，取得较好的效果。

图3 暗管内排单排排水布置图

图4 暗管内排双排排水布置图

贾 静 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

马少波 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

岳丽丽 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

魏铂佳 男 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

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