沈鳳生

（國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室 北京 100038）

1 概況

膨脹土（巖）渠坡處理是南水北調(diào)中線一期工程總干渠（以下簡稱中線總干渠）輸水明渠工程的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，在實(shí)施初期，中線總干渠膨脹土（巖）渠坡處理采用以放緩渠坡和對渠床進(jìn)行換填處理為主的處理方案。隨著對膨脹土（巖）渠坡滑動(dòng)破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步加深，膨脹土（巖）地層中可能存在裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面，裂隙產(chǎn)狀雖然有一定的規(guī)律性，但也具有很強(qiáng)的區(qū)域性及局部性；裂隙的密度、延展性與膨脹土（巖）的膨脹特性、地層埋置深度等相關(guān)；裂隙面光滑，抗剪強(qiáng)度低，對明渠渠道邊坡穩(wěn)定影響較大；裂隙面很多沒有厚度或厚度極薄，常規(guī)工程地質(zhì)鉆孔勘察難以準(zhǔn)確查明；膨脹土（巖）渠坡一般存在上層滯水，且膨脹土（巖）的滲透系數(shù)多較換填土層大。由于缺乏在中、強(qiáng)膨脹土（巖）地基上修建大型明渠渠道的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在總干渠上開展的兩個(gè)膨脹土（巖）渠坡處理現(xiàn)場試驗(yàn)段，又不包括強(qiáng)膨脹土（巖）渠段和挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段試驗(yàn)，且地下水位相對較低，因此，強(qiáng)膨脹土（巖）渠段和挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理方案需要借鑒試驗(yàn)段試驗(yàn)研究得出的規(guī)律性認(rèn)識(shí)和分析方法，以及安陽段膨脹土（巖）渠坡處理工程經(jīng)驗(yàn)，基于實(shí)際開挖地質(zhì)情況來深入研究。本文就中線總干渠明渠渠道膨脹土（巖）渠段施工期一級(jí)馬道以下渠坡處理方案進(jìn)行探討。

2 膨脹土(巖)試驗(yàn)段渠坡處理的基本認(rèn)識(shí)

在中線總干渠上布設(shè)兩個(gè)膨脹土（巖）現(xiàn)場試驗(yàn)段，即南陽靳崗試驗(yàn)段和新鄉(xiāng)潞王墳試驗(yàn)段。兩個(gè)試驗(yàn)段研究成果表明∶影響膨脹土（巖）渠坡穩(wěn)定性的因素較多，歸納起來主要有兩大類：一類是與巖土自身物理力學(xué)特性有關(guān)的因素，如巖土體強(qiáng)度、膨脹性、滲透性等；另一類是與巖土的生存環(huán)境等有關(guān)的因素，如降雨和干濕循環(huán)過程、地層巖性、地形特征和裂隙產(chǎn)狀等。從靳崗試驗(yàn)段發(fā)生渠坡破壞情況看，地層中的裂隙面是控制邊坡穩(wěn)定的重要因素，裂隙的密度、數(shù)量和傾向均對邊坡的穩(wěn)定有著重要影響，一旦地質(zhì)條件具備，加之開挖卸荷、大氣降雨等外部條件的變化，膨脹土（巖）邊坡就可能發(fā)生失穩(wěn)。從現(xiàn)場試驗(yàn)可以看出，渠坡破壞主要表現(xiàn)為兩種不同的破壞模式，一類是由于裂隙面強(qiáng)度極低導(dǎo)致的滑動(dòng)破壞；另一類是由于巖體吸濕膨脹所導(dǎo)致的破壞。靳崗試驗(yàn)段以第一類破壞模式為主，潞王墳試驗(yàn)段以第二類為主。靳崗試驗(yàn)段施工開挖中，由弱膨脹土（巖）體組成的渠坡在坡比緩于1∶2 時(shí)，渠坡總體是穩(wěn)定的，施工開挖期一般不存在渠坡滑動(dòng)問題。而中膨脹土（巖）體在坡比為1∶2 左右時(shí)，產(chǎn)生滑坡的幾率較大。潞王墳試驗(yàn)段渠坡膨脹性相對較弱，地層裂隙不發(fā)育，施工開挖時(shí)渠坡破壞現(xiàn)象較少，尤其是地層沒有發(fā)現(xiàn)長大裂隙發(fā)育。

兩個(gè)試驗(yàn)段開展試驗(yàn)期間的地下水位均相對較低，地下水對已經(jīng)處理渠坡的影響并未充分體現(xiàn)。地下水影響可借鑒安陽段膨脹土（巖）渠坡處理經(jīng)驗(yàn)，對于預(yù)測地下水位高于渠底的，需要采取合適的排水措施。初設(shè)階段提出的單一換填處理措施可以解決因?yàn)楦蓾裱h(huán)引起的膨脹性穩(wěn)定問題，但對于地層裂隙的影響以及地下水位高于渠底而可能產(chǎn)生的換填層穩(wěn)定的問題需要研究采取進(jìn)一步的處理措施。

3 原初設(shè)渠坡處理方案

初設(shè)階段原膨脹土（巖）渠坡處理方案采用換填非膨脹性黏土方案。以設(shè)計(jì)開挖斷面為基礎(chǔ)，在膨脹土（巖）出露的部位，分別從渠底和設(shè)計(jì)坡面下垂直超挖，按明渠渠道設(shè)計(jì)斷面回填碾壓。弱膨脹土（巖）換填厚度一般為0.6～1.0m；中膨脹土（巖）換填厚度一般為1.5～2.0m；強(qiáng)膨脹土（巖）換填厚度一般為2.0～2.5m。

對于缺乏非膨脹性黏土地區(qū)，通過靳崗和潞王墳兩現(xiàn)場試驗(yàn)段對土工膜封閉、土工袋處理、土工格柵處理、換填摻水泥改性的膨脹土等采用封閉或用外力約束處理膨脹土（巖）渠坡的方案進(jìn)行比選。通過反復(fù)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，考慮工程施工工藝、經(jīng)濟(jì)合理性等多重因素后，最終選擇回填弱或中膨脹土摻水泥改性方案。改性土生產(chǎn)中摻水泥比例根據(jù)設(shè)計(jì)要求和試驗(yàn)確定，一般弱膨脹土摻4%左右水泥，中膨脹土摻6%左右水泥。

4 主要地質(zhì)條件

膨脹土（巖）渠段的地質(zhì)條件隨明渠渠道穿越的地區(qū)不同而不同。中線總干渠膨脹土（巖）渠段總體可以分為3大段來研究，即邯邢段、漳河南—沙河南段、沙河南—陶岔段。

4.1 邯邢段

邯邢段膨脹土（巖）為第三系湖相沉積黏土巖及黏土，或第四系下更新統(tǒng)湖相沉積、冰水堆積黏土。第三系黏土巖及黏土，裂隙和隱蔽裂隙發(fā)育，裂面具蠟狀光滑，常見擦痕；第四系下更新統(tǒng)湖積黏土及壤土，黏土致密，裂隙及隱蔽裂隙發(fā)育，裂面蠟狀光澤，見擦痕；第四系下更新統(tǒng)冰水積湖積黏土、壤土，裂隙和隱蔽裂隙發(fā)育，裂面蠟狀光澤，見擦痕。邯邢段膨脹土（巖）空間分布特征明顯，弱、中和強(qiáng)膨脹性等級(jí)的土（巖）隨機(jī)性強(qiáng)，相互“包容”。主要抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為凝聚力19～30kPa，抗剪強(qiáng)度12o～17o。

4.2 漳河南—沙河南段

漳河南—沙河南渠段膨脹土（巖）主要為黏土巖及泥灰?guī)r。黏土巖多呈堅(jiān)硬至硬塑土狀，成巖差，干裂后網(wǎng)狀裂隙發(fā)育。棕紅色黏土巖裂面具蠟狀光澤和擦痕，巖性不均，局部夾有砂質(zhì)黏土巖和泥質(zhì)砂巖，層內(nèi)夾有砂巖、礫巖、泥灰?guī)r等。泥灰?guī)r為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)，大部分成巖差，為硬可塑至堅(jiān)硬土狀，多為軟巖，少部分鈣質(zhì)膠結(jié)，成巖較好，局部為半堅(jiān)硬巖石，巖體均勻性差，夾有黏土巖透鏡體，節(jié)理裂隙發(fā)育，沿裂隙有鐵錳薄膜，局部見溶孔、溶隙。由于膨脹巖具有裂隙性和膨脹性，大量分布“方向隨機(jī)型”裂隙的土體，可視為強(qiáng)度各向同性。對于分布一定量的“組合定向型”裂隙的土體，其抗剪強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的各向異性，難以用一個(gè)定量指標(biāo)來表征某一點(diǎn)土體的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)施工開挖期發(fā)生滑坡膨脹巖邊坡進(jìn)行參數(shù)反演，黏土巖裂隙面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，凝聚力約8.5kPa，摩擦角約10o；巖(土)塊抗剪強(qiáng)度凝聚力約16kPa，摩擦角約17o。

4.3 沙河南—陶岔段

沙河南—陶岔段膨脹土主要為第四系中、下更新統(tǒng)（Q2、Q1）粉質(zhì)黏土、上更新統(tǒng)（Q3）粉質(zhì)黏土。膨脹巖主要為上第三系（N）河湖相沉積的灰白、灰綠、棕黃色黏土巖、砂質(zhì)黏土巖、泥灰?guī)r。膨脹土（巖）渠段主要有如下兩方面特征：

（1）結(jié)構(gòu)條帶特征?？煞执髿庥绊憥А⑦^渡帶、非影響帶。大氣影響帶為地表以下0～3m，可取膨脹土（巖）殘余強(qiáng)度。過渡帶為地表以下3～7m，受大裂隙和長大裂隙控制，不僅發(fā)育有大裂隙和長大裂隙，而且普遍存在上層滯水。渠道開挖過程中，伴隨著邊坡土體卸荷松弛，裂隙或多或少地張開和錯(cuò)位，上層滯水進(jìn)入裂隙面可導(dǎo)致膨脹土（巖）強(qiáng)度下降?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明：膨脹土（巖）裂隙面強(qiáng)度較其殘余強(qiáng)度小。因此，過渡帶對邊坡穩(wěn)定性影響最大。非影響帶為地表以下7m 以上，受土體強(qiáng)度和裂隙強(qiáng)度控制，一般穩(wěn)定性較好，具有超固結(jié)性和微透水性，典型的非飽和性，大裂隙減少，并多呈閉合狀、光滑鏡面。

（2）地下水的垂直分帶特征。施工開挖揭示，上層滯水埋藏較淺，土體滲透特性在深度上具有明顯的分帶特征，自上而下分為較弱透水性、弱透水性和微弱透水性等三帶。

針對膨脹土(巖)地層中存在的裂隙，對裂隙面抗剪強(qiáng)度開展了專門試驗(yàn)研究，并結(jié)合試驗(yàn)中發(fā)生的滑坡體所開展的膨脹土（巖）裂隙面物理力學(xué)參數(shù)反分析，實(shí)際潛在滑動(dòng)面上的綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)需根據(jù)裂隙面傾角、裂隙面與滑動(dòng)面夾角等，按構(gòu)成滑動(dòng)面的裂隙長度與切割土塊滑動(dòng)面長度，通過加權(quán)平均方法確定。對于強(qiáng)膨脹土（巖），其土塊與裂隙滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)均取裂隙面抗剪強(qiáng)度參數(shù)。據(jù)研究，膨脹土（巖）裂隙面抗剪強(qiáng)度凝聚力約10.3kPa，摩擦角約9.8o。

5 調(diào)整渠坡處理措施

對于地下水位（或上層滯水）高于渠底情況，需在膨脹土（巖）開挖面與換填層之間根據(jù)情況增設(shè)排水設(shè)施。同時(shí)對于施工開挖發(fā)現(xiàn)膨脹土（巖）裂隙發(fā)育、存在長大裂隙或結(jié)構(gòu)面的渠段，需對原初設(shè)膨脹土(巖)渠段渠坡處理方案進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，根據(jù)穩(wěn)定復(fù)核成果調(diào)整相應(yīng)的處理措施。

5.1 穩(wěn)定分析研究

當(dāng)膨脹土（巖）渠坡中存在裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，渠坡沿裂隙或軟弱結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定分析中，潛在滑動(dòng)面通常是折線型，或折線與弧線連通形成的組合滑動(dòng)面，圓弧滑動(dòng)面法難以反映邊坡失穩(wěn)時(shí)的實(shí)際情況，需要按照組合滑動(dòng)面采用剛體極限平衡法進(jìn)行分析計(jì)算。穩(wěn)定分析中，主要采用如下設(shè)計(jì)容許安全系數(shù)：

邊坡最小安全系數(shù)：基本組合1.5；完建與檢修1.3；非常組合1.2。

抗滑樁及坡面支撐梁：基本組合1.25；完建與檢修1.15；非常組合1.1。

土錨：基本組合2.0；完建與檢修1.5；非常組合1.5。

其中，抗滑樁、坡面支撐梁、土錨的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載一般按照滑坡體（非圓弧滑動(dòng)面）安全系數(shù)1.3 情況下的剩余下滑力計(jì)算結(jié)果取值。

由于膨脹土（巖）渠坡中的裂隙在渠道開挖前無法事先查明，膨脹土（巖）渠坡加固設(shè)計(jì)一般按照最不利裂隙組合進(jìn)行，在施工階段結(jié)合開挖實(shí)際揭露的裂隙情況進(jìn)行復(fù)核調(diào)整。

經(jīng)穩(wěn)定性研究，強(qiáng)膨脹土（巖）或挖深大于15m 中膨脹土（巖）渠段，地層裂隙發(fā)育的弱膨脹土（巖）或挖深小于15m 中膨脹土（巖）渠段渠坡均需要采取進(jìn)一步的渠坡加固措施。

5.2 渠坡處理措施比較

除由于地下水原因需要在膨脹土（巖）開挖面與換填土交界面上增設(shè)合適的排水措施外，對于初設(shè)處理方案不滿足穩(wěn)定要求的，對混凝土矩形明渠方案、混凝土落地槽方案、暗涵方案、擋土仰墻方案、“擋土仰墻”+“土錨”方案、以換填土為基本方案（“換填土”+“抗滑樁”支護(hù)方案、“換填土”+“抗滑樁”+“支撐剛架結(jié)構(gòu)”方案）等可行的膨脹土（巖）渠坡處理方案分別進(jìn)行了研究，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用換填土作為調(diào)整膨脹土（巖）渠坡處理措施的基本方案。具體處理方案中，根據(jù)膨脹土（巖）渠段的不同情況，主要采取加厚換填層、增設(shè)抗滑樁等結(jié)構(gòu)支撐措施。

5.3 調(diào)整后的渠坡處理措施

根據(jù)設(shè)計(jì)研究成果，對于換填用非膨脹性黏土，若其自由膨脹率為20%～40%時(shí)，也需要摻水泥進(jìn)行改性方能滿足換填土的功能要求。

5.3.1 邯邢段

邯邢段弱膨脹土（巖）及挖深小于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理措施主要采用原初設(shè)方案。強(qiáng)膨脹土（巖）及挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段長度約10.4km，其中有約9.9km渠段地下水位高于渠底，經(jīng)研究采用加厚換填厚度，部分放緩邊坡，增設(shè)排水措施，加厚混凝土襯砌厚度等措施來解決穩(wěn)定問題。對于強(qiáng)膨脹土（巖）渠段，渠坡及渠底換填層厚度增加到 3m或3.5m，當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇讜r(shí)，換填層厚度取3m，否則取3.5m；對于中膨脹土（巖）渠段，渠坡及渠底換填層厚度取2.5m。混凝土襯砌板厚度從原邊坡10cm，底板8cm 厚均增加到15cm厚。對于地下水位高于渠底的渠段，在換填層與膨脹土（巖）開挖面交界面上增設(shè)排水措施，其中渠坡采用縱橫向十字盲溝排水方案，渠底采用換填層下增設(shè)砂礫料排水層，通過排水設(shè)施將地下水匯集到渠坡靠渠底部位，通過逆止閥排水。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，部分換填土采用弱膨脹土經(jīng)摻4%水泥后改性。

5.3.2 漳河南—沙河南段

（1）弱膨脹土（巖）和挖深小于15m 的中膨脹土（巖）渠坡處理。根據(jù)預(yù)測地下水位與渠底相對高度，主要處理方案分3 三類。一是對預(yù)測地下水位低于渠底，開挖過程中未見有長大裂隙的渠段，仍按原初設(shè)方案實(shí)施；二是對預(yù)測地下水位高于渠底3m 范圍內(nèi)，且開挖過程中未見有長大裂隙的渠段，為保證施工完建期及檢修期渠道的安全，在原初設(shè)方案的基礎(chǔ)上，在換填土與膨脹土（巖）開挖面交界面上增設(shè)排水措施，即在坡面設(shè)置三維排水網(wǎng)墊，渠底鋪設(shè)粗砂墊層，并將設(shè)置在坡腳的軟式透水暗管集水相互連通，接入逆止閥排水。渠底以上3m 高度內(nèi)坡腳采用摻4%～5%水泥的水泥土，渠底以上3m 高度以上渠坡仍采用非膨脹性黏土換填；三是對預(yù)測地下水位高于渠底3m 以上渠段，其處理方案為在上述加強(qiáng)排水、加固坡腳方案基礎(chǔ)上，每隔一定距離設(shè)置一口輔助強(qiáng)排井。對于施工開挖有長大裂隙的，專門研究相應(yīng)加固措施。

（2）強(qiáng)膨脹土（巖）及挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理（不包括滎陽段和鄭州1 段）。主要處理措施為換填，換填土采用摻5%水泥的水泥土。對于地下水位在渠底附近（不高于渠底1.5m）時(shí)，中膨脹土（巖）渠段渠坡?lián)Q填厚度為坡頂2.0m、坡底3.0m、渠底2.5m；強(qiáng)膨脹土（巖）渠段渠坡?lián)Q填厚度為坡頂2.5m、坡底3.5m、渠底3.0m。對于地下水位較高的情況（高于渠底1.5m），需在上述加厚換填層厚度基礎(chǔ)上，在換填土與膨脹土（巖）開挖面交界面上設(shè)置排水管網(wǎng)+逆止閥的組合排水系統(tǒng)。對于膨脹性強(qiáng)，經(jīng)計(jì)算分析需要增設(shè)抗滑措施的，一般在一級(jí)馬道頂部設(shè)置抗滑樁，以滿足邊坡的穩(wěn)定要求。抗滑樁的樁徑、長度、間距根據(jù)具體情況確定。對于按照原初設(shè)方案已經(jīng)完成換填施工工序的強(qiáng)膨脹土（巖）渠坡，由于未能增厚換填層，需要采用“土錨桿”+“混凝土框格梁”的組合處理方案，即在混凝土縱、橫向框格梁交匯處設(shè)置土錨桿，土錨桿、混凝土框格梁的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況，由穩(wěn)定計(jì)算確定。

滎陽段挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段，在渠坡和渠底換填2.5m 非膨脹性黏土基礎(chǔ)上，采用抗滑樁方案或“抗滑樁”+“支撐剛架結(jié)構(gòu)”方案。

鄭州1 段挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段，采用膨脹土（巖）表面換填基礎(chǔ)上增設(shè)部分抗滑樁方案。換填土厚度在渠坡和渠底均取2.5m，摻4%水泥的改性土換填，混凝土襯砌板加厚至0.15m。

5.3.3 沙河南—陶岔段

（1）弱膨脹土（巖）和挖深小于15m 的中膨脹土（巖）渠坡處理。經(jīng)對開挖地質(zhì)進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)膨脹土（巖）地層中不存在裂隙時(shí)，初設(shè)確定的設(shè)計(jì)斷面渠坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。當(dāng)開挖深度大于6m 時(shí)，坡體地層存在緩傾角裂隙，同時(shí)有陡傾角裂隙切割時(shí)，需要適當(dāng)增加處理措施。地層存在裂隙條件下，渠坡中的地下水（包括上層滯水）對渠坡穩(wěn)定影響僅次于裂隙影響。

經(jīng)穩(wěn)定復(fù)核和加固計(jì)算分析，在初設(shè)處理方案基礎(chǔ)上需進(jìn)一步加固的渠段，主要加固措施為增厚膨脹土表面的換填厚度，增加渠坡抗滑樁或“抗滑樁”+“支撐剛架結(jié)構(gòu)”，對于地下水位高于渠底的，還需要增設(shè)坡體排水措施。對臨近水系附近，還需要增設(shè)一定的防滲措施，并在渠道坡面增設(shè)坡體排水孔以降低坡體地下水位。其中弱膨脹土（巖）渠段采用0.6～1.0m 厚換填土換填；中膨脹土（巖）渠段采用1.2～1.5m 厚換填土換填。對于支護(hù)段較短、剩余下滑力較小的邊坡，可采用抗滑樁或加大坡腳水泥改性土換填厚度等措施。

（2）強(qiáng)膨脹土（巖）及挖深大于15m 的中膨脹土（巖）渠段渠坡處理。經(jīng)復(fù)核，膨脹土（巖）地層中水平裂隙對渠坡穩(wěn)定影響較大，且兩側(cè)渠坡影響具有對稱性。對于陡傾角裂隙與緩傾角裂隙的組合，一般只在一側(cè)渠道坡面上出現(xiàn)，需要根據(jù)施工揭露情況確定。此時(shí)，一般在一側(cè)只考慮水平裂隙，另一側(cè)考慮組合裂隙。

經(jīng)分析研究，調(diào)整的加固方案主要為加厚膨脹土（巖）表層換填厚度，增加渠坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。地下水位高于渠底的，需增設(shè)坡體排水孔，臨近水系附近的特殊渠段，還需增加截、排水措施。中膨脹土（巖）渠段渠坡及渠底換填層厚度增加到2.5m，強(qiáng)膨脹土（巖）換填層厚度增加到3.0m。為增加膨脹土（巖）渠坡表面的從圖2 可以看出，峽口以上流域在實(shí)施了上述工程方案以后，可在流域遭遇內(nèi)洪為主50年一遇洪水時(shí)，比現(xiàn)狀情況下降低峽口以上水位0.93～1.74m，說明規(guī)劃方案效果明顯。

5 結(jié)束語

借助MIKE 11 軟件建立的一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對東引運(yùn)河、寒溪水流域的現(xiàn)狀行洪能力進(jìn)行分析，準(zhǔn)確找出了影響流域行洪的關(guān)鍵位置，使得流域防洪治理工程可以有的放矢。同時(shí)進(jìn)行了流域內(nèi)水閘的優(yōu)化調(diào)度方案設(shè)計(jì)和防洪工程方案的效果分析，為流域的調(diào)度方案的制定和防洪工程的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 GB50201—94 防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計(jì)劃出版社.

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