張永央

（河南省水利勘測有限公司）

0 引言

膨脹巖是一種常見的特殊巖土，在中國廣泛分布，膨脹巖對水分狀態(tài)的變化十分敏感，這種敏感會引起膨脹巖體積和強(qiáng)度的變化，危害建筑物安全。膨脹巖以對工程危害大、工程處理難度大、處理費(fèi)用高，被工程界喻為多問題、難對付的巖土。充分研究膨脹巖的工程地質(zhì)特征、做好工程地質(zhì)勘察是保障工程質(zhì)量、工程安全的前提，施工過程中對開挖揭示的膨脹巖進(jìn)行膨脹等級復(fù)核則是保障工程建設(shè)質(zhì)量的又一道屏障，施工開挖過程中對開挖揭示后的膨脹巖膨脹等級進(jìn)行復(fù)核，以便設(shè)計(jì)單位調(diào)整邊坡的處理措施，指導(dǎo)施工。

1 工程背景

南水北調(diào)中線一期工程總干渠某渠段位于河南省西南部，地處暖溫帶和北亞熱帶氣候交錯的邊緣地區(qū)，氣候具有明顯的過渡性特征，多年平均降雨量約830 mm，地貌單元屬丘陵崗地向平原的過渡地帶，渠道由膨脹巖渠道段、非膨脹巖渠道段組成，其中膨脹巖渠道段地勢上南高北低、西高東低，地貌單元為丘陵崗地，地形平坦開闊，無自然陡坎，渠道由南向北穿過該丘陵崗地，地面高程145.10～128.00 m，渠底設(shè)計(jì)高程約123.26 m，文中案例膨脹巖渠道段長約1.10 km，渠道邊坡巖性主要為上第三系中新統(tǒng)洛陽組（N1L）的粘土巖、泥灰?guī)r和第四系中更新統(tǒng)重粉質(zhì)壤土，其中粘土巖呈棕紅色局部夾雜灰綠色、灰白色，灰綠色與棕紅色粘土巖呈漸變關(guān)系，包含鈣質(zhì)團(tuán)塊，粒徑一般1～2 cm，巖體裂隙發(fā)育，傾角一般40～70°，節(jié)理面光滑，有鏡面擦痕，場區(qū)地下水位高于建基面高程，水位變幅3～5 m，膨脹巖邊坡存在干濕交替現(xiàn)象；工程勘察時自由膨脹率試驗(yàn)組數(shù)為60組，自由膨脹率范圍值40%～99%，按40%≤δef＜65%具弱膨脹潛勢，65%≤δef＜90%具中膨脹潛勢，δef≥90%具強(qiáng)膨脹潛勢，渠段粘土巖主要具弱膨脹潛勢，局部具中～強(qiáng)膨脹潛勢。渠道屬全自流渠道，渠道底寬度25 m，最大挖深約22 m，設(shè)計(jì)邊坡坡比1∶2.00～1∶2.50，過水?dāng)嗝嫒珨嗝嬉r砌，場區(qū)內(nèi)膨脹巖廣泛分布。

2 膨脹等級復(fù)核的技術(shù)路線

2.1 膨脹等級復(fù)核的初判

2.1.1 失水后干裂情況鑒別

開挖后的巖體在自然狀態(tài)下暴露，觀察其失水后碎裂情況及碎塊狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)渠段粘土巖通常經(jīng)歷遇水、失水后收縮干裂成約菜花狀的碎塊，符合膨脹巖巖體干裂外觀特征鑒別表（詳見表1）中的中～強(qiáng)膨脹潛勢的特征，可鑒別為粘土巖具中～強(qiáng)膨脹潛勢。

表1 膨脹巖巖體干裂外觀特征鑒別表

2.1.2 水中崩解速度鑒別

現(xiàn)場條件下取新開挖的膨脹巖巖塊，重量約300 g，在室溫狀態(tài)下，放置于靜止的透明容器內(nèi)，用導(dǎo)管從底部加入蒸餾水，水面高于巖塊約2 cm，觀察膨脹巖在水中的崩解速度，根據(jù)試樣浸水試驗(yàn)的崩解速率，符合水中崩解速度鑒別表（詳見表2）中的中膨脹潛勢特征，可鑒別粘土巖具中膨脹潛勢。

表2 水中崩解速度鑒別表

2.1.3 巖體裂隙發(fā)育情況鑒別

膨脹土（巖）依據(jù)其自由膨脹率的大小分為強(qiáng)、中和弱膨脹土（巖），其膨脹性強(qiáng)弱與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙的分布以及礦物成分等有關(guān)，據(jù)此，現(xiàn)場可統(tǒng)計(jì)膨脹巖巖體的裂隙發(fā)育程度，進(jìn)行膨脹等級的鑒別。新開挖的邊坡長（大）裂隙較發(fā)育，經(jīng)統(tǒng)計(jì)延伸長度>50 cm的裂隙，密度一般約為1條/m；原生小裂隙，延伸長度一般＜50 cm，密度約為3～5 條/m，裂隙面一般弧形且光滑有蠟質(zhì)光澤，傾角一般約45～55°。符合巖體裂隙發(fā)育情況鑒別表（詳見表3）中的中膨脹潛勢特征，可鑒別粘土巖具中膨脹潛勢。

表3 巖體裂隙發(fā)育情況鑒別表

初判綜述：經(jīng)編錄、測量，粘土巖中原生裂隙較多，延伸長度一般10～80 cm，最長者約2.30 m，該粘土巖有臨空面后極易沿裂隙面形成塌滑現(xiàn)象；裂面光滑細(xì)膩，多為灰綠色，雜有灰黑色鐵錳質(zhì)浸染薄膜或斑紋。裂隙方向不規(guī)則，主要的裂隙有三組：①傾向275～308°，傾角多為52～76°，個別16°；②傾向186～240°，傾角多為40～50°；③傾向98～145°，傾角38～52°；另有許多網(wǎng)狀微裂隙，產(chǎn)狀不規(guī)律?，F(xiàn)場各個坡面粘土巖均見有崩塌現(xiàn)象，左右岸邊坡發(fā)生滑坡可能性大。經(jīng)持續(xù)觀測，粘土巖結(jié)構(gòu)較致密，多呈硬塑土狀，初期天然強(qiáng)度較高，微觀結(jié)構(gòu)均有隱蔽微裂隙，裂面光滑細(xì)膩，方向不規(guī)則，隨著巖體干濕交替、卸荷回彈等影響裂隙逐漸顯現(xiàn)，坡面上粘土巖節(jié)理裂隙面發(fā)育迅速。經(jīng)初判段內(nèi)粘土巖具中～強(qiáng)膨脹潛勢。

2.2 膨脹等級復(fù)核的復(fù)判

根據(jù)膨脹等級復(fù)核的技術(shù)路線及初判結(jié)果，需對渠段膨脹巖膨脹等級進(jìn)行復(fù)判，工程師對段內(nèi)左側(cè)邊坡膨脹巖進(jìn)行取樣復(fù)核工作，按分?jǐn)嗝骐S機(jī)取樣，斷面間距約為100 m，每斷面取樣組數(shù)為3組，共取樣36組，送實(shí)驗(yàn)室作自由膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，粘土巖自由膨脹率范圍值42.00%～86.00%，自由膨脹率>65%的試樣共14 組，具中膨脹潛勢，占試樣比例為38.90%，中膨脹潛勢試樣數(shù)>該層試樣總量的1/3，渠段粘土巖具中膨脹潛勢，試驗(yàn)成果見表4。

綜合現(xiàn)場膨脹等級復(fù)核的初判、復(fù)判及施工現(xiàn)場地質(zhì)編錄情況，研究分析了巖性外觀結(jié)構(gòu)特征、遇水及氣候影響的風(fēng)化崩解情況，綜合判斷為渠段粘土巖具中膨脹潛勢。根據(jù)對各期試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）,并參考《南水北調(diào)中線工程膨脹土工程性質(zhì)研究報告》（長江勘測技術(shù)研究所），綜合采用工程類比法提出膨脹巖渠段影響帶、過渡帶、非影響帶等3帶的參數(shù)建議值，用于渠道邊坡穩(wěn)定性分析、計(jì)算。

3 膨脹巖邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)膨脹巖地層分布情況、邊坡高度，選取樁號FH0+200、樁號FH0+800 共2 個典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。安全系數(shù)同初步設(shè)計(jì)階段的1.35，分設(shè)計(jì)工況、校核工況2種工況，計(jì)算方法采用畢肖普法，經(jīng)復(fù)核，2個典型斷面中的校核工況下K2分別為1.20、1.14，均不滿足穩(wěn)定的需要，需對不穩(wěn)邊坡進(jìn)行處理，建議采用目前可行的方案①放緩邊坡方案；②增加換填厚度方案；③抗滑樁方案，可分別對3 種方案或相互組合方案進(jìn)行比選，選取安全、經(jīng)濟(jì)的處理方案。

表4 自由膨脹率復(fù)核成果表

4 結(jié)論

綜合初判、復(fù)判及施工現(xiàn)場地質(zhì)編錄成果，經(jīng)分析巖性外觀結(jié)構(gòu)特征、遇水及氣候影響的風(fēng)化崩解情況，渠段粘土巖具中膨脹潛勢；設(shè)計(jì)單位采用了現(xiàn)場膨脹巖邊坡復(fù)核成果，對該段邊坡原有的處理措施進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終采用了分段式處理的方式，即根據(jù)挖深、施工環(huán)境分別采用抗滑樁+水泥改性土換填、加厚水泥改性土換填等處理方式對該渠段膨脹巖邊坡進(jìn)行處理。同時對一級馬道以下部分進(jìn)行全斷面鋼筋混凝土襯砌，全坡面設(shè)置了排水溝、導(dǎo)流溝系統(tǒng)，全坡面進(jìn)行了綠化工作；該工程現(xiàn)已通過驗(yàn)收并運(yùn)行超過5a，經(jīng)過對典型斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，至今未發(fā)現(xiàn)有異常情況。