南水北调中线工程膨胀土渠坡稳定问题及对策

南水北调中线工程膨胀土渠坡稳定问题及对策

张博

南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，河北 石家庄 050035

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也有了很大的进步。南水北调中线干线工程是缓解我国黄淮海平原水资源严重短缺，优化配置水资源的重大战略性基础设施，先期实施的中线一期工程多年平均年调水量95亿m3，输水干线全长1432km，其中涉及膨胀土(岩)的渠段累计长约370km，约占明渠段的1/3，工程地质条件复杂。膨胀土(岩)是具有胀缩性、裂隙性和超固结性的岩土，工程性质非常特殊。膨胀土(岩)对水分状态的变化十分敏感，这种敏感性会引起膨胀土(岩)体积和强度的变化，往往造成工程建筑物的破坏，与其他工程相比，膨胀土(岩)渠道运行的地质环境、土体状态及其与水相互作用的条件等，使渠道工程中遇到的膨胀土(岩)问题更多、更难应付。

关键词：南水北调；中线工程；膨胀土渠段；边坡变形研究

引言

南水北调中线工程干渠渠坡或渠底涉及膨胀土(岩)的渠段约占明渠段的1/3，工程地质条件复杂。膨胀土渠道工程最重要的是边坡稳定问题，如果发生边坡滑塌影响到南水北调中线工程正常通水运行，则社会影响巨大，因此需要开展膨胀土边坡变形控制研究。通过对一般边坡变形控制要求的分析，结合南水北调中线膨胀岩土渠道的特点提出南水北调中线工程膨胀土边坡变形控制要求以及监测数据异常风险研判标准。分析表明:提出的南水北调中线膨胀土边坡变形控制要求及风险预警标准基本合理，可对边坡的变形过程进行合理把控;累计位移速度法能全面反映边坡变形的整个过程，可判断边坡所处的变形阶段，在膨胀土边坡预警中有很强的实用性。对监测资料进行分析可以推断出边坡的变形趋势和变形规律，据之对边坡的变形进行预报，为南水北调中线渠道正常通水运行提供保障。

1. 膨胀土的物理性质

膨胀土主要是由强亲水性的黏土矿物组成，其中伊利石、蒙脱石等黏土矿物使膨胀土具有失水收缩，吸水膨胀的特性。膨胀土吸水产生体积膨胀是由膨胀土中水分子在黏土矿物颗粒周围形成具有一定排列方向的水膜引起的，是自由水渗入矿物颗粒间转化为结合水，随着结合水膜的厚度增加，使土粒间的净距离增加，从而导致土体的膨胀。

在判定某一土样是否为膨胀土时，室内试验一般以自由膨胀率的大小来判别。在GBJ112《膨胀土地区建筑技术规范》中规定自由膨胀率大于或者等于40%的土，应判定为膨胀土。

二、填筑施工准备阶段质量管控

该施工项目的质量要求高，而且施工过程复杂，因此为了保证施工质量不断提高，需要在施工之前针对渠线土以及土料场的相关填筑土料进行复测。对渠堤进行包边处理时，要采用水泥改性土，并增加相关的碎土以及拌制改性土料等制备技术工艺进行处理。通常采用科学的检测方式对水泥的实际掺量进行检测，并对现场施工人员组织以及施工设备、施工材料和施工器械等进行优化管理。由于黄褐色的粉质黏土具有弱膨胀性以及含水量较大、黏粒量偏高、塑性指数偏大等诸多特点，因此可以将其实际土层储量控制到232.10万m3左右。经过实践研究数据结果表明：在南水北调中线膨胀土渠段填筑施工过程中，应该将土料的自由膨胀率控制在28%-49%之间，而1.57-1.69g/cm3为室内击实的最大干密度。

为了保证施工正常进行，施工之前相关的技术人员应该针对施工技术工艺展开科学的实地试验，从而确定碎土的适宜含水率范围，同时对施工机械的类型以及型号和参数等进行检验，进一步确定独立碾压机械的行进速度以及机械类型和具体的摊铺施工技术方式，还有对碾压施工时的遍数以及碾压施工的厚度等进行核实。在土方填筑施工之前，需要对土方填筑的基准性进行科学试验，对施工时所用到的水泥材料掺量标准曲线应该采用EDTA技术进行科学检测，从而绘制出标准的水泥掺量曲线图，如下图所示[1]：

在此过程中，水泥掺量时间关系需要采用室内EDTA技术进行科学测定。通过研究发现，在施工中随着施工周期的不断延长，水泥掺量检测值会不断下降。因此，对于改性水泥掺量应该及时进行测量，通常在拌合站出料口取料之后就需要对水泥掺量进行科学施测。在此过程中，还应该采用土料室内标准击实试验进行复测操作。通常情况下，检验过程中选取的检验样本不得低于12组，去掉最大值与最小值，再选取二者的平均值。除此之外，在检测过程中同时应该确保测定过程满足两个不同的参数条件[2]：

①γR≥β×γM；

②γM=max（γS，1.02γ6）

其中在上式①、②两个测量条件中，改性土压实度采用β进行科学表示，而击实试验最大干密度采用γS进行科学表示，“γ6”表示最优含水量下20t处土块振动碾压6遍之后所测量得到的干密度。

三、填筑施工阶段质量控制与管理

3.1土料制备施工质量控制

在土料制备施工过程中，首先应该进行土料的科学选择。通过对渠段以及取土场的土质实际情况进行了解，从而确保施工中所采用的施工土质为自由膨胀率在δef≤65之下的非膨胀土或者弱膨胀土。对施工场地的料场进行复勘之后，还应该按照我国南水北调中线一期工程施工中，总干渠渠道膨胀土处理施工相关技术标准进科学分区取土场。通过质量控制，可以防止基准性系统出现差错，用作水泥改性的弱膨胀土经过开挖施工之后，应该将其集中堆放到改性土料的拌合场，避免混淆施工料[3]。

其次，应该在水泥改性土料前进行碎土施工。由于水泥的实际改性效果直接受到土料的粒径影响。因此，在对其施工质量进行控制时，应该通过利用液压碎土机作为主要的碎土机械进行施工。再者，由于碎土质量以及实际的效率会受到黏粒的含量以及土料的实际含水率等影响，因此一般情况下，通常将碎土料的实际含水量控制在15%-18%之间。当采用碎土机进行碎土作业时，事先应该对碎土进行碎土效果筛分试验，如下数据为土料改性前碎土土料粒径含量质量标准参数[4]：粒径＞100mm，含量0%；粒径100～50mm，含量≤5；粒径50～5mm，含量≤50。

3.2铺料与填筑施工质量控制

在拌制过程中，应该综合考虑拌合的功效与拌合的质量，通常应该采用稳定土拌合机进行集中拌合控制。拌合过程中应该对水以及水泥和土料的量进行控制。当拌合施工工艺稳定之后，适当减少检测的次数，但应该将检测结果与预设参数之间的误差控制在7.7之下。在铺料填筑过程中，主要包括摊铺土料施工与土方碾压施工两大技术环节。因此，在土料摊铺施工中，应该先铺设部分弱膨胀土，然后经过放线施工以及推边施工，最后进行包边改性土的卸料以及摊铺施工。为了保证改性土包边施工的结构具有一定的厚度，应该在摊铺施工之后进行碾压施工。土方碾压施工时应该沿着渠道轴方向，通过全振错距施工技术进行碾压施工，碾距重叠部位距离应该控制在20～30cm之间，碾压行进速度应该在3km/h之下，摊铺的实际厚度应该在90cm以上。

3.3建筑物交叉部位基坑回填施工质量控制

南水北调中线工程膨胀土渠段基坑回填之前，应该事先经过建管、设计以及施工监理和施工地质单位等相关专业性组织进行联合施工验收，然后针对基底中的排水效果以及基坑坡边的杂物清理情况、坡度的设计大小以及基坑是否出现变形或者滑坡等不良施工故障等情况进行核实，同时还要对回填料的落实情况进行核实，最终针对土料的实际含水率进行调整。在对结合面进行技术处理时，要对层间结合面进行水平填筑处理。

结语

综上所述，南水北调中线工程膨胀土渠段改性土施工中存在诸多困难，因此完工之后，为了保证施工质量不断提高，还应该对削坡余料进行合理利用。同时针对渠床整理后的填筑施工缺陷进行处理，并通过沉降期预留与观测，保证我国南水北调中线膨胀土渠段填筑施工工程质量得到有效控制与管理。

参考文献：

[1]陈世刚，牟伟，刘军.南水北调中线工程膨胀土渠段改性土施工中存在的困难及对策研究[J].长江科学院院报，2020，09：85-88.

[2]张天祥.浅析南水北调工程渠道膨胀土划分原则及处理要点[J].甘肃水利水电技术，2020，11：48-52.

[3]李乐.简述南水北调中线膨胀土（岩）工程问题的研究和处理[J].科技与企业，2020，07：119-120.

[4]姬永立，王宇.浅谈水泥改性土法在南水北调中线膨胀土渠段处理中的应用[J].治淮，2020，07：27-29.