土工材料在膨脹土渠道邊坡的應用

□王長生（河南省燕山水庫管理局）

□羅紅琦（河南省鄭州水利學校）

膨脹土是一種分布較為廣泛、具有不良地質作用的特殊土。水利工程實踐中，膨脹土邊坡主要遭受滑坡、溜塌、坍滑等危害，尤其是其膨脹性危害，使得渠道襯砌產生鼓脹、裂縫等破壞。文章在分析膨脹土工程特性的基礎上，初步研究了利用先進的工程技術、新型材料及施工技術對膨脹土渠坡進行防護的可行性，對類似工程具有重要的借鑒意義。

1.膨脹土的工程特性

膨脹土的礦物成分一般為蒙脫石和伊利石，其具有很強的親水性，膨脹土一般液限指數較高，屬高液限粘土，膨脹土的礦物成分中起膨脹作用的是蒙脫石，膨脹土自由膨脹率的高低蒙脫石的含量起決定作用。

膨脹土屬超固結土，一般發育有裂隙，具有失水開裂、遇水膨脹的工程特性。在自然狀態下，膨脹土的強度較高，一般為低壓縮性土。未發生干濕交替的膨脹土，沿新鮮的開挖面很難發現裂隙面，一旦暴露在空氣中，含水率發生變化后，土體就會出現網狀的裂隙，接下來土體表層會崩解成1~2cm的方塊，其強度也迅速衰減，在膨脹土體內發育有長大裂隙時，即使是很緩的邊坡也易發生滑坡。膨脹土的工程特性常導致工程問題或地質災害的頻繁發生，膨脹土在世界各國都有廣泛分布，膨脹土問題已成為困擾各類淺表層輕型工程建設的全球性技術難題。

2.膨脹土邊坡的破壞形式

2.1 滑坡

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體，受內在或外界因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面、軟弱帶或結構面，整體地或者分散地順坡向下滑動的現象。膨脹土滑坡通常具有明顯的弧形外貌、明顯的滑床及后壁陡直、前緣平緩、受長大裂隙控制的特點。縱觀眾多膨脹土邊坡失穩事故，膨脹土滑坡多呈牽引式出現，具疊瓦狀、片狀發生，滑體呈縱長形，部分滑坡從坡腳一直牽引至坡頂，對工程破壞巨大。滑體厚度一般為1.0~3.0m，多數<6.0m，通常與大氣影響深度、土體內裂隙發育程度密切相關。

2.2 溜塌

邊坡坍塌的一種表現形式。邊坡覆蓋層、強風化層內的巖體吸水飽和后，在重力與滲透壓力的雙重作用下，巖土體沿坡面向下產生流塑性溜塌現象。溜塌是膨脹土（巖）邊坡表層最普遍的一種破壞，常發生在雨季，與邊坡坡度關系不大。溜塌上方一般有弧形小坎，坎高一般10cm，無明顯裂縫與滑面，塌體多在小范圍內發生位移，且很快自穩，其厚度受覆蓋層、風化層深度控制，工程實體多見于1.0~1.5m深度范圍內。

2.3 坍滑

邊坡淺層膨脹土（巖）體在干濕交替與風化作用影響下，由此產生的裂縫在水（多為降水）的作用下，土體強度快速衰減，邊坡失穩，沿一定滑面整體滑移，多伴有坍落現象。坍滑多發生在雨季，滑面清晰并有擦痕，滑面一般在裂隙密布位置，滑面多為高角度，在坡面下部或軟弱的夾層滑出，若繼續發展，可牽引形成滑坡，厚度多為1.0~3.0m。

3.膨脹土的處理

膨脹土邊坡滑坡的機制與其它滑坡一樣，在誘因作用下而發生的一系列過程所組成，但由于膨脹土的失水開裂、遇水膨脹性、多裂隙性等特性，使得膨脹土滑坡較一般的巖土體滑坡更為復雜。由于膨脹土分布廣泛，加之對工程危害甚大，膨脹土邊坡的加固處理凸顯重要，膨脹土邊坡一般采取“預防為主”的原則，在預防膨脹土邊坡滑坡的措施中，應強調“四防”原則，即“防水、防風化、防反復脹縮循環、防強度衰減”，提高膨脹土滑坡的防治效果。常見的膨脹土邊坡防治措施有坡頂設置截流溝、坡腳防積水、超挖換填、開挖回填防滲土體、加大放緩邊坡、水泥改性、設置格柵、加筋、支擋（抗滑樁）等。

4.土工合成材料的特點和優勢

土工合成材料是工程建設中應用的土工織物、土工膜、土工復合材料、土工特種材料的總稱。土工合成材料以高分子聚合物為基礎原材料制成，主要用于巖土工程，置于土體內部、表面或各層土體之間，起到發揮加強或保護土體的作用。

常見的土工材料主要有土工合成材料、膨脹土改性劑、水泥、石灰等。土工合成材料主要有反濾、排水、隔離、加筋、防護、防滲等多種功能，這些功能并不是絕對獨立的，有時一種土工合成材料應用于某一項工程中，同時具備上述的幾種功能。

下面僅介紹幾種常見土工材料在渠道膨脹土邊坡防護中的應用：

①土工格柵＋開挖泥灰巖土料可用于膨脹土邊坡防護處理，處理深度為1.5～2.0m。格柵應采用抗拉強度≥80kN/m的HDPE（高密度聚乙烯）單向土工格柵。施工控制參數為：開挖泥灰巖料（中～弱膨脹性），其最大粒徑≤100mm，>5mm粒徑的顆粒含量不超過50%；控制含水率為最優含水率+1%～+2%；采用18t以上的振動平碾、鋪厚50cm和碾壓12遍的條件下,土工格柵+泥灰巖開挖料的壓實度能達到95%以上,壓實效果較好。

②土工袋是新型的膨脹土處理措施，施工過程包括清基碾壓、裝袋、渠坡土袋鋪設、碾壓等工序。土工袋裝填+開挖泥灰巖土料可用于膨脹土邊坡防護處理，處理深度為2.0m。大土工袋120cm×147cm，機械配合施工，大土工袋用隨車吊或起重機直接吊入鋪設位置，人工扶正鋪設，土工袋子之間保留約10～15cm的間隙，充填料的粒徑≤10cm；小土工編制袋45cm×57cm，人工配合施工，袋子之間保留約4～8cm的間隙，充填料的粒徑≤5cm。用小型振動平板夯來回夯壓2～3遍或用輕型碾壓機械（≤16t）靜碾1～2遍，進行土工袋初平，以確保土袋能形成扁平狀；相鄰土工袋之間的間隙用裝袋料相同巖性的土料回填，回填料的粒徑≤5cm；每碾壓層鋪填厚度按40cm控制，土工袋100%充填率、18t以上的振動平碾和碾壓12遍的條件下,土工袋+泥灰巖開挖料的壓實度能達到90%以上,壓實效果較好。為了增加土工袋組合體的穩定性，上、下層土工袋間需錯縫鋪設，局部可以適當放寬袋子的間距而使上、下層面的土工袋相互錯距。

③復合土工膜具有良好的抗滲、抗老化性能。采用復合土工膜覆蓋坡面，噴護水泥砂漿保護層的處理措施，是膨脹土邊坡施工過程中一種良好的臨時保護措施，對于保證邊坡的安全施工具有重要意義。復合土工膜的施工要盡量減少接縫，保證焊接長度，保證密封性，施工過程要盡量避免機械碾壓，防止材料受損。復合土工膜施工質量檢查和檢測的重點是密封性能檢測和膜材本身強度的檢測。

④土工網是一種特種土工合成材料，它的生產工藝是將聚乙烯原料按比例配好，在加熱溫控的條件下，由擠塑機擠出至一特制的旋轉模頭內,產生各種不同網孔形狀及網孔大小的網格，經冷卻定型后成為整體的土工聚合物網柵。在坡面回填料上和坡頂復合土工膜上鋪設土工網，土工網幅寬≥2m，單位面積質量≥730g/m2，縱橫向拉伸屈服強度≥6.2kN/m，網眼尺寸＞2.5cm×2.5cm,同時＜8cm×6cm，碳黑含量≥1%。土工網要求縱向上搭接長度≥7.5cm，在橫向上搭接長度≥15cm。橫縫為順坡搭接，用塑料帶把材料拴緊在一起。土工網植草是一種有效的邊坡防護措施。

⑤水泥改性土作為膨脹土治理措施的一種，目前應用比較廣泛。水泥土施工過程需要做到快速攤鋪、快速整平、碾壓密實、快速檢測，避免水泥和混合料受雨淋，從加水拌和到碾壓終止的延續時間不宜超過3-4h，采用20t壓路機碾壓。施工工序為篩分、料場鋪料整平、灑水悶料、布灰、拌和、汽車運輸、區鋪料整平、碾壓，取樣合格后進行下一層施工。

5.結論

正值國內基礎建設高峰期，很多工程項目都涉及膨脹土體的開挖，處理不當易造成質量、安全事故，根據工程經驗，一般應在膨脹土邊坡開挖過程中坡面預留有厚度1~2m的保護層，施工要盡量避開雨季，為了預防膨脹土的溜塌、滑坡等現象，施工中應盡量縮短膨脹土處理的周期，達到快速開挖、及時覆蓋、保濕、負重、約束膨脹目的，另外施工期間坡頂禁止堆載，若雨季施工應采取坡面防軟化措施，如覆蓋彩條布等，坡腳積水應及時抽排。