膨脹土地區渠道高地下水的處理措施

崔成男

(遼寧省路橋建設集團有限公司第三分公司)

1 工程概況

南水北調中線一期工程漳河北～古運河南邯邢段磁縣干渠工程渠道里程K35+685 ～K40+056 段(共計4.331 km)為壟崗地貌，地勢平坦開闊，地面高程87.13 ～97.98 m，渠底高程83.78 ～83.61 m，渠道設計邊坡1∶3.5 ～1∶3.25，底寬17.5 ～18.5 m。勘察期間地下水位80.0 ～89.6 m。上部為N1粘土，下部以N1粘土巖為主，N1粘土多呈強膨脹性，粘土巖多呈中等膨脹性，渠道最大挖深16.89 m，渠坡主要由強膨脹土組成，穩定性差。大部分渠段地下水位在渠底以上，最大高差9.5 m。

2 地下水特征

(1)賦存于淺層土體的根孔型孔隙和部分裂隙中的地下水，屬于孔洞—裂隙型上層滯水。

通常位于地表以下4 m 深度范圍內，施工時可根據開挖面滲水情況判斷，開挖過程中一般表現為開挖開始時有明顯的地下水位浸潤線，地下水呈團塊狀滲出，并逐漸疏干，地下水位浸潤線消失，疏干范圍小于10 m。渠道開挖施工中，坡面滲水現象通常數天后消失，一般對施工影響較小。

(2)局部土體因巖性差異，孔隙、裂隙發育，地下水稍豐，形成透鏡狀地下水。

(3)當渠底板膨脹土厚度較小，下部分布承壓含水層時，在承壓水頭作用下，沿膨脹土孔洞或裂隙上升越流補給進入基坑。

渠底下部分布承壓含水層時，具承壓性質的地下水可能沿土體孔洞、裂隙滲出，甚至產生突涌，影響施工。若不采取降水處理，不但底板和坡腳土體迅速被軟化，底板處理層碾壓也無法進行。渠道運行期間，土體內水壓力增高，還會引起渠道襯砌破壞。

3 膨脹土地區高地下水的危害

3.1 對施工的危害

膨脹土裂隙特別發育，對氣候變化特別敏感，是一種典型的非均勻三相介質。土質干濕效應明顯，吸水時，土體膨脹、軟化，強度下降;失水后土體收縮，隨之產生裂隙。膨脹土的這種脹縮特性，在渠道邊坡進行開挖后，邊坡膨脹土中含水量減小時，就會充分顯示出來。

在雙重不利因素下，導致施工期間易發滑坡等現象發生。同時，因地下水沿土體孔洞、裂隙滲出，在渠底造成積水，影響施工。若不采取降水處理，不但底板和坡腳土體迅速被軟化，底板處理層碾壓也無法進行。

3.2 對運行的危害

為保證渠道通水不滲漏，南水北調渠道均進行防滲處理，避免了渠道輸水不發生滲漏，但同時，阻止了地下水流入渠道。渠道襯砌前渠坡地下水位已接近渠底，襯砌施工完成后地下水位再次恢復為原水位，將造成以下三點危害。

(1)襯砌混凝土底部揚壓力上升

由于渠道兩側地下水位恢復原有高度，導致襯砌混凝土底部揚壓力較襯砌前較大幅度上升，對襯砌混凝土的邊坡穩定性造成影響，易導致邊坡失穩等事故發生。

(2)襯砌混凝土脹裂

渠道開挖時，土體干燥失水，體積收縮;襯砌完成后，地下水位上升，土體濕度增高，體積膨脹并形成膨脹壓力，易導致混凝土脹裂現象發生。

(3)滑坡

膨脹、收縮變形隨地下水位變化的往復發生，導致土的強度衰減，造成渠坡襯砌混凝土基礎承載力降低，造成滑坡等事故。

4 減小地下水影響的施工措施

4.1 施工期間基坑排水

(1)渠道在開挖過程中，根據揭露的水文地質情況，以及開挖形成的基坑排水條件，做好開挖坡面和基坑積水引排措施，避免在渠坡表面及坡腳積水。

(2)施工期間應針對不同類型的地下水特點，結合施工組織安排選擇合理的應對措施。對于上層滯水、透鏡狀地下水、渠底承壓水，可參考以下處置措施。

①當上層滯水水量較豐或不能做到連續施工，開挖施工期間可能導致開挖面或坡腳積水時，應在坡底做好臨時引排措施。臨時排水溝應距坡腳一定距離(一般3 m 左右)，必要時做好防護，并對匯水及時進行引排(或抽排)，嚴禁坡腳積水造成土體軟化。

②開挖揭露富含水的透水夾層時，根據夾層所處的位置、夾層透水性、夾層厚度，結合永久排水設計做開挖期間臨時引排。

③對于渠底承壓水，應根據承壓水頭和覆土厚度復核開挖期間覆土層的抗浮穩定性和滲透穩定性以及基坑滲水量，并根據分析結果采取相應的處理措施。當覆土抗浮穩定、滲透穩定、基坑滲水量三者之一不滿足要求時，采取井點降水措施。當滲流量較小不致出現基坑積水現象時，降水主要以滿足覆土抗浮穩定、滲透穩定為目的;當滲水量較大時，將承壓水位降低到基坑開挖面以下不少于50cm。降水前，應進行抽水試驗，以確定降水方法及降水設計參數。施工中嚴格限制施工設備對膨脹土體進行擾動，以免破壞土體結構、降低地基承載力。

4.2 運行期間排水

(1)提高地基承載力

為解決工程運行期間可能發生的危害，提高渠基承載力，對渠基膨脹土面進行粘性土換填施工，換填厚度3.5 m(垂直基面厚度)。

圖1 變更段換填示意圖

(2)降低地下水位

渠基排水將地下水通過逆止閥內排排入渠內。渠底換填底面采用反濾料換填30 cm，預埋軟式透水管;渠坡換填底面開挖溝槽，橫向8 m 一道，縱向每2 m 高差一道，與渠底軟式透水管形成管網。渠坡換填底層排水管積水通過逆止閥內排至渠道內，逆止閥與管網間采用dn315(PVC－U)排水管相連，渠坡逆止閥沿渠坡方向間距8 m 布置。dn315(PVC－U)排水管與逆止閥間采用三通連接，連接部位采用土工布包裹。渠坡及渠底換填頂面鋪設15 cm 反濾料，渠底縱向布設3 排逆止閥，間距16 m，逆止閥間采用軟式透水管相連接。保證地下水位低于渠底混凝土襯砌高程。

(3)施工方法

排水暗管安裝前檢查是否有斷裂、變形、破損等情況。軟式透水管間采用嵌套綁扎方式，首先將兩條管接口處的外包布割開，然后盡量將管口旋接在一起，搭接長度15 cm 以上，用綁絲將軟式透水管的兩個接口處綁扎好，先用割開的布包裹好，再用土工布包裹并用線徑φ2.2 mm 鉛絲綁扎好，土工布包裹長度大于1.0 m。軟式透水管與PVC 管聯結處用土工布包裹，并用線徑φ2.2 mm 鉛絲綁扎。已鋪設的排水暗管及附件經驗收合格后，用土工布包裹排水暗管，邊包裹邊綁扎。全面檢查有無漏包、搭接長度不夠、綁扎不緊、排水暗管和土工布間結合不緊密、褶皺、松動等現象。管道預留接頭部位采用包裹保護，防止填料及其他雜物進入管道中，影響排水效果。鋪設完成后其上不堆放重物。

排水暗管與附件安裝，土工布包裹、捆扎驗收合格后，及時回填溝槽，盡量減少溝槽暴露時間。回填前檢查溝槽內有無積水、雜物。砂礫石反濾料由粗砂(0.5 ～2 mm)和細礫(2 ～5 mm)混合料組成，壓實指標為渠底相對密度不小于0.7，渠坡相對密度不小于0.65。砂礫料分層分段灑水壓實填筑，壓實設備、鋪料厚度、壓實方式、碾壓遍數和含水率等施工參數通過現場碾壓試驗確定。

［1］南水北調中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工技術要求(NSBD－ZXJ－2－01)［S］.南水北調中線干線工程建設管理局印發，2010.12.

［2］陳正漢.膨脹土與膨潤土工程特性及其應用研究的新進展［J］.解放軍后勤工程學院，2009，(12).

［3］水利水電單元工程質量等級評定標準(DL/T5113.1－2005)［S］.中國電力出版社，2006.

［4］水利水電工程地質勘測規范(GB50487－2008)［S］.北京:中國計劃出版社，2009.