黑龍江省渠道分散性土和膨脹土的工程危害及處理方法

張 勇 ，樊恒輝，楊秀娟，張 路，車雯方，李海濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；2.黑龍江省雙鴨山市寶清縣水務(wù)局，黑龍江 雙鴨山 155600)

0 引 言

渠道工程的主要任務(wù)是輸水，水對渠道的穩(wěn)定性影響非常大，特別是在膨脹土、分散性土、鹽漬土和濕陷性黃土等地區(qū)，需要考慮特殊土的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，采取適宜的設(shè)計方法和工程措施，才能確保渠道的安全運(yùn)行[1]。工程實踐發(fā)現(xiàn)，黑龍江省松嫩平原和三江平原范圍內(nèi)的渠道工程土體具有一定的分散性和膨脹性，由于分散性土和膨脹土具有很強(qiáng)的水敏性，分散性土抵抗水流沖蝕的能力很低，在水流的沖蝕作用下容易分散和流失；膨脹土具有遇水膨脹，失水收縮的工程特性[2,3]。因此，在渠道工程的修建中，如果土體屬于分散性土或膨脹土，則必須采取合理的工程措施對土體進(jìn)行處理，確保渠基和渠坡的穩(wěn)定。目前，工程實踐中這類特殊土的處理方法，常采用石灰、粉煤灰、水泥等進(jìn)行土性改良，這些無機(jī)結(jié)合料摻入土體后，通過水解水化反應(yīng)、陽離子交換反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，有效地改善土體的工程特性[4～6]。石灰是一種最常用的固結(jié)土壤的無機(jī)結(jié)合料，取材容易、工藝簡單、價格低廉，被廣泛使用[7]。王文健[8]等發(fā)現(xiàn)南引水庫17號筑壩土料是十分典型的強(qiáng)分散性土，采用摻入4%的石灰配制成的改性土進(jìn)行包裹，下游段采用細(xì)砂做了反濾排水處理。劉杰[9]對均質(zhì)土壩中的分散性土摻入2%～3%石灰進(jìn)行改性，同時采用反濾層保護(hù)分散性土。高明霞等[10]對南坪水庫筑壩土料進(jìn)行改性試驗，得出摻入1%消石灰即可有效改善土料分散性。李華鑾等[11]對大屯水庫、嶺落水庫、管路水庫分散性土料進(jìn)行改性試驗研究，發(fā)現(xiàn)石灰劑量達(dá)到1.5%時，改性效果最佳。惠會清等[4]研究發(fā)現(xiàn)摻加10%的石灰對強(qiáng)膨脹土的處理效果最好，并提出粉煤灰和石灰混合使用比較經(jīng)濟(jì)。陳濤等[12]對廣州繞城高速公路強(qiáng)膨脹土摻入5%的石灰，很好的消除了土體膨脹性。王永衛(wèi)等[13]對某工程的膨脹土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻入6%～7%的石灰的時候效果最好，既改善了土的顆粒組成，物理性質(zhì)，脹縮特性，又提高了力學(xué)強(qiáng)度。周小順等[14]對江蘇省中部某高速公路的弱膨脹土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻入3%的石灰便可達(dá)改性效果。可以看出，膨脹性越強(qiáng)，摻灰量越大，具體工程需具體試驗確定摻量。采用石灰進(jìn)行土性改良是一種成本低、效果好的措施，可以與其他方法結(jié)合達(dá)到工程安全運(yùn)行的要求，具有較強(qiáng)的研究與工程實踐意義。

本文通過室內(nèi)試驗研究了黑龍江省灌區(qū)渠道典型特殊土的物理化學(xué)性質(zhì)、分散性、膨脹性，在野外調(diào)研和查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對渠道分散性土和膨脹土的工程危害和處理方法進(jìn)行總結(jié)，并使用石灰對土樣的分散性和膨脹性進(jìn)行了改性處理，研究其改性效果，提出適合黑龍江省灌區(qū)渠道特殊土的處理方法，為該地區(qū)渠道工程治理提供理論依據(jù)。

表1 土樣的物理化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of soil samples

注：1-蛤蟆通灌區(qū)；2-萬北總干渠；3-引湯灌區(qū)。

1 黑龍江省灌區(qū)渠道特殊土工程性質(zhì)

1.1 工程背景

試驗用土取自黑龍江省蛤蟆通灌區(qū)、萬北總干渠和引湯灌區(qū)，取土深度為地表以下30～50 cm。

蛤蟆通灌區(qū)位于黑龍江省寶清縣境內(nèi)，灌區(qū)東以蛤蟆通河為界與八五三農(nóng)場相接，西以大索倫排干為界，南以富饒公路為界，北以小撓力河與蛤蟆通河匯合處為界。總面積2.99 萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.08 萬hm2。截止目前已完成渠道防滲及護(hù)砌總長度50.47 km；總干渠采用雙坡面混凝土板護(hù)砌，部分工程已完建渠道均出現(xiàn)不同程度坡面凍脹變形，其中渠道混凝土護(hù)砌段發(fā)生凍脹長度2.4 km，坡面出現(xiàn)大面積滲漏點0.4 km。蛤蟆通灌區(qū)原設(shè)計采用單一的混凝土防滲材料，其雖然有一定的防滲性能，又能適應(yīng)高流速，但通過多年的運(yùn)行實踐表明，其很難達(dá)到預(yù)期的防滲效果和耐久性，工程難以發(fā)揮應(yīng)有效益。

萬北總干渠屬于龍頭橋灌區(qū)的分灌區(qū)，龍頭橋灌區(qū)位于三江平原腹地、撓力河中上游地區(qū)。灌區(qū)總面積4.46 萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.87 萬hm2，是黑龍江省20個重點大型灌區(qū)之一。已建設(shè)的骨干渠道全部采用土工膜防滲形式，從多年運(yùn)行情況來看，渠道防滲效果較好，但是渠道凍脹破壞也較為嚴(yán)重。破壞主要發(fā)生在常年地下水位線處，一般在渠道坡腳以下3～4排處凍脹破壞最為嚴(yán)重，嚴(yán)重處在春季融化期發(fā)生護(hù)坡板脫落，上層護(hù)坡板向下位移。目前渠道防凍脹技術(shù)應(yīng)用段主要采用預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)，從近幾年運(yùn)行情況看，防凍脹效果并不好，護(hù)坡板向渠道臨空面鼓起約5～6 cm，與常規(guī)護(hù)坡板護(hù)砌形式比較，效果差不多。

引湯灌區(qū)在松花江下游左岸，湯原縣境內(nèi)，位于湯旺河以東、東河以西、階地以南、松花江以北的平原區(qū)。灌區(qū)總面積3.77 萬hm2，設(shè)計灌溉面積2.68 萬hm2。渠道防滲形式主要采用預(yù)制混凝土板和模袋混凝土護(hù)坡，并結(jié)合下鋪砂墊層和復(fù)合土工膜等措施。灌區(qū)襯砌渠道凍脹破壞現(xiàn)象表現(xiàn)主要為凍脹破壞，襯砌的混凝土板的鼓脹、裂縫、隆起、滑塌等，未襯砌渠段出現(xiàn)大面積沖溝和孔洞現(xiàn)象，破壞程度十分嚴(yán)重。

1.2 土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)

按照《土工試驗規(guī)程》[15]的規(guī)定測定3組土樣的物理化學(xué)性質(zhì)，試驗結(jié)果見表1。從表1中可知，3組土樣的顆粒相對密度在2.66～2.71之間，液限在49.9%～61.9%之間，塑限在26.5%～37.4%之間，塑性指數(shù)在23.1～24.5之間。顆粒組成中砂粒含量在0.1%～0.7%之間，粉粒含量在38.3%～52.1%之間，黏粒含量在47.8%～61.0%之間。最大干密度在1.48～1.57 g/cm之間，最優(yōu)含水率在24.5%～26.9%之間。按塑性圖分類，土樣1、2均屬于高液限粉土(MH)，土樣3屬于低液限黏土(CL)。3組土樣的易溶鹽含量在0.1～0.2 g/kg之間，中溶鹽含量在0.6～0.8 g/kg之間，難溶鹽含量在0.1～0.8 g/kg之間，有機(jī)質(zhì)含量在3.8～14.7 g/kg之間，pH值在6.63～7.75之間。

1.3 土樣的分散性試驗

按照《分散性土研究》[16]中介紹的土樣分散性試驗方法及判別標(biāo)準(zhǔn)，采用雙比重計試驗、針孔試驗、碎塊試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗等5種試驗，綜合判別土樣的分散性。

土樣分散性試驗結(jié)果見表2，針孔試驗和碎塊試驗照片見圖1。雙比重計試驗結(jié)果表明，土樣1的分散度為63.0%，屬于分散性土；土樣2分散度為22.6%，屬于非分散性土；土樣3的分散度為36.6%，屬于過渡性土。針孔試驗結(jié)果表明，土樣1在50 mm水頭作下持續(xù)10 min，水流渾濁且最終孔徑大于2 mm，屬于分散性土；土樣2、3在1 020 mm水頭作下持續(xù)5 min，水流清澈且孔徑無變化，屬于非分散性土。碎塊試驗結(jié)果表明，土樣1、3在水中反應(yīng)嚴(yán)重，屬于分散性土；土樣2在水中沒有反應(yīng)，屬于非分散性土。孔隙水可溶性陽離子試驗結(jié)果表明，3組土樣PS均小于40%，均屬于非分散性土。交換性鈉離子百分比試驗結(jié)果表明，3組土樣的ESP均小于7%，均屬于非分散性土。

以上分析可以看出，對于土樣2，5種試驗方法結(jié)果一致，均為非分散性土。但對于土樣1、3，5種試驗方法結(jié)果并不完全一致。因此，一般情況下采用單一的試驗結(jié)果不能正確的鑒定土樣的分散性，所以采用分散性土綜合判別準(zhǔn)則[17]以得出更可靠的判別結(jié)果。土樣分散性鑒定及綜合判別結(jié)果見表3，由表3可知，通過計算土樣的分散性、過渡性、非分散性權(quán)重，發(fā)現(xiàn)土樣1的分散性權(quán)重為80%，屬于分散性土。土樣2、3的分散性權(quán)重小于50%，且“分散性+過渡性”的權(quán)重小于50%，屬于非分散性土。

表2 土樣分散性試驗判別結(jié)果Tab.2 Results of dispersive property tests of soil samples

注：判斷標(biāo)準(zhǔn)：①雙比重計試驗：分散度<30%，非分散性土；30%≤分散度≤50%，過渡性土；50% <分散度，分散性土。②針孔試驗：380～1 020 mm水頭下水流清澈且針孔不擴(kuò)大，非分散性土；180～380 mm水頭下水流稍渾濁且孔徑緩慢擴(kuò)大到原孔徑的1.5倍以上，過渡性土； 50 mm水頭下水流渾濁且針孔迅速擴(kuò)大到原孔徑的1.5倍以上，分散性土。③碎塊試驗：土塊崩解后不出現(xiàn)渾濁(稍混濁后很快變清)且以細(xì)顆粒狀平堆在燒杯底部，非分散性土；土塊崩解后四周有微量渾濁且擴(kuò)散范圍小，過渡性土；土塊崩解產(chǎn)生大量霧狀渾濁且擴(kuò)散到整個燒杯底部，分散性土。④孔隙水可溶性陽離子試驗：TDS >1的情況下，PS < 40%，非分散性土；40 %≤PS≤60 %，過渡性土；60 %

表3 土樣分散性鑒定及綜合判別結(jié)果Tab.3 Comprehensive results of dispersive property tests of soil samples

注：綜合判別準(zhǔn)則：①雙比重計試驗的權(quán)重值取20%，針孔試驗的權(quán)重值取40%，碎塊試驗的權(quán)重值取20%，孔隙水可溶性陽離子試驗的權(quán)重值取10%，交換性鈉離子百分比試驗的權(quán)重值取10%。②分散性權(quán)重<50%的情況下，“分散性+過渡性”權(quán)重≥50%，過渡性土；“分散性+過渡性”權(quán)重<50%，非分散性土。分散性權(quán)重=50%的情況下，過渡性權(quán)重≥20%，分散性土；過渡性權(quán)重<20%，過渡性土；分散性權(quán)重>50%，分散性土。

圖1 針孔試驗和碎塊試驗照片F(xiàn)ig.1 Photos of the pinhole test and the crumb test

1.4 土樣的膨脹性試驗

土體的膨脹性應(yīng)根據(jù)土樣的自由膨脹率、場地的工程地質(zhì)特征和建筑物的破壞形態(tài)綜合判別。本研究根據(jù)實際情況，采用《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[18]制定的自由膨脹率試驗測定土樣的自由膨脹率，評價土樣的膨脹性。土樣的自由膨脹率試驗結(jié)果見表4。從表4中可看出，土樣1、3的自由膨脹率40≤δef<65，屬于弱膨脹土；土樣2的自由膨脹率90≤δef，所以屬于強(qiáng)膨脹土。這3組土樣都具有一定的膨脹潛勢，屬于膨脹性土。

表4 土樣的自由膨脹率試驗結(jié)果Tab.4 Results of free swelling ratio test of soil samples

注：40≤δef<65，土體膨脹潛勢弱；65≤δef<90，土體膨脹潛勢中；90≤δef，土體膨脹潛勢強(qiáng)。

2 渠道特殊土的工程危害及處理方法

2.1 渠道分散性土工程危害及處理方法

從滲透破壞和抗水沖蝕的角度出發(fā)，將黏性土分為非分散性土、過渡性土和分散性土。分散性土在低含鹽量水中(或純凈水中)細(xì)顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部消失，呈團(tuán)聚體存在的顆粒體自行分散成原級的黏土顆粒[6]。因此，分散性土的抗水蝕性能很低，危害性很大(見圖2)。

圖2 分散性土渠道工程病害圖Fig.2 Photos of diseases of dispersive clay canal

分散性土渠道破壞形式主要有沖蝕破壞、滲透破壞兩種形式。沖蝕破壞是指分散性土遇到鹽濃度比較低的水，細(xì)顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部喪失，土體表面土粒逐漸依次脫落，形成懸液；如果遇到流動的水，分散性土的土粒即被帶走，沖蝕現(xiàn)象甚至比細(xì)砂或粉土還嚴(yán)重，在土體表面形成孔洞或者沖溝[19]。滲透破壞即在滲流作用下，分散性土土體表面的微裂縫內(nèi)部土顆粒在遇水情況下黏聚力幾乎完全喪失，裂縫內(nèi)部表面土顆粒逐漸脫落，隨著土顆粒的依次脫落裂縫不斷發(fā)展延伸，從而導(dǎo)致土體形成貫通的滲流通道，造成土體的管涌破壞。如果分散性土渠道處理不當(dāng)，將對渠基與渠坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

分散性土渠道的處理措施主要如下。

(1)土性改良措施。采用石灰、水泥等無機(jī)結(jié)合料改變土體性質(zhì)，消除其分散性。

(2)防滲措施。使用土工膜防止水滲入土體，從而避免分散性土被水沖蝕。

(3)反濾層措施。采用反濾砂或土工布作為反濾保護(hù)措施，防止分散性土土顆粒被滲流水?dāng)y帶流失。

(4)坡面保護(hù)措施。選擇草皮或者格柵(土工格柵、混凝土格柵)，防止坡面產(chǎn)生沖溝和表層土流失[20]。

根據(jù)工程實際情況，這些措施可單獨采用，也可綜合采用。例如，黑龍江省大慶地區(qū)的雙陽河水庫土料是分散性土，處理措施為：上游坡和壩頂用土工防滲膜包起來，下游坡用草皮護(hù)坡保護(hù)。上游坡壩身的土面上先鋪土工布防滲膜，膜上面是土工織物墊層，墊層上鋪混凝土板護(hù)坡[19]。黑龍江省南部引嫩工程16、17號壩的筑壩土料經(jīng)試驗后被確認(rèn)是十分典型的強(qiáng)分散性土，16號壩主要以反濾料保護(hù)法為主，上游采用土工布包裹，外鋪混凝土預(yù)制板，下游壩坡在出逸高度下，用土工布做反濾層保護(hù)出逸段以下壩段不發(fā)生管涌；17號壩采用了摻入4%的石灰配制成改性土進(jìn)行包裹，下游逸出段采用細(xì)砂做反濾排水處理，并種植草皮護(hù)坡。美國密西西比州分散性土大壩同樣以石灰改良土包裹為主，去除表層土后用2%石灰土鋪蓋壓實，攤鋪表土后種植草皮[16]。

2.2 渠道膨脹土的工程危害及處理方法

膨脹土是由膨脹性黏土礦物蒙脫石、伊利石等組成的，具有脹縮性、超固結(jié)性、多裂隙性以及強(qiáng)度衰減特性的一類特殊黏性土[21]。膨脹土地區(qū)修建的渠道常常發(fā)生渠基和邊坡破壞，工程界常稱之為災(zāi)害性土(見圖3)。

圖3 膨脹土渠道工程病害圖Fig.3 Photos of diseases of expansive clay canal

膨脹土渠道易發(fā)生渠堤滑坡，且挖方渠坡面滑坡規(guī)模一般比填方渠大；渠堤堤肩易發(fā)生坍塌，沿渠線方向分布的坍塌體長度不等；堤腰或坡腳處易發(fā)生溜坍，既可能出現(xiàn)單個溜坍體，也可能數(shù)個溜坍體沿堤線方向相互重疊形成溜坍裙；在坡腰或接近坡腰處，土體膨脹容易引起局部外脹現(xiàn)象；邊坡坡面受雨水沖刷容易形成沖溝，沖淘程度嚴(yán)重且形成速度快；由于邊坡表層土體性質(zhì)、干縮濕脹循環(huán)、雨水沖刷等綜合作用，坡面容易發(fā)生松散、剝落和泥流。這些破壞直接影響渠道的安全運(yùn)行，其造成的損失及危害性也是巨大的[22]。

膨脹土渠道的主要處理措施如下。

(1)換填措施。將膨脹土置換為非膨脹黏性土或粗粒土。

(2)結(jié)構(gòu)改造措施。采用合理的結(jié)構(gòu)措施來適應(yīng)地基土的變形，如選擇合適的斷面形狀、設(shè)置擋土墻等措施。

(3)土性改良措施。采用石灰、水泥等無機(jī)結(jié)合料改變土體性質(zhì)，消除土的膨脹性。

(4)坡面保護(hù)措施。選擇草皮或者格柵(土工格柵、混凝土格柵)，防止坡面表層土流失和坍滑。

(5)排水措施。渠坡布置豎井結(jié)合水平孔排滲或輻射井排滲設(shè)施，從而降低膨脹土的含水率，減少土體的干濕變形。

(6)加筋措施。采用土工格柵加筋補(bǔ)強(qiáng)渠坡，可吸收土體干縮變形產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，并且提高土體的整體性和抗剪強(qiáng)度[20]。

工程上一般采用一種或者多種措施相結(jié)合的方式進(jìn)行處理。例如，廣西上思那板北干渠部分渠段膨脹土摻石灰并在表面鋪蓋水泥砂漿的方法，針對不同位置采用不同的石灰摻量和覆土厚度，處理30多年來正常運(yùn)行[1]。黑龍江省北引工程土質(zhì)為弱膨脹土、局部中等膨脹土，處理方案主要是從坡面防護(hù)、加固處理兩個方面考慮，對于弱膨脹土考慮防滲為主，保護(hù)層材料采用“復(fù)合土工膜+混凝土護(hù)面”；對于中(局部強(qiáng))膨脹土，采用換填的辦法，換填材料采用“EPS 顆粒改良土”；對于破壞嚴(yán)重的地段，采用“防排水綜合處理”或“加筋膨脹土”結(jié)構(gòu)[23]。南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢工程采用弱膨脹土渠段不予處理、中等及弱偏中膨脹土的渠段進(jìn)行換土回填的方法，并結(jié)合草皮護(hù)坡、排水溝等措施處理渠道膨脹土[24]。

3 特殊土的石灰改性試驗

鑒于石灰對渠道分散性土和膨脹土的處理均有過成功案例，且石灰的造價較低，所以使用分析純生石灰(CaO≥98%)對3種土樣進(jìn)行改性，摻量分別為1%、3%、5%；采用針孔試驗、碎塊試驗和自由膨脹率試驗鑒定石灰改性土的分散性和膨脹性。由于石灰摻量較少，所以改性試驗中土體的含水率和密度仍采用素土的最優(yōu)含水率和最大干密度。

3.1 分散性改性試驗

由于土樣1綜合判別結(jié)果為分散性土，土樣2、3綜合判別結(jié)果為非分散性土，但土樣3碎塊試驗表現(xiàn)為分散性土，所以只對土樣1、3摻入石灰進(jìn)行分散性改性，土樣改性后進(jìn)行針孔試驗和碎塊試驗。試驗結(jié)果見表5，試驗照片見圖4。從表5中可以看出，土樣中加入石灰后，在1%、3%、5%三個摻量下經(jīng)過3 d的養(yǎng)護(hù)齡期，2組土樣針孔試驗和碎塊試驗均表現(xiàn)為非分散性土的特征。由此可見，石灰對土樣的分散性具有良好的改性效果。

圖4 土樣摻加3%石灰后針孔試驗和碎塊試驗照片F(xiàn)ig.4 Photos of the pinhole test and the crumb test of the soil sample added lime

表5 摻加石灰的土樣針孔、碎塊試驗結(jié)果Tab.5 Results of pinhole test and crumb test of soil samples added lime

3.2 膨脹性改性試驗

由于3組土樣均具有膨脹性，所以對3組土樣摻入石灰進(jìn)行膨脹性改性試驗，并測定3d齡期時不同石灰摻量下改性土的自由膨脹率。試驗結(jié)果見表6，試驗照片見圖5。從表6中可以看出，隨著石灰劑量按照1%、3%、5%依次增大，土樣的自由膨脹率降低，其中土樣1在1%石灰摻量下仍然具有膨脹性，在3%、5%摻量下即表現(xiàn)為非膨脹土；土樣2在1%、3%石灰摻量下仍然具有膨脹性，5%摻量下則無膨脹性；土樣3在3個石灰摻量下均無膨脹性。所以，石灰對于膨脹土具有良好的改性效果，可以降低其膨脹性。

4 結(jié) 語

(1)黑龍江省灌區(qū)渠道特殊土具有分散性或膨脹性，甚至既具有分散性又具有膨脹性。其中，萬北總干渠土樣、引湯灌區(qū)土樣分別具有強(qiáng)膨脹性、弱膨脹性，但無分散性；蛤蟆通灌區(qū)土樣具有強(qiáng)分散性和弱膨脹性。

(2)石灰對該地區(qū)特殊土的分散性和膨脹性具有較好的改性效果。對于蛤蟆通灌區(qū)土，石灰摻量在1%時即可消除其分散性，摻量在3%時即可消除其膨脹性；萬北總干渠土由于具有強(qiáng)膨脹性，石灰摻量需達(dá)到5%才能消除其膨脹性；引湯灌區(qū)土在石灰摻量1%時即無膨脹性。

表6 摻加石灰的土樣自由膨脹率試驗結(jié)果Tab.6 Results of free swelling ratio test of soil samples added lime

圖5 土樣2摻加石灰后自由膨脹率試驗照片F(xiàn)ig.5 Photo of free swelling ratio test of the soil sample #2 when it was mixed lime

(3)考慮到施工實際情況，三個灌區(qū)的渠道在維修中對于分散性土和膨脹土破壞渠段均采用3%～6%的石灰對渠基土進(jìn)行了改良，以消除土體分散性和膨脹性造成的破壞。目前渠道工程整體運(yùn)行狀況良好。

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