某大型渠道膨脹巖基礎(chǔ)改造方案的探討

丁銀劍

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

0 前 言

新疆ZG渠擴建工程為大(2)型Ⅱ等工程，主要建筑物為2級，原設計引水流量為80 m3/s，擴建后設計引水流量為120 m3/s。輸水線路總長133.65 km，其中輸水隧洞總長4.14 km，輸水渡槽長100.0 m，輸水明渠總長129.40 km。輸水渠道大部分為梯形斷面渠道，局部為弧底梯形斷面渠道，渠底寬4.0 m，內(nèi)坡比為1∶2，渠道縱坡為1/10 000～1/12 500，水深為5.99～6.53 m，渠深為7.2～7.7 m，渠道襯砌大部分采用6 cm厚正六邊形預制混凝土板，底部鋪設一布一膜(膜厚0.6 mm、布150 g/m2)。

根據(jù)地質(zhì)資料，渠坡、渠底分布泥巖、砂質(zhì)泥巖,總長約42 km，占渠道總長33%左右，均屬膨脹巖，嚴重危害了渠道的運行。其中，樁號20+000.00 m～45+000.00 m段渠道，投入運行3～4 a后，渠底和渠坡出現(xiàn)不同程度的鼓脹、變形現(xiàn)象，個別渠段甚至發(fā)生了較大規(guī)模的深層滑動，馬道上出現(xiàn)約2～3 cm寬的縱向裂縫，對渠道的正常運行造成了嚴重的影響。

1 原因分析

該段渠道基礎(chǔ)為泥巖及砂質(zhì)泥巖，屬中、強膨脹巖，膨脹力為0.10～0.39 MPa[1]，由于工程建設期對泥巖基礎(chǔ)渠道的認識不足，僅對該段渠道進行了非凍脹土換填，渠底未設置縱、橫向排水系統(tǒng)[2]。渠道投入運行后，由于渠道滲水無排水通道，長期蓄積于渠底，浸泡渠道基礎(chǔ)，使渠基泥巖達到飽和，內(nèi)摩擦角減小，引起渠道變形、膨脹、局部渠堤滑坡等現(xiàn)象[3]。

2 改造方案

根據(jù)原渠道設計方案，中、強膨脹巖基礎(chǔ)渠段，渠道邊坡為1∶2，挖深7～12 m，若采用減壓卸荷方案，渠道邊坡需放緩至1∶2.5，換填1～2 m厚的砂礫石，則原渠道馬道以上邊坡也需進行削坡，渠道改造工程量較大，投資較高。

對于膨脹巖基礎(chǔ)的處理，排水是關(guān)鍵，ZG渠邊坡相對較陡，渠道邊坡滲水會很快匯至渠底，只要加強渠底排水，渠道滲水就不會使泥巖基礎(chǔ)產(chǎn)生較大膨脹變形。

本次ZG渠樁號9+000.00 m～26+000.00 m泥巖渠道改造方案為全斷面換填結(jié)合增設排水體。根據(jù)ZG渠對膨脹巖基礎(chǔ)渠道已經(jīng)實施6 a的改造方案，并借鑒南水北調(diào)工程經(jīng)驗，適當加大渠底換填層的厚度，由原來的1.0 m加大至1.5 m，換填基礎(chǔ)面開挖邊坡放緩至1∶2.5[4]。

(1) 襯砌結(jié)構(gòu)改造

本次擴建工程渠堤加高采用貼坡加高方案，渠堤加高1.6～2.0 m，為提高渠底襯砌結(jié)構(gòu)對邊坡的支持作用，本次改造將泥巖換填渠段渠底襯砌結(jié)構(gòu)調(diào)整為受力較好的現(xiàn)澆混凝土弧形渠底[5]，渠坡為預制混凝土板襯砌。

(2) 換填料改造

為防止渠道滲水透過換填的透水料對泥巖基礎(chǔ)造成不利影響，將全斷面換填單一透水料調(diào)整為雙層鋪料型式[6]。先在泥巖開挖面鋪設1層100 cm厚的白砂巖，再鋪設50 cm厚的砂礫石透水料，渠道滲水通過透水料很快匯集至渠底排水體中排出。經(jīng)試驗研究，白砂巖屬弱凍脹土，當白砂巖干密度大于1.8 5 g/cm3以上，隨著壓實度的增加，凍脹率逐漸減小，若控制一定的含水率，增大壓實功能，可達到很好的壓實效果[7]。經(jīng)壓實后的中粗砂滲透系數(shù)為K=1.3×10-5～8.0×10-6cm/s，中細砂巖、細砂巖滲透系數(shù)為K=4.0×10-7～2.1×10-8cm/s。作為渠道換填料，白砂巖能夠阻隔渠道滲水進入泥巖基礎(chǔ)，填方渠段基本采用沿線分布的白砂巖進行渠堤填筑[8]。

(3) 縱向排水體設計

為保護渠底換填層底部的泥巖基礎(chǔ)，將縱向排水體置于渠底換填層以下[9]。排水體斷面為倒梯形結(jié)構(gòu)，底寬80 cm，兩側(cè)邊坡1∶0.5，高80 cm。排水體內(nèi)自上而下分別鋪設20 cm厚的粗砂、20 cm厚的小石(粒徑5～20 mm)及40 cm厚的中石(粒徑20～40 mm)[10]。排水體軸線底部鋪設1根DN160的UPVC濾水花管，管頂240°范圍內(nèi)打孔，孔徑1 cm，間隔30°一孔，沿排水管軸線每10 cm設一排孔，梅花形布置[11]。排水體底部及兩側(cè)邊坡鋪設一布一膜(膜厚0.6 mm、布150 g/m2)，鋪設范圍延伸至整個渠底換填基礎(chǔ)面,具體布置見圖1。

圖1 渠道縱橫向排水布置示意圖 單位：mm

(4) 橫向排水體設計

根據(jù)泥巖段處理長度，橫向排水體約300～500 m布置一道，與渠底縱向排水體相連，橫斷面為80 cm×80 cm的矩形結(jié)構(gòu)，排水體底部鋪設1根DN160的UPVC濾水花管，外包排水砂礫石及一布一膜，濾水花管與縱向排水體濾水花管連通[12]。

根據(jù)地形條件橫向排水體末端出口有2種處理方案：① 有排水出路情況。橫向排水體出口距離渠道軸線約50 m左右，后接排水明渠至地面洼地。② 無排水出路情況。在出口接入直徑2.5 m的預制鋼筋混凝土集水井中，井深13 m左右，集水井布置在渠堤外側(cè)約70 m左右，井內(nèi)設有潛水泵及自動抽排裝置，可將渠道滲水回抽至ZG渠中[13]。為了便于運行管理，減少水泵的啟動頻率，增加水泵的淹沒深度，防止水泵干抽，集水井底部位于橫向排水管軸線以下2.5 m處。

3 結(jié) 語

根據(jù)渠道管理處運管人員的觀測，經(jīng)過以上方案改造后的渠段，橫排出口有水排出，說明排水系統(tǒng)通暢。渠道運行6 a多后，斷面保持良好，只在局部渠段發(fā)生點狀鼓脹，未發(fā)生大的渠道變形、渠坡滑塌等情況。這說明本膨脹巖渠道改造方案及縱、橫向排水的設置效果顯著，大大提高了輸水渠道的運行安全性及可靠性。本工程膨脹巖渠道的改造設計方案可為同類工程提供借鑒。