引江濟淮工程現(xiàn)場試驗段膨脹土利用分析

楊秀海

（安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 蚌埠 233000）

引江濟淮工程由引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大部分組成，江淮溝通段是引江濟淮工程的關(guān)鍵地段，全長155.10 km，沿線主要工程地質(zhì)問題為膨脹土渠坡穩(wěn)定性問題。根據(jù)膨脹土分布、渠道挖深、試驗環(huán)境等因素，初步選擇江淮溝通段樁號J41+000～42+500 作為試驗渠道段。渠道挖深20～30 m 左右，渠坡上部為膨脹土，下部為泥質(zhì)粉砂巖。

試驗主要利用現(xiàn)場開挖的高渠坡，針對本工程具體膨脹土特性、渠道運營期周邊環(huán)境條件，研究膨脹土工程地質(zhì)特性及結(jié)構(gòu)特性、膨脹土渠坡穩(wěn)定分析方法、外界作用對膨脹土工程性質(zhì)影響及施工工藝研究。

1 膨脹土工程地質(zhì)特性及結(jié)構(gòu)特性

利用開挖面研究膨脹土的工程地質(zhì)特性，為現(xiàn)場試驗和成果分析提供基礎(chǔ)依據(jù)，具體工作開展情況如下：

1）在開挖過程中，通過系統(tǒng)取樣及室內(nèi)試驗，進一步確定巖土的脹縮特性、天然土體含水量的垂向變化、強度，研究巖性、膨脹性的空間變化，為評價渠道處理效果提供可靠的地質(zhì)資料。

2）利用渠道開挖面，觀察研究天然情況下土體裂隙的形態(tài)、規(guī)模、充填物、裂隙面特征、發(fā)育程度的空間變化，研究其空間分布規(guī)律。

3）利用渠道開挖面，實時觀測研究土體中地下水的賦存形式、滲流特征，開展現(xiàn)場滲透性試驗，為渠道防滲排水設(shè)計提供依據(jù)。

4）在渠道不同開挖深度，開展膨脹土原位強度測試，研究膨脹土力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)和結(jié)構(gòu)面控制效應(yīng)，為確定膨脹土的力學(xué)參數(shù)、邊坡穩(wěn)定分析方法提供依據(jù)。

5）對開挖坡面巖土大氣影響帶發(fā)展演化進行實時觀測，為制訂渠道開挖臨時保護措施提供依據(jù)。

6）利用開挖斷面，開展膨脹土大氣影響帶及其以下土體結(jié)構(gòu)特征研究，研究膨脹巖土結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定的控制作用。

7）對可能用作填方料（改性料）的弱膨脹土開挖棄料，開展相關(guān)專門試驗。

8）在渠坡采取保護措施后，對坡內(nèi)巖土的工程特性進行跟蹤觀測，研究土體物理力學(xué)性質(zhì)在試驗期的變化及發(fā)展趨勢。

9）在膨脹土物理力學(xué)指標、膨脹性分級標準和膨脹土宏觀特征相關(guān)性研究的基礎(chǔ)上，提出膨脹土現(xiàn)場快速判別分級標準和判別方法。

2 膨脹土渠坡穩(wěn)定分析方法研究

綜合考慮膨脹土強度特征、變形特征以及存在膨脹力的特點，結(jié)合膨脹土渠坡失穩(wěn)機理與失穩(wěn)模式，研究提出膨脹土渠坡穩(wěn)定性分析方法。從膨脹土邊坡的實際破壞型式看，采用通常的圓弧滑動法或條分法存在一些問題，與實際破壞模式存在較大差別，需要根據(jù)具體膨脹土的特性及邊界條件進行必要的改良，并進行必要的對比分析驗證。

改良計算方法主要考慮以下幾個方面：

1）結(jié)構(gòu)面因素和脹縮裂隙帶因素的地質(zhì)概化模型建立。2）結(jié)構(gòu)面強度控制理論的參數(shù)取值方法。3）潛在不穩(wěn)定體受力條件。

3 外界作用對膨脹土工程性質(zhì)的影響

進行氣候和地下水對膨脹土工程特性及渠坡穩(wěn)定性的影響研究，開展膨脹土改性試驗研究（重點研究摻和比、摻和方法及改性土的工程特性），開展淺表層變形破壞防護處理試驗研究、結(jié)構(gòu)面控制型穩(wěn)定處理試驗研究等，對擬定的渠坡處理措施進行初步施工工藝研究，并進行初步經(jīng)濟比較分析，為工程設(shè)計方案的確定提供依據(jù)。

1）環(huán)境作用影響研究。膨脹土及崩解巖渠坡破壞的外因是大氣環(huán)境影響、渠水入滲、地下水滲流等引起土體含水量發(fā)生變化，本質(zhì)是土體的強度的變化。渠道開挖后，渠道周邊土體所處的環(huán)境發(fā)生較大變化，將引起巖土體力學(xué)性能變化，并且這種變化是隨時間而發(fā)展的。土體性質(zhì)變化的程度和深度與大氣降水和蒸發(fā)條件、開挖面的保護條件（裸露、混凝土襯砌保護、非膨脹性粘性土或改性土保護）和暴露時間的長短等有關(guān)。環(huán)境作用影響主要研究內(nèi)容包括：①膨脹土強度與含水量關(guān)系研究。②膨脹土在干濕循環(huán)條件下的強度～變形特性研究。③在不同處理方案保護下，膨脹土含水量、工程特性的變化規(guī)律。④巖土體滲透性及渠道開挖后地下水運動規(guī)律研究。⑤膨脹土開挖邊坡大氣影響帶形成速度及開挖邊坡臨時保護措施研究。⑥襯砌后孔隙水壓力的分布特征、作用于渠道襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載、地基變形規(guī)律。⑦襯砌開裂滲水情況下，渠坡土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化及對混凝土襯砌的影響。

2）膨脹巖土開挖邊坡破壞形式及機理研究。通過預(yù)先埋入的監(jiān)測儀器和地質(zhì)工程師現(xiàn)場解剖，研究渠道開挖后，渠坡穩(wěn)定性演化、破壞形式、破壞發(fā)展過程、控制因素。研究膨脹土結(jié)構(gòu)面發(fā)育分布規(guī)律、類型、特征、力學(xué)強度，研究開挖邊坡破壞形式及發(fā)展演化模式。通過對破壞規(guī)律研究，優(yōu)化坡形設(shè)計和抗滑措施布置。

3）膨脹巖土渠坡膨脹變形試驗研究。通過巖土含水率和變形監(jiān)測，研究在渠道施工過程及運行工況下，巖土含水率變化、強度衰減及膨脹變形規(guī)律、變形量、對襯砌結(jié)構(gòu)及渠坡穩(wěn)定的影響。

4）渠周巖土對渠道開挖的響應(yīng)規(guī)律研究。研究渠道周邊巖土對渠道開挖的響應(yīng)，重點研究卸荷回彈變形方式、影響范圍、變形量值、動態(tài)特征，研究卸荷作用對巖土強度、邊坡穩(wěn)定的影響、防范措施。研究渠道封閉后，渠基巖土含水率變化規(guī)律及其對巖土強度、膨脹變形、襯砌穩(wěn)定的影響。

4 試驗段現(xiàn)場施工工藝研究

根據(jù)不同的處理方案，研究相應(yīng)的施工工藝和施工控制指標，完成試驗段渠道工程的開挖、襯砌、防滲、排水、渠道邊坡保護、試驗所需的各類模擬設(shè)施、試驗檢測儀器的埋設(shè)、試驗所需的水電供應(yīng)系統(tǒng)及試驗所需的臨時設(shè)施建設(shè)等。重點是施工工藝及施工質(zhì)量控制方面的研究。

對不同的處理措施，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)施工經(jīng)驗，初步擬定施工工藝，在試驗段施工之前，進行各種處理措施的施工試驗，確定適宜的施工方法和參數(shù)，初步形成各種措施的施工工藝，并在試驗段施工中進行優(yōu)化調(diào)整。施工工藝研究的內(nèi)容包括：膨脹土開挖技術(shù)，換填施工工藝，膨脹土改性施工工藝，開挖坡面臨時保護技術(shù)。

1）膨脹土開挖技術(shù)研究。膨脹土及崩解巖具有快速風(fēng)化特點，干濕循環(huán)后強度大幅下降，因此施工期間需要采取“快速開挖、臨時保護、快速覆蓋”的指導(dǎo)思想。開挖預(yù)留保護層，在基礎(chǔ)覆蓋前挖除。需研究膨脹土、崩解巖在不同天氣條件下預(yù)留保護層厚度、基礎(chǔ)面可暴露最長時間、允許的最大含水量變化值及保護層開挖技術(shù)。

已有的研究成果表明，膨脹土暴露地表后會在極短的時間內(nèi)出現(xiàn)開裂，因此需要研究保護層剝離后至澆筑混凝土期間防止土體開裂的措施。膨脹土預(yù)留保護層一般為30～70 cm，厚度較小，且部分為坡面開挖，為了快速施工并減小開挖過程中對基礎(chǔ)面的干擾，需選用適于膨脹土保護層開挖的機械、施工程序。

2）換填施工工藝研究。換填土厚度一般為1.0～2.5 m，坡面上水平寬度為2.2～5.2 m，需研究技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的鋪土方式、鋪土分層厚度、最優(yōu)含水量、虛鋪超寬量、碾壓機械、碾壓方式、碾壓遍數(shù)等，研究確定控制換填土施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素和控制環(huán)節(jié)。

3）土工格柵填土施工工藝研究。土工格柵加筋土柔性支護與地下排水結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以用于非過水?dāng)嗝妗⒌叵滤鄬ωS富、以淺表層脹縮變形為主的邊坡防護。需研究土工格柵與填土的鋪填方式，填土分層厚度、最優(yōu)含水量、碾壓機械、碾壓方式、碾壓遍數(shù)以及壓實機械與土工格柵的最小距離，土工格柵的鋪設(shè)工藝、搭接最小長度、固定工藝以及土工格柵垂直間距允許誤差等。

4）水泥改性施工工藝研究。選擇合適的改性原料，研究評價改性效果；選擇合理的土料破碎方法；選擇合理的拌和及碾壓參數(shù)，確定改性及碾壓施工質(zhì)量控制標準。

5）開挖坡面臨時保護措施研究。在渠道設(shè)計斷面開挖到位至襯砌或坡面保護設(shè)施實施完成前，膨脹土及崩解巖開挖面一般有一定的暴露時間，盡管時間不長，但對渠道周緣土體性質(zhì)的影響卻是顯著的，因此一般要采取臨時保護措施，如灑水、遮陽覆蓋、噴砂漿等。需要通過試驗確定相關(guān)保護方法及技術(shù)指標。

5 結(jié) 語

膨脹土研究應(yīng)根據(jù)試驗段膨脹土分布和試驗區(qū)布置情況，依照試驗要求，按不同研究目的有針對性地分段布置監(jiān)測設(shè)施，采用獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便于資料統(tǒng)計整理、分析。

根據(jù)不同的膨脹土工程處理措施，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、檢測成果，對施工質(zhì)量要素和檢測指標進行綜合分析，提出試驗段施工質(zhì)量和現(xiàn)場檢測指標，為大面積施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。