南水北調膨脹巖邊坡膨脹等級復核分析

張永央

（河南省水利勘測有限公司）

0 引言

膨脹巖是一種常見的特殊巖土，在中國廣泛分布，膨脹巖對水分狀態的變化十分敏感，這種敏感會引起膨脹巖體積和強度的變化，危害建筑物安全。膨脹巖以對工程危害大、工程處理難度大、處理費用高，被工程界喻為多問題、難對付的巖土。充分研究膨脹巖的工程地質特征、做好工程地質勘察是保障工程質量、工程安全的前提，施工過程中對開挖揭示的膨脹巖進行膨脹等級復核則是保障工程建設質量的又一道屏障，施工開挖過程中對開挖揭示后的膨脹巖膨脹等級進行復核，以便設計單位調整邊坡的處理措施，指導施工。

1 工程背景

南水北調中線一期工程總干渠某渠段位于河南省西南部，地處暖溫帶和北亞熱帶氣候交錯的邊緣地區，氣候具有明顯的過渡性特征，多年平均降雨量約830 mm，地貌單元屬丘陵崗地向平原的過渡地帶，渠道由膨脹巖渠道段、非膨脹巖渠道段組成，其中膨脹巖渠道段地勢上南高北低、西高東低，地貌單元為丘陵崗地，地形平坦開闊，無自然陡坎，渠道由南向北穿過該丘陵崗地，地面高程145.10～128.00 m，渠底設計高程約123.26 m，文中案例膨脹巖渠道段長約1.10 km，渠道邊坡巖性主要為上第三系中新統洛陽組（N1L）的粘土巖、泥灰巖和第四系中更新統重粉質壤土，其中粘土巖呈棕紅色局部夾雜灰綠色、灰白色，灰綠色與棕紅色粘土巖呈漸變關系，包含鈣質團塊，粒徑一般1～2 cm，巖體裂隙發育，傾角一般40～70°，節理面光滑，有鏡面擦痕，場區地下水位高于建基面高程，水位變幅3～5 m，膨脹巖邊坡存在干濕交替現象；工程勘察時自由膨脹率試驗組數為60組，自由膨脹率范圍值40%～99%，按40%≤δef＜65%具弱膨脹潛勢，65%≤δef＜90%具中膨脹潛勢，δef≥90%具強膨脹潛勢，渠段粘土巖主要具弱膨脹潛勢，局部具中～強膨脹潛勢。渠道屬全自流渠道，渠道底寬度25 m，最大挖深約22 m，設計邊坡坡比1∶2.00～1∶2.50，過水斷面全斷面襯砌，場區內膨脹巖廣泛分布。

2 膨脹等級復核的技術路線

2.1 膨脹等級復核的初判

2.1.1 失水后干裂情況鑒別

開挖后的巖體在自然狀態下暴露，觀察其失水后碎裂情況及碎塊狀態，發現渠段粘土巖通常經歷遇水、失水后收縮干裂成約菜花狀的碎塊，符合膨脹巖巖體干裂外觀特征鑒別表（詳見表1）中的中～強膨脹潛勢的特征，可鑒別為粘土巖具中～強膨脹潛勢。

表1 膨脹巖巖體干裂外觀特征鑒別表

2.1.2 水中崩解速度鑒別

現場條件下取新開挖的膨脹巖巖塊，重量約300 g，在室溫狀態下，放置于靜止的透明容器內，用導管從底部加入蒸餾水，水面高于巖塊約2 cm，觀察膨脹巖在水中的崩解速度，根據試樣浸水試驗的崩解速率，符合水中崩解速度鑒別表（詳見表2）中的中膨脹潛勢特征，可鑒別粘土巖具中膨脹潛勢。

表2 水中崩解速度鑒別表

2.1.3 巖體裂隙發育情況鑒別

膨脹土（巖）依據其自由膨脹率的大小分為強、中和弱膨脹土（巖），其膨脹性強弱與其內部結構、孔隙的分布以及礦物成分等有關，據此，現場可統計膨脹巖巖體的裂隙發育程度，進行膨脹等級的鑒別。新開挖的邊坡長（大）裂隙較發育，經統計延伸長度>50 cm的裂隙，密度一般約為1條/m；原生小裂隙，延伸長度一般＜50 cm，密度約為3～5 條/m，裂隙面一般弧形且光滑有蠟質光澤，傾角一般約45～55°。符合巖體裂隙發育情況鑒別表（詳見表3）中的中膨脹潛勢特征，可鑒別粘土巖具中膨脹潛勢。

表3 巖體裂隙發育情況鑒別表

初判綜述：經編錄、測量，粘土巖中原生裂隙較多，延伸長度一般10～80 cm，最長者約2.30 m，該粘土巖有臨空面后極易沿裂隙面形成塌滑現象；裂面光滑細膩，多為灰綠色，雜有灰黑色鐵錳質浸染薄膜或斑紋。裂隙方向不規則，主要的裂隙有三組：①傾向275～308°，傾角多為52～76°，個別16°；②傾向186～240°，傾角多為40～50°；③傾向98～145°，傾角38～52°；另有許多網狀微裂隙，產狀不規律。現場各個坡面粘土巖均見有崩塌現象，左右岸邊坡發生滑坡可能性大。經持續觀測，粘土巖結構較致密，多呈硬塑土狀，初期天然強度較高，微觀結構均有隱蔽微裂隙，裂面光滑細膩，方向不規則，隨著巖體干濕交替、卸荷回彈等影響裂隙逐漸顯現，坡面上粘土巖節理裂隙面發育迅速。經初判段內粘土巖具中～強膨脹潛勢。

2.2 膨脹等級復核的復判

根據膨脹等級復核的技術路線及初判結果，需對渠段膨脹巖膨脹等級進行復判，工程師對段內左側邊坡膨脹巖進行取樣復核工作，按分斷面隨機取樣，斷面間距約為100 m，每斷面取樣組數為3組，共取樣36組，送實驗室作自由膨脹率試驗，試驗結果表明，粘土巖自由膨脹率范圍值42.00%～86.00%，自由膨脹率>65%的試樣共14 組，具中膨脹潛勢，占試樣比例為38.90%，中膨脹潛勢試樣數>該層試樣總量的1/3，渠段粘土巖具中膨脹潛勢，試驗成果見表4。

綜合現場膨脹等級復核的初判、復判及施工現場地質編錄情況，研究分析了巖性外觀結構特征、遇水及氣候影響的風化崩解情況，綜合判斷為渠段粘土巖具中膨脹潛勢。根據對各期試驗數據分析，依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50487-2008）,并參考《南水北調中線工程膨脹土工程性質研究報告》（長江勘測技術研究所），綜合采用工程類比法提出膨脹巖渠段影響帶、過渡帶、非影響帶等3帶的參數建議值，用于渠道邊坡穩定性分析、計算。

3 膨脹巖邊坡穩定性計算

根據膨脹巖地層分布情況、邊坡高度，選取樁號FH0+200、樁號FH0+800 共2 個典型斷面進行穩定計算。安全系數同初步設計階段的1.35，分設計工況、校核工況2種工況，計算方法采用畢肖普法，經復核，2個典型斷面中的校核工況下K2分別為1.20、1.14，均不滿足穩定的需要，需對不穩邊坡進行處理，建議采用目前可行的方案①放緩邊坡方案；②增加換填厚度方案；③抗滑樁方案，可分別對3 種方案或相互組合方案進行比選，選取安全、經濟的處理方案。

表4 自由膨脹率復核成果表

4 結論

綜合初判、復判及施工現場地質編錄成果，經分析巖性外觀結構特征、遇水及氣候影響的風化崩解情況，渠段粘土巖具中膨脹潛勢；設計單位采用了現場膨脹巖邊坡復核成果，對該段邊坡原有的處理措施進行了優化設計，最終采用了分段式處理的方式，即根據挖深、施工環境分別采用抗滑樁+水泥改性土換填、加厚水泥改性土換填等處理方式對該渠段膨脹巖邊坡進行處理。同時對一級馬道以下部分進行全斷面鋼筋混凝土襯砌，全坡面設置了排水溝、導流溝系統，全坡面進行了綠化工作；該工程現已通過驗收并運行超過5a，經過對典型斷面的監測數據分析，至今未發現有異常情況。