某大型渠道膨胀岩基础改造方案的探讨

丁银剑

(新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000)

0 前 言

新疆ZG渠扩建工程为大(2)型Ⅱ等工程，主要建筑物为2级，原设计引水流量为80 m3/s，扩建后设计引水流量为120 m3/s。输水线路总长133.65 km，其中输水隧洞总长4.14 km，输水渡槽长100.0 m，输水明渠总长129.40 km。输水渠道大部分为梯形断面渠道，局部为弧底梯形断面渠道，渠底宽4.0 m，内坡比为1∶2，渠道纵坡为1/10 000～1/12 500，水深为5.99～6.53 m，渠深为7.2～7.7 m，渠道衬砌大部分采用6 cm厚正六边形预制混凝土板，底部铺设一布一膜(膜厚0.6 mm、布150 g/m2)。

根据地质资料，渠坡、渠底分布泥岩、砂质泥岩,总长约42 km，占渠道总长33%左右，均属膨胀岩，严重危害了渠道的运行。其中，桩号20+000.00 m～45+000.00 m段渠道，投入运行3～4 a后，渠底和渠坡出现不同程度的鼓胀、变形现象，个别渠段甚至发生了较大规模的深层滑动，马道上出现约2～3 cm宽的纵向裂缝，对渠道的正常运行造成了严重的影响。

1 原因分析

该段渠道基础为泥岩及砂质泥岩，属中、强膨胀岩，膨胀力为0.10～0.39 MPa[1]，由于工程建设期对泥岩基础渠道的认识不足，仅对该段渠道进行了非冻胀土换填，渠底未设置纵、横向排水系统[2]。渠道投入运行后，由于渠道渗水无排水通道，长期蓄积于渠底，浸泡渠道基础，使渠基泥岩达到饱和，内摩擦角减小，引起渠道变形、膨胀、局部渠堤滑坡等现象[3]。

2 改造方案

根据原渠道设计方案，中、强膨胀岩基础渠段，渠道边坡为1∶2，挖深7～12 m，若采用减压卸荷方案，渠道边坡需放缓至1∶2.5，换填1～2 m厚的砂砾石，则原渠道马道以上边坡也需进行削坡，渠道改造工程量较大，投资较高。

对于膨胀岩基础的处理，排水是关键，ZG渠边坡相对较陡，渠道边坡渗水会很快汇至渠底，只要加强渠底排水，渠道渗水就不会使泥岩基础产生较大膨胀变形。

本次ZG渠桩号9+000.00 m～26+000.00 m泥岩渠道改造方案为全断面换填结合增设排水体。根据ZG渠对膨胀岩基础渠道已经实施6 a的改造方案，并借鉴南水北调工程经验，适当加大渠底换填层的厚度，由原来的1.0 m加大至1.5 m，换填基础面开挖边坡放缓至1∶2.5[4]。

(1) 衬砌结构改造

本次扩建工程渠堤加高采用贴坡加高方案，渠堤加高1.6～2.0 m，为提高渠底衬砌结构对边坡的支持作用，本次改造将泥岩换填渠段渠底衬砌结构调整为受力较好的现浇混凝土弧形渠底[5]，渠坡为预制混凝土板衬砌。

(2) 换填料改造

为防止渠道渗水透过换填的透水料对泥岩基础造成不利影响，将全断面换填单一透水料调整为双层铺料型式[6]。先在泥岩开挖面铺设1层100 cm厚的白砂岩，再铺设50 cm厚的砂砾石透水料，渠道渗水通过透水料很快汇集至渠底排水体中排出。经试验研究，白砂岩属弱冻胀土，当白砂岩干密度大于1.8 5 g/cm3以上，随着压实度的增加，冻胀率逐渐减小，若控制一定的含水率，增大压实功能，可达到很好的压实效果[7]。经压实后的中粗砂渗透系数为K=1.3×10-5～8.0×10-6cm/s，中细砂岩、细砂岩渗透系数为K=4.0×10-7～2.1×10-8cm/s。作为渠道换填料，白砂岩能够阻隔渠道渗水进入泥岩基础，填方渠段基本采用沿线分布的白砂岩进行渠堤填筑[8]。

(3) 纵向排水体设计

为保护渠底换填层底部的泥岩基础，将纵向排水体置于渠底换填层以下[9]。排水体断面为倒梯形结构，底宽80 cm，两侧边坡1∶0.5，高80 cm。排水体内自上而下分别铺设20 cm厚的粗砂、20 cm厚的小石(粒径5～20 mm)及40 cm厚的中石(粒径20～40 mm)[10]。排水体轴线底部铺设1根DN160的UPVC滤水花管，管顶240°范围内打孔，孔径1 cm，间隔30°一孔，沿排水管轴线每10 cm设一排孔，梅花形布置[11]。排水体底部及两侧边坡铺设一布一膜(膜厚0.6 mm、布150 g/m2)，铺设范围延伸至整个渠底换填基础面,具体布置见图1。

图1 渠道纵横向排水布置示意图 单位：mm

(4) 横向排水体设计

根据泥岩段处理长度，横向排水体约300～500 m布置一道，与渠底纵向排水体相连，横断面为80 cm×80 cm的矩形结构，排水体底部铺设1根DN160的UPVC滤水花管，外包排水砂砾石及一布一膜，滤水花管与纵向排水体滤水花管连通[12]。

根据地形条件横向排水体末端出口有2种处理方案：① 有排水出路情况。横向排水体出口距离渠道轴线约50 m左右，后接排水明渠至地面洼地。② 无排水出路情况。在出口接入直径2.5 m的预制钢筋混凝土集水井中，井深13 m左右，集水井布置在渠堤外侧约70 m左右，井内设有潜水泵及自动抽排装置，可将渠道渗水回抽至ZG渠中[13]。为了便于运行管理，减少水泵的启动频率，增加水泵的淹没深度，防止水泵干抽，集水井底部位于横向排水管轴线以下2.5 m处。

3 结 语

根据渠道管理处运管人员的观测，经过以上方案改造后的渠段，横排出口有水排出，说明排水系统通畅。渠道运行6 a多后，断面保持良好，只在局部渠段发生点状鼓胀，未发生大的渠道变形、渠坡滑塌等情况。这说明本膨胀岩渠道改造方案及纵、横向排水的设置效果显著，大大提高了输水渠道的运行安全性及可靠性。本工程膨胀岩渠道的改造设计方案可为同类工程提供借鉴。