南水北调渠道膨胀土复核勘察与防治措施研究

时间：2024-07-28

柳东亮，兰景岩

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 工程概况

南水北调中线总干渠设计桩号172+000～173+100渠段位于河北省高邑县南焦村东南约1.4km处。渠道施工期间发现该渠段局部灰绿色膨胀性黏土含量较高，具备膨胀土特性。为彻底查明该段渠道岩土特性，分别对桩号172+000～172+500、桩号172+500～173+100渠道进行了勘察、取样工作。

2 勘察方法及工作量

本阶段勘察采用钻探结合坑槽探的取样方法，共布置9个钻孔和13个探坑。取原状样14个，扰动样8个，室内试验项目包括：天然含水率、密度、比重、颗粒分析、液塑限、压缩试验、快剪试验、膨胀性试验和湿化试验等。

3 地质概况

3.1 地形地貌

渠段桩号172+000～173+100所处地貌单元为山前倾斜平原，地势为西南高东北低，地面高程83.70～85.90m，地势较平坦，该段渠道主要为挖方施工。渠道上口宽72m，底宽22m，边坡设计坡比1∶2.0，渠底设计高程74.649～74.605m。左、右渠坡设一级马道，马道宽5m，高程81.999～81.955m，设计开挖深度8.6～11.0m。

3.2 地层岩性

地层岩性由上至下分述如下：

黄土状壤土：黄褐色，稍湿，可塑，局部夹碎石，出露于地表，厚0.6～1.4m。

3.2.2 第四系下更新统下段冰碛层（fglQ1）

（1）桩号172+000～172+500上部以壤土为主，灰黄、棕红色，局部灰绿色，稍湿～干燥，可塑～硬塑，部分微含碎石，局部夹卵砾石。该层左边坡厚度一般在2m左右，右边坡一般厚度4～8m。桩号172+400钻孔揭露在孔深2.7～3.7m和6.8～7.8m夹有灰绿色黏土。其中桩号172+000～172+300渠底以上揭露较大厚度的含黏土中砂，棕红色，局部灰绿色，稍湿，密实，局部胶结强度较高；该层在渠道左边坡揭露厚度较大，一般厚度为7m，右边坡一般揭露厚度2.7～4.2m。

（2）桩号172+500～173+100上部壤土厚度一般1m左右，灰白、灰绿色，局部黄褐色，含少量砾石，干燥，坚硬。一级马道以下大部为黏土，灰白、灰绿色，土质不均匀，局部含碎石、中砂，坚硬。

3.3 地质构造

依据2004年4月中国地震局分析预报中心对南水北调中线工程地质段地震危险性复核报告《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》划定：地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度区。

3.4 水文地质条件

本渠段勘察期间正值汛期，渠道桩号172+000～172+300左侧钻孔均揭露地下水，一般水位高程80.2～81.6m，分析认为揭露水位为大气降雨入渗造成的高水位，依据前期勘察资料和本段地层岩性特征，真实地下水位埋深较大。

4 试验成果及分析

4.1 试验成果

该渠段经过勘察、试验。第一次试验渠段为桩号172+000～172+500，试验成果统计如表1；第二次试验渠段为桩号172+500～173+100，试验成果统计如表2。

4.2 成果分析

4.2.1 桩号172+000～172+500

（1）壤土（fglQ1）。液性指数为-0.5～0.2，黏粒含量在7.1%～29.1%；饱和抗剪指标：摩擦角18.6°～35.2°，黏聚力15.3～49.2kPa；自由膨胀率5%～37.5%，膨胀力5～40kPa；14组试样均不具膨胀性，但有一组数据自由膨胀率37.5%，膨胀力40kPa，该试样取样位置在桩号172+300右侧一级马道下1m。

（2）黏土（fglQ1）。在桩号172+400仅有两处发育，黏土层向桩号172+500方向延伸且不断扩展，局部尖灭；液性指数-0.2，黏粒含量40.3%～45.8%；饱和抗剪指标：内摩擦角16°，黏聚力17.3kPa；自由膨胀率42.5%，仅有2组试样均具有弱膨胀性。

（3）含黏土中砂（fglQ1）。黏粒含量1.2%～30.7%；饱和抗剪指标：内摩擦角26.9°～35°，黏聚力20kPa；自由膨胀率0%～30%，平均值10%，膨胀力0～5kPa，4组试样均不具有弱膨胀性。

表1 土的物理力学性质指标统计（桩号172+000～172+500）

表2 土的物理力学性质指标统计（桩号172+500～173+100）

4.2.2 桩号172+500～173+100

（1）壤土（fglQ1）。以灰白色为主，杂灰绿色和棕黄色，土质不均含小砾石，坚硬。液性指数-0.35～-0.20，黏粒含量19.1%～29.8%；饱和抗剪指标：摩擦角27.3°～31.5°，黏聚力15.3～54.3kPa；自由膨胀率32%～49%，有荷（50kPa）膨胀率0，无荷膨胀率0.7%～3%，膨胀力8.2～11.8kPa，3组试样有1组具有弱膨胀性；土遇水崩解能力较弱，一组试样在17h内崩解量仅为3.8%。

（2）黏土（fglQ1）。以灰白色为主，杂灰绿色和棕黄色，土质不均，局部含碎石、砂粒，坚硬，液性指数-0.45～-0.03，黏粒含量30.1%～41.5%；饱和抗剪指标：内摩擦角12.6°～32.5°，黏聚力19.8～85.8kPa；自由膨胀率21.0%～57%，平均值43.1%；有荷（50kPa）膨胀率0，无荷膨胀率0.4%～6.9%，膨胀力0.4～9.4kPa，10组试样有7组具有弱膨胀性；土遇水崩解能力较弱。

5 复核勘察

依据两次勘察、试验成果，复核结论如下：

（1）本次勘察渠段以冰水碛黏土为主，壤土次之，局部夹卵石和砂砾层。根据现场勘察资料，并结合试验成果，结论如下：①壤土层大部不具膨胀性，仅少量具弱膨胀性； ②夹层卵石和砂砾均不具膨胀性；③膨胀性土因含亲水性黏粒（蒙脱石、伊利石等）而具膨胀性，根据规范自由膨胀率大于40%可定性为膨胀土，结合现场勘察和试验数据，膨胀性土主要为灰绿色黏土，其分布不均匀，特性差异较大，一般地层中膨胀性土含量超过40%具备膨胀性。

（2）桩号172+000～172+300渠底以上岩土膨胀性较小，均达不到弱膨胀性的特性；桩号172+300～172+400渠基主要为壤土层和含黏土中砂，渠道右侧夹有中砂和卵石，试验表明试样自由膨胀率均小于40%，壤土层局部自由膨胀率37.5%，膨胀力40kPa，已接近弱膨胀性土的特性；桩号172+400～172+500渠道一级马道下不均匀分布2处以上厚度1m左右灰绿色黏土夹层，其自由膨胀率42.5%，具有弱膨胀性；桩号172+500～173+100渠段采样13组，其中有8组自由膨胀率试验值大于40%，占试验总数的61.5%，自由膨胀率平均值48.3%，最大自由膨胀率57%，介于40%～65%，根据规范判定其具弱膨胀潜势。其余5组自由膨胀率小于40%，自由膨胀率平均值32.6%，判定为不具膨胀潜势。土样取样间距100m，宏观上本段土层为同一时代、同一成因，仅局部土粒矿物成分有所差异，反应为膨胀性随机性较大。因此，可判定本渠段大部具弱膨胀性。

6 膨胀岩土危害及防治措施

6.1 膨胀岩土的危害

膨胀土主要是由亲水性矿物（例如蒙脱石、伊利石、高岭石等）组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土。由膨胀土本身特性决定了该类型土体浸水后承载力衰减、干缩裂隙发育。从而导致地基变形过大引起建筑物开裂、倾斜甚至倒塌；建筑物沉陷；膨胀力致使支挡结构变形、失稳等。

6.2 防治措施

膨胀岩土的问题对工程来说影响很大，同时也是比较难解决的问题之一。对膨胀岩土的处理，不但受其自身的工程特性的影响，还受工程类型的影响，不同的工程类型处理的措施也不一样。对于渠道工程可选用的处理措施有：

（1）采用非膨胀土进行换填。换填的厚度可依据大气影响深度及膨胀土的类型决定，一般1.0～2.0m，换填料材料可采用满足质量的非膨胀土，经石灰、水泥、煤渣改良的灰土等。

（2）优化基础形式，改变土体的整体受力条件。较多采用的就是削坡减载，在渠坡下部或坡脚采用合适的支挡结构（如抗滑桩、挡土墙、砌石联拱等）进行处理，亦可在膨胀土体中分层加入适当的加筋材料形成加筋体，从而改善土体整体受力。

（3）水是膨胀土的外部起因条件，防止表水的渗入，控制含水量变化范围也是比较好的处理措施，可优先采用土工格栅（室）或土工膜进行处理。

（4）改良膨胀土的土性。可采用电化学土壤处理剂、坚土酶、生态改性剂，化学剂离解出H+离子与膨胀土中的亲水阳离子产生化学交换作用，从而可提高土体强度，减小膨胀性。

6.3 防治措施分析比较

膨胀土的防治措施有很多，各有特点，针对性也各有不同。非膨胀土进行换填法是最环保、有效的方法之一，但由于换填深度不易确定，且存在非膨胀土土源及膨胀土的弃土等问题，故该方法主要适用于非膨胀土源丰富且便于弃土的渠段；改良的加筋土体对提高整体抗滑能力有较好的效果，但对于浅层渠坡的抗滑长期效果不明显；减少荷载与支挡结构不适于强膨胀的土体；土工格栅（室）与土工膜，虽然施工简便，但存在环保问题；各类化学改良剂施工较为方便，但环保的可靠性还有待进一步研究；掺水泥、石灰、粉煤灰等土体改性，虽对提高土体强度效果明显，但使用面积和材料受限制。