北部引嫩干渠膨脹土分布與相關因素研究

摘 要：從北部引嫩進水閘渠首0km開始至203km止，調查了干渠203238.0m，包括堤體膨脹土長149243.0m，（占73.43%）；堤基長168206.5m，（占82.76%）。其中自由膨脹率與潛勢分類：堤體弱、中潛勢自由膨脹率149243.0m占73.43%；堤基弱、中潛強勢長168206.5m，占82.76%。引嫩干渠土樣均值；天然含水率22.54%；天然干密度1.63g/cm3；膨脹率：膨脹力23.98kpa；無荷載1.07%；50kpa荷載0.325%。原狀土收縮試驗：線縮率4.305%；體縮率11.89%；收縮系數0.43。這些研究成果已在北部引嫩干渠擴建設計與施工中進行了應用。

關鍵詞：膨脹土；自由膨脹率；膨脹力；收縮；膨脹潛勢

北部引嫩干渠位于黑龍江省松嫩平原嫩江干流左側，北起訥河市拉哈鎮北5km嫩江干流北引渠首進水閘0km開始，南至安達市境內紅旗泡水庫進水閘，全長245km，從1976年8月竣工引水到2012年歷時36年，累計引水量150億m3，發揮巨大的經濟、社會、生態等綜合效益，隨著嫩江干流最大的水利樞紐工程--尼爾基水庫已建成興利，區內工農業生產發展特別是國家糧食安全生產的需要，決定擴大北部引嫩工程。為了北引工程擴建工程與施工的需要，黑龍江省水利水電勘測設計研究院對引嫩擴建骨干工程進行了工程地質勘察，并將膨脹土與相關的因素進行了試驗研究。

1 膨脹土的分布與自由膨脹率、潛勢分類

1.1 基本概念

膨脹土是一種富含膨脹性粘土礦場的粘性土。對于環境變化，尤其是對于干濕變化非常敏感。土體隨水分含量的增加和減少，其體積有明顯的膨脹和收縮。濕時膨脹時形成膨脹壓力，干時體積收縮形成明顯的收縮裂縫。周期性的反復干縮濕脹，使土中的裂隙發育，形成了地表水滲入的通道，土層水分的增加，加速了土體的軟化，導致地基失穩，變形，滑坡，給工程安全造成危害。為確保北引擴建干渠質量安全，對北引干渠段堤體54處與堤基44處渠段，對膨脹土進行專題調查并取樣進行相關因素的研究。

1.2 膨脹土的分布

從北部引嫩現有干渠進水閘渠首0km開始至203.2km，調查與取土樣進行室內研究，北部引嫩干渠全長203243m中，堤體膨脹土長148743m，占總長的73.18%。其中烏北渠段堤體62241m，烏南渠段膨脹體113502.0m；堤基膨脹土長162467.5m，占全干渠的79.94%，其中烏北渠段堤基60741.0m；烏南段堤基膨脹土長101726.5m。

1.3 自由膨脹率與膨脹潛勢分類

自由膨脹率試驗是以人工制備的試樣，在水中膨脹穩定后體積增加量與原體積之比。用以測定粘性土試樣在無結構情況下的自由膨脹率。依據“水利水電工程天然建筑材料勘察規程”。SL2501-2000的判別標準，膨脹土的膨脹潛勢分類標準即：膨脹潛勢：弱類自由膨脹率%40≤δef<65；中類自由膨脹率% 65≤δef<90； 強類δef≥90。依據分類，北部引嫩干渠調查總長203243m，其中堤體屬弱中類長149243.0m，占總長73.43%，堤基弱中類共長149243.0m，占總長73.43%，堤基弱、中、強三類共長168206.5m，占總長的82.76%（資料來源：北引總干渠工程地質勘察報告第一冊 黑龍江省水利水電勘測設計研究院巖土處2012.12）。

2 膨脹土相關因素的試驗研究

膨脹土相關因素研究，包括天然含水率、天然干密度、膨脹力、無荷與50kpa下膨脹率以及原狀土收縮研究等項。

2.1 天然含水率與天然干密度研究

原狀土的天然密度測定采用環刀法，含水率測定采用烘干法。原狀土天然干密度的最大值為1.77g/cm3，最小值為1.43g/cm3；同一土層密實度不均勻；天然含水率的最大值為29.9%，最小值為17.2%，同二土層含水率變化為3%左右。

2.2 膨脹率研究

膨脹率是指原狀土樣在有側限條件下浸水膨脹的增量與初始高度之比值。根據加載條件可分為：無荷載膨脹率研究和有荷載膨脹率研究。在研究的代表原狀土進行的無荷載膨脹與50kpa荷載下的膨脹率研究結果表明；無荷載膨脹率在0.4-4.6%；50kpa荷載下的膨脹率僅為0.1%-5%，即土樣的膨脹率較小，不易產生膨脹破壞。烏北段無荷載與50kpa分別為0.54%與0.25%，烏南段較烏北段略高，分別為1.6%與0.4%。膨脹力研究，北引總干渠平均值為23.98kpa，其中烏南渠段高于烏北渠段。烏南段平均為34.63kpa，而烏北渠段平均為13.33kpa。

2.3 原狀土收縮研究

土在水分蒸發過程中體積減小的現象稱收縮。這項研究是測定細粒的收縮特性指標：線縮率、體縮率及收縮系數。研究均采用原狀土樣，從研究匯總表中北引干渠，土樣線縮率在1.85%-6.5%之間，平均為4.305%；體縮率在5.8-17.85%之間，平均為11.89%；收縮系數在0.37-0.53%之間，平均為0.43（見表）。

資料引自：北部引嫩工程干渠膨脹性土試驗報告，中國水利水電科學院巖土所2011年8月。

3 結論

3.1 經過對北部引干渠膨脹土203248m的野外調查結合室內研究，北部引嫩干渠膨脹土堤體長149243.0，占總長的73.43%；堤基長168206.5m，占總長的82.76%。按膨脹自由率潛勢分類，堤體無強類，弱類占97.32%，中類占2.68%，堤基膨脹自由率弱中強三類共168206.5m，占總長的82.76%。烏北渠段以弱類為主，無強類的渠段。

3.2 膨脹土相關因素研究，北引干渠平均天然含水率22.54%；無荷載與50kpa荷載分別均值為1.07%與0.325%；原狀土收縮研究線縮、體縮率分別均值為4.305%與11.89%，收縮系數平均值為0.43。

3.3膨脹土自由膨脹率中強潛勢集中分布在烏南渠段鹽漬化土壤與分散性粘土分布的重點區。

3.4全部外業調查與取土樣，均由黑龍江省水利水電勘測設計研究院巖土處完成，由院試驗室對膨脹土相關項目進行了室內試驗。中國水利水電科學研究院巖土所對其中部分土樣進行了檢驗，其結論相似。

參考文獻

[1]彭旭明，龍顯助，劉加海.北部引嫩工程擴建機理系統研究，中國農業科學技術出版社，2007，1.

[2]引嫩擴建骨干一期工程，工程地質勘察報告，黑龍江省水利水電勘測設計研究院巖土處，2010，12.

[3]北引總干渠擴建一期工程渠道膨脹性土試驗報告，中國水利水電科學研究院巖土所，2011，8.