總干渠渠道破壞分析處理措施研究

2015-10-25 09:56:26劉秀軍

黑龍江水利科技 2015年5期

劉秀軍

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊830000)

0 前言

北疆調水工程總干渠在運行多年來由于地質因素及土料性質局部破壞較嚴重，需對渠堤不穩定土料進行置換處理，因總干渠渠線先后穿越額爾齊斯河Ⅳ、Ⅴ級侵蝕、剝蝕平臺，傾斜洼地和烏倫古河沖積平原等3個不同的地貌單元，地勢為北東向西南逐漸降低，沿線出露的底層為石灰系、泥盆系、第三系和第四系底層。第三系地層是渠道穿越的主要底層，第三系地層屬內陸湖相沉積，巖相變化大，常以透鏡體和團塊狀分布，巖性為砂礫巖、砂巖、泥質砂巖、泥巖等，砂質泥巖、泥巖分布面積約占渠道總面積的21.6%。由于砂質泥巖、泥巖的礦物成分中均含有蒙脫石，巖土中當蒙脫石含量達7%以上，巖土表現出脹縮特征，且蒙脫石含量越高，產生的線脹縮率也就越大，對建筑物的危害也越嚴重。總干渠分布的砂質泥巖、泥巖，大部分屬中等膨脹巖，個別達到強膨脹，由于巖石的礦物成分不同，黏粒含量的高低，含水量的不同，巖體的膨脹強弱也不同;總干渠大部分地段無大的工程地質問題，局部段砂質泥巖、泥巖屬中等—強膨脹巖，存在邊坡穩定和膨脹隆起引起渠道襯砌體的變形破壞等問題。

1 渠道的破壞分析和解決措施

1.1 渠道的破壞原因分析

總干渠運行15 a以來，每年春季或秋季均有6 ～9 處滑坡破壞。滑坡主要原因其一是由于渠道漏水和外來滲水無法排出，渠堤內部因滲水原因導致節理結構及受力不平衡發生變化，最終發生滑坡等破壞，這一問題在總干渠近年來的施工中已做了處理，在渠堤內增設了縱橫排水設施，解決了滲水外排問題。其二是渠道因地質問題的破壞，總干渠局部段所處在地質構造第三系底層，砂質泥巖、泥巖屬中等—強膨脹巖，存在導致渠道邊坡穩定發生滑坡和膨脹隆起引起渠道襯砌體的變形破壞等問題。

1.2 渠道的置換形式

總干渠渠道置換的形式從斷面結構分為半斷面置換和全斷面置換，半斷面置換就是將局部單邊滑坡的泥巖按設計尺寸挖出后回填穩定性好的土料［1］。全斷面置換是將渠堤、渠底全部挖出，換填穩定性好的土料。

2 換填料的研究

2.1 換填料的選擇

總干渠因地質因素較復雜，導致對渠道換填料以及料場的選定也增加了一定難度，總干渠所處在地質構造第三系底層，大部分巖性為砂質泥巖、泥巖，而渠道換填料要求較高，首先回填料顆粒均勻，含泥量要低，透水性好，碾壓密實度要高，抗剪、抗壓能力要強;其次考慮到降低成本問題，要求取料要本著“因地制宜，最近取材”的原則。

2.2 換填料的實驗

總干渠是長距離輸水工程，渠道跨距較長，要想保證回填料的質量及數量，且能降低成本就必須對其進行可行性研究，根據總干渠回填料的工程特性進行了試驗。試驗材料是從總干渠20 ～40 km渠段劃定料場取得，試驗在“中心土工試驗室”完成。試驗項目有顆粒分析、相對密度、比重、滲透、擊實、抗剪強度、界限含水率土工試驗(見表1)。試驗依據SL237—1999《土工試驗規程進行》進行。

表1 土的基本性質試驗成果表

2.2.1 料場情況

墊層料試樣分別取自14#、27#、41#料場土料。3個料場分別位于渠道里程14、27、41 km處。其中41#料場用量最大，所以本次試驗以41#料場土料為主進行試驗。

2.2.2 試驗目的

1)通過相對密度試驗為填筑施工質量控制提出合理的相對密度控制指標［2］。

2)提供回填料壓實后的滲透系數和抗剪強度，為渠堤回填料設計和渠堤邊坡穩定設計提供參數。

3)通過實驗選出合理的料場，為工程節約成本。

2.2.3 顆粒分析試驗

土的基本工程特性與其顆粒級配有很大關系。如壓實的密度主要受到粒徑＜5 mm(以下稱含砂量)和＞5 mm含量(以下稱含礫量)比例的影響。而土的滲透特性除了與土的密度或者是孔隙比影響外，還與其含＜0.1 mm含量有關。本次試驗共進行了5個土料的顆粒分析試驗，實驗所得3個料場所取土樣的顆粒級配變化范圍較小，含＞2 mm顆粒在46% ～50%，屬于粗粒土中的砂類土，但粒徑＜0.075 mm含量＞15%，按砂類土分類為細粒土質砂，土名稱為黏土質砂(見圖1)。

圖1 總干渠回填料顆分曲線

2.2.4 擊實試驗與直剪試驗

本次試驗分別對27#、41#料場土料進行了擊實試驗，擊實試樣顆粒最大粒徑為5 mm。并對41#和土進行了壓實度為0.99 的直剪試驗，直剪試樣顆粒最大粒徑為2 mm。擊實功能為592.2 kJ/m3。從擊實曲線看出，土的干密度隨土的含水率而變化，說明該土具有凝聚性細粒土特性。41#料場的＜5 mm土料為最優含水量時，其最大干密度值達到1.975 g/cm3，這一數值超過風干料相對密度試驗結果的最大干密度1.90 g/cm3(風干含水量為1.0%)的數值，＜5 mm的土料最大干密度相當于濕料最大干密度0.96，說明該土具有凝聚性細粒土特性。

2.2.5 相對密度試驗

從顆粒分析和擊實試驗看，總干渠回填料具有礫質土性質，即最大干密度除了與最優含水量有關還與含礫量有關。但考慮到現場土料的含水量較小為2% ～5%，施工配水成本高，因此進行了風干土料的相對密度試驗。相對密度試驗的目的是求出回填料的最大和最小干密度后，從而根據設計要求的相對密度值，確定現場壓實干密度。一般含礫土的最大和最小干密度隨礫石含量而變化，所以本次相對密度試驗采用3個料場的平均級配制備不同含礫量的試樣(礫石含量為0%、30%、50%、70%、100%)進行了試驗，根據試驗結果繪制相對密度—干密度礫石含量三因素相關圖(見圖2)。現場密度控制可根據設計相對密度和土料含礫量，利用三因素相關圖確定現場控制干密度，相對密度控制指標適用于無凝聚性土;對于總干渠回填料如果用相對密度控制干密度，對于含礫量＜50%時，應考慮適當提高相對密度控制指標。

2.2.6 滲透試驗

本次試驗對3個料場土料均采用了不同干密度和不同含礫量的滲透試驗，對不同粒徑的試樣采用了不同試驗儀器設備。實驗可看出結果符合隨著孔隙比減小滲透系數也減小的滲透規律。如27#料場土顆粒＜2 mm試樣孔隙比為0.332 時，滲透系數為1.4 ×10－7cm/s，試樣孔隙比為0.582 時，滲透系數為4 ×10－5。本次試驗使用了直徑為300 mm大型滲透儀，進行了試樣最大粒徑為60 mm，含礫量為40%、50%、70%的滲透試驗，在干密度相近的條件下，滲透系數隨著含礫量增加而增大，而且在含礫量＜50%時變化較小，滲透系數≤i×10－5cm/s，可作為防滲土料，當含礫量增加到70%時，滲透系數增加到i ×10－3cm/s，成為排水土料。滲透系數隨含礫量增大的原因主要是土料中的部分礫石形成骨架，粗顆粒之間的孔隙不能被細顆粒完全充填，使土料的滲透特性發生了較大變化。