南水北調南陽市段工程膨脹土危害防治措施

□謝 娟(開封市水利工程總隊)

0 引言

南水北調中線南陽膨脹土試驗段工程作為國家“十一五”科技支撐項目之“膨脹土地段渠道破壞機理及處理技術研究”課題，是中線總干渠工程的一部分，位于陶岔-沙河南段南陽市境內，樁號K100+500-102+550，全長2.05 km工程包括弱、中膨脹土挖方和填方3個試驗區，每個試驗區又包括若干個試驗亞區。工程于2008年12月開始進行土方開挖，按照設計要求開挖后進行渠坡換填土措施的工序，開挖時保留≥50 cm的保護層，于2010年12月工程試驗期結束，歷時兩年。在兩公里多長的膨脹土試驗段區間，包括了弱膨脹土和中、強膨脹土工程地質，在開挖過程中和渠道襯砌完成后出現多處滑坡，特別是在中膨脹土試驗Ⅳ區，試驗具有很好的代表性，總結南陽膨脹土試驗段建設管理經驗，并經過南水北調南陽市段工程，實踐進一步驗證完善，提出膨脹土開挖及危害和防治措施。

1 試驗段工程中膨脹土危害方式

試驗期間表露出的膨脹土危害主要是邊坡失穩引起的滑坡?滑坡主要成因是膨脹土地質潛在的長達裂隙與外水誘導等因素疊加引起的邊坡失穩，在土方開挖前期間，中膨脹土Ⅵ區，2009年2月9日一級馬道下左坡面出現滑坡，面積約15 m×12 m。滑坡工程量約190 m3；2月28日左岸下游又出現滑坡滑坡工程量約420 m3，如圖1就是該處的滑坡及處理方式；中膨脹土Ⅳ區，2009年2月22日左岸一級馬道上坡面出現斜向下游的裂縫，縫寬約1～2cm。滑坡工程量約1340 m3，從揭露的斷面來看，滑坡后沿出露明顯，滑動面存在薄弱夾層，呈灰褐色；特別是中、弱膨脹土裸坡試驗區滑坡更加明顯，經過兩年的試驗期，基本看不到原來的邊坡性狀；另外在渠坡采取混凝土襯砌后，在中膨脹土Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ區和弱膨脹土Ⅰ、Ⅱ區均發生了滑坡。由此可見膨脹土危害作為世界性難題的難以治理性，所以膨脹土的工程危害防治從開挖階段開始十分必要。中Ⅵ區在開挖過程中，左岸一級馬道以下邊坡滑坡及處理過程。

圖1 開挖過程中的膨脹土滑坡及開蹬回填處理圖

2 膨脹土開挖前的質量控制措施(事前)

膨脹土開挖質量控制措施包括預控(事前、事中)和事后控制，預控措施是工程建設管理人員的一項重要工作，針對膨脹土特點采取相應的控制措施是工程順利進行必要保障，不同階段的質量控制管理要點見示意圖2。

首先在開挖前就應該針對性的采取預控管理，主要從兩方面分述如下。

2.1 不良地質渠段明確措施重點控制

裂隙發育的強膨脹層和高地下水渠段對膨脹土開挖工程穩定性有較大影響，開挖前應制定針對性措施、重點控制。進場后技術管理人員應對各段水文地質情況要充分了解，劃分確定不良地質區段作為質量管理重點監控項目。在南陽膨脹土試驗段施工過程中，出現了中膨脹土Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ試驗區的滑坡，這種試驗段出現的滑坡與渠道工程所在地段地質、水文條件、渠坡超載和施工工藝不當因素影響有關，所以只有充分了解開挖段的地質情況特點，才能在開挖時做到心中有數，避免不良地質危害發生。

圖2 膨脹土渠段開挖質量控制圖

2.2 嚴格審查土方開挖施工技術方案

工程開工前，首先承包人應編報膨脹土土方開挖方案，然后組織專業人員對方案進行審查，審查要點有以下方面。

第一:從施工質量角度考慮，所投入配備的施工設備性能、數量等是否符合要求，同時滿足進度需要；第二:膨脹土危害與水文地質和土體荷載穩定相關，施工技術方案中有無采取措施，措施是否具有針對性；第三:膨脹土開挖后建基面不適宜長時間暴露于大氣環境中，后續的換填土等覆蓋工序銜接是否緊密，施工過程是否均衡；第四:質量保證、施工安全技術措施是否具有針對性和可操作性。

對于承包人提交的方案，如不能滿足要求，可批回修改、補充后重新提交。不同標段技術管理實力不同，差的標段可能經多次批回修改，經過修改提交，再討論、再完善的過程，也促使承包人施工之前把各個施工要點、環節進行熟悉、了解。雖然可能審批過程較長，實踐證明很有必要。

3 膨脹土開挖過程中的質量控制措施(事中)

3.1 開挖過程質量控制

外水和地下水變化對開挖后的膨脹土穩定影響很大，應合理安排膨脹土開挖施工時間，避開多雨季節，如遇雨天做好排水，避免或減少膨脹土渠段變形、滑坡和垮塌。施工過程中應均勻開挖卸荷、工序銜接緊密和開挖后及時防護。

3.1.1 緊后工序緊密銜接

膨脹土渠段開挖完成后，不宜長時間暴露。渠坡及渠底開挖完成后及時采用換填土覆蓋。對于下渠臨時施工便道占壓部位，預留保護層時厚度宜多出其他部位，≥50 cm。渠坡坡腳齒槽開挖時，宜開挖一段澆筑一段，盡量避免遇雨浸泡。通常在工程前期外界干擾施工因素較多，迫于進度壓力往往出現忽視后續工序的連貫，突擊集中開挖，就很容易造成膨脹土開挖質量隱患，如遇這種情況應嚴格要求從中心線處開挖，務必多留保護層。

3.1.2 膨脹土開挖鄰近部位梯段下降，均勻卸荷

根據安排的施工作業隊，合理劃分作業段，開展流水作業梯段施工。渠道開挖時應保留足夠厚度的保護層，一次未開挖到位的部位適當放緩坡度。相鄰區段開挖高差不宜過大，根據后續換填土施工組織情況安排開挖進度。對于中、強膨脹土渠段，在坡腳開挖時預留適當尺寸的土墩，臨時支擋保護土體尺寸可按照2 m×2 m×2 m預留。

3.1.3 基面防反復干濕循環

建基面必須采取有效防護措施減少大氣環境的影響。一般采用預留保護層的方式，保護層開挖完成后應立即組織后續項目施工，盡量縮短建基面暴露時間，所以合理的安排流水作業非常關鍵。干濕循環對土的粒間聯接造成不可逆的損傷，抗剪強度降低是微結構劣化的結果，在最初的1～2次循環，強度衰減幅度最大，隨后減小，直至強度趨于一穩定值,所以相對于渠底渠坡從下向上回填需要較長時間，全面覆蓋確有困難，遇降雨天氣應采取覆蓋防護，另外采取換填措施的應保證開蹬寬度，將受影響土料從新組合。

3.1.4 合理設置施工便道

對于中、強膨脹土深挖方等地質條件較差渠段，要注意臨時施工道路規劃布置，重載車輛通行的道路應盡量遠離已完成的深挖方開口線；下渠施工便道盡量避開地質條件差的渠段，無法避開的開挖時不應一次開挖到位。

3.2 開挖渠段膨脹土類別的復核

根據膨脹土的膨脹潛勢，膨脹性分為弱、中、強三類。在設計地質報告中對每段渠道的膨脹土的類別一般都有描述，由于勘探階段鉆孔數量及分布成果與施工時揭露地質情況不一定完全一致，所以有必要進行渠道工程地質復核。地質復核可采取兩種方式，一是對于大型工程，在招標時把地質復勘要求列入技術條款，進場后承包人對渠道工程地質進行復勘；二是對于中小型等投資較小的工程，可采取開挖完成后或過程中進行地質編錄，根據現場實際情況，確定是否抽取土樣進行膨脹率復核試驗。

3.3 渠道外水和內水處理

膨脹土對水很敏感，在含水率發生變化過程中其工程性狀同時受含水率與裂隙性雙重影響，吸濕飽和引起土體結構的損傷程度隨出事含水率減少而增大，終了物理狀態趨于均一化，所以基于膨脹土地質情況屬于客觀無法改變的條件下，外水、內水的處理在膨脹土危害預防上非常重要。

圖3 坡面滲水處理措施示意圖

開挖前，宜先完成邊坡外部一定距離的截排水溝的施工，以防止雨水漫流沖刷邊坡，在坡頂及開挖馬道上分級設置截、排水溝及時排除坡面雨水；膨脹土渠段設置的排水溝保持順暢至關重要，發現堵塞及時疏導，否則排水工程將會轉變成集水坑，引起外水下滲引起襯砌面板隆起或滑坡?對連續陰雨天氣造成基坑積水要及時抽排，特別是深基坑和地質條件差的渠段，避免雨水長時間浸泡坡腳引起失穩。

3.3.1 防坡腳積水

在渠道開挖完成或基本挖至設計基底高程時，應避免坡腳長時間受水浸泡，造成坡腳基面浸水飽和，強度降低引起的牽引式滑坡。施工期間遇到降雨天氣首先應保證渠道周邊截流溝排水保持暢通，防止外水匯入渠內，另外在渠底架設排水泵及時抽排坡腳積水。

3.3.2 渠道邊坡滲水處理

開挖過程中當渠道地下水位高出渠底時，就容易出現邊坡滲水，膨脹土渠坡的滲水部位多呈點、線狀，此時可采用開挖盲溝與埋設PVC花管進行引流，待后續工程施工時一并集中至逆止閥將地下水引排至渠底，邊坡滲水外排措施布置如示意圖3。采取基坑外圍開挖排水溝或輕型井點降水對于膨脹土地下水不適用，通過實踐驗證采用終橫聯通的盲溝等處理方式效果比較明顯。

3.3.3 高地下水處理

南陽膨脹土地區地下水類型包括：上層滯水、承壓水和潛水。結構物施工時干面作業有利于質量控制，在施工開始前應先編制排水技術措施方案，所以解決膨脹土地下水問題關鍵在于設計階段超前地勘或超前孔早提出，施工階段復勘現場針對不同類型的地下水采取相應措施。通常上層滯水水量不大，可通過盲溝集中引排至滲控系統；承壓水、潛水除通過管井、盲溝集中引排外，必要時需采取截滲墻。

4 開挖完成后和應急事件處理措施(事后)

4.1 隱蔽工程聯合驗收

隱蔽工程驗收時要求：隱蔽工程已自檢，包括開挖尺寸、高程、坡度、平整度等，設計有壓實度要求的應滿足要求，并應已完成地質編錄及測量成果，將質檢和聲像資料作為隱蔽驗收簽證的附件。與常規稍有不同，膨脹土渠段驗收時地質編錄工作尤為重要，嚴格來說，所有膨脹土建基面均為不良地質，根據建筑物的重要性和基礎條件差異，設計確定了處理方式，所以地質揭露面與原設計是否一致，需要準確復核。

4.2 膨脹土滑坡應急處理措施

4.2.1 滑坡應急措施

當發現渠頂出現裂縫有滑坡跡象時，應立即采用粘土封填裂縫搗實，并在裂縫上部覆蓋塑料布等防護措施避免雨水滲入。邊坡嚴禁堆積棄土，附近避免重車通行，適當采取削坡或臨時增設二級馬道的減輕荷載對滑坡的影響?開挖過程中的滑坡，一般可采取找到滑坡后沿，將滑動的土體全部挖除，然后逐級開蹬回填至設計要求部位。

4.2.2 膨脹土滑坡特點及注意事項

膨脹土滑坡與一般滑坡不同，其滑坡呈蠕動性狀，隨著時間的推移逐漸加大，特別是遇雨滑動加速明顯，且一旦滑坡很難阻止，所以為減少危害，膨脹土滑坡宜及早發現、早治理，一步到位。

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