某大型渠道膨脹巖基礎改造方案的探討

丁銀劍

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

0 前 言

新疆ZG渠擴建工程為大(2)型Ⅱ等工程，主要建筑物為2級，原設計引水流量為80 m3/s，擴建后設計引水流量為120 m3/s。輸水線路總長133.65 km，其中輸水隧洞總長4.14 km，輸水渡槽長100.0 m，輸水明渠總長129.40 km。輸水渠道大部分為梯形斷面渠道，局部為弧底梯形斷面渠道，渠底寬4.0 m，內坡比為1∶2，渠道縱坡為1/10 000～1/12 500，水深為5.99～6.53 m，渠深為7.2～7.7 m，渠道襯砌大部分采用6 cm厚正六邊形預制混凝土板，底部鋪設一布一膜(膜厚0.6 mm、布150 g/m2)。

根據地質資料，渠坡、渠底分布泥巖、砂質泥巖,總長約42 km，占渠道總長33%左右，均屬膨脹巖，嚴重危害了渠道的運行。其中，樁號20+000.00 m～45+000.00 m段渠道，投入運行3～4 a后，渠底和渠坡出現不同程度的鼓脹、變形現象，個別渠段甚至發生了較大規模的深層滑動，馬道上出現約2～3 cm寬的縱向裂縫，對渠道的正常運行造成了嚴重的影響。

1 原因分析

該段渠道基礎為泥巖及砂質泥巖，屬中、強膨脹巖，膨脹力為0.10～0.39 MPa[1]，由于工程建設期對泥巖基礎渠道的認識不足，僅對該段渠道進行了非凍脹土換填，渠底未設置縱、橫向排水系統[2]。渠道投入運行后，由于渠道滲水無排水通道，長期蓄積于渠底，浸泡渠道基礎，使渠基泥巖達到飽和，內摩擦角減小，引起渠道變形、膨脹、局部渠堤滑坡等現象[3]。

2 改造方案

根據原渠道設計方案，中、強膨脹巖基礎渠段，渠道邊坡為1∶2，挖深7～12 m，若采用減壓卸荷方案，渠道邊坡需放緩至1∶2.5，換填1～2 m厚的砂礫石，則原渠道馬道以上邊坡也需進行削坡，渠道改造工程量較大，投資較高。

對于膨脹巖基礎的處理，排水是關鍵，ZG渠邊坡相對較陡，渠道邊坡滲水會很快匯至渠底，只要加強渠底排水，渠道滲水就不會使泥巖基礎產生較大膨脹變形。

本次ZG渠樁號9+000.00 m～26+000.00 m泥巖渠道改造方案為全斷面換填結合增設排水體。根據ZG渠對膨脹巖基礎渠道已經實施6 a的改造方案，并借鑒南水北調工程經驗，適當加大渠底換填層的厚度，由原來的1.0 m加大至1.5 m，換填基礎面開挖邊坡放緩至1∶2.5[4]。

(1) 襯砌結構改造

本次擴建工程渠堤加高采用貼坡加高方案，渠堤加高1.6～2.0 m，為提高渠底襯砌結構對邊坡的支持作用，本次改造將泥巖換填渠段渠底襯砌結構調整為受力較好的現澆混凝土弧形渠底[5]，渠坡為預制混凝土板襯砌。

(2) 換填料改造

為防止渠道滲水透過換填的透水料對泥巖基礎造成不利影響，將全斷面換填單一透水料調整為雙層鋪料型式[6]。先在泥巖開挖面鋪設1層100 cm厚的白砂巖，再鋪設50 cm厚的砂礫石透水料，渠道滲水通過透水料很快匯集至渠底排水體中排出。經試驗研究，白砂巖屬弱凍脹土，當白砂巖干密度大于1.8 5 g/cm3以上，隨著壓實度的增加，凍脹率逐漸減小，若控制一定的含水率，增大壓實功能，可達到很好的壓實效果[7]。經壓實后的中粗砂滲透系數為K=1.3×10-5～8.0×10-6cm/s，中細砂巖、細砂巖滲透系數為K=4.0×10-7～2.1×10-8cm/s。作為渠道換填料，白砂巖能夠阻隔渠道滲水進入泥巖基礎，填方渠段基本采用沿線分布的白砂巖進行渠堤填筑[8]。

(3) 縱向排水體設計

為保護渠底換填層底部的泥巖基礎，將縱向排水體置于渠底換填層以下[9]。排水體斷面為倒梯形結構，底寬80 cm，兩側邊坡1∶0.5，高80 cm。排水體內自上而下分別鋪設20 cm厚的粗砂、20 cm厚的小石(粒徑5～20 mm)及40 cm厚的中石(粒徑20～40 mm)[10]。排水體軸線底部鋪設1根DN160的UPVC濾水花管，管頂240°范圍內打孔，孔徑1 cm，間隔30°一孔，沿排水管軸線每10 cm設一排孔，梅花形布置[11]。排水體底部及兩側邊坡鋪設一布一膜(膜厚0.6 mm、布150 g/m2)，鋪設范圍延伸至整個渠底換填基礎面,具體布置見圖1。

圖1 渠道縱橫向排水布置示意圖 單位：mm

(4) 橫向排水體設計

根據泥巖段處理長度，橫向排水體約300～500 m布置一道，與渠底縱向排水體相連，橫斷面為80 cm×80 cm的矩形結構，排水體底部鋪設1根DN160的UPVC濾水花管，外包排水砂礫石及一布一膜，濾水花管與縱向排水體濾水花管連通[12]。

根據地形條件橫向排水體末端出口有2種處理方案：① 有排水出路情況。橫向排水體出口距離渠道軸線約50 m左右，后接排水明渠至地面洼地。② 無排水出路情況。在出口接入直徑2.5 m的預制鋼筋混凝土集水井中，井深13 m左右，集水井布置在渠堤外側約70 m左右，井內設有潛水泵及自動抽排裝置，可將渠道滲水回抽至ZG渠中[13]。為了便于運行管理，減少水泵的啟動頻率，增加水泵的淹沒深度，防止水泵干抽，集水井底部位于橫向排水管軸線以下2.5 m處。

3 結 語

根據渠道管理處運管人員的觀測，經過以上方案改造后的渠段，橫排出口有水排出，說明排水系統通暢。渠道運行6 a多后，斷面保持良好，只在局部渠段發生點狀鼓脹，未發生大的渠道變形、渠坡滑塌等情況。這說明本膨脹巖渠道改造方案及縱、橫向排水的設置效果顯著，大大提高了輸水渠道的運行安全性及可靠性。本工程膨脹巖渠道的改造設計方案可為同類工程提供借鑒。