土工袋填筑技術在邊坡變形體處理中的應用

武運動

（南水北調中線干線工程建設管理局河南分局）

1 南水北調工程概況及項目概況

1.1 工程概況及項目概況

南水北調中線干線工程是為緩解北方缺水而修建的戰(zhàn)略性工程。中線總干渠自丹江口水庫陶岔取水閘引水，途徑河南、河北、北京、天津四省市，終點位于北京團城湖。主要采用明渠輸水方式，輸水總干渠全長1 432 km（含天津干線）。葉縣段工程位于河南省平頂山市境內，起點（樁號185+545）位于方城縣和葉縣交界處，終點（樁號215+811）位于葉縣與魯山縣交界處,總長度為30.27 km。

1.2 變形體項目概況

葉縣段樁號206+122～206+180 渠段左岸邊坡變形體，位于三戶王生產橋（206+450）左岸上游328 m 處，該渠段為深挖方、高地下水位渠段，四級馬道，最大挖深約17 m，坡比1：2.75。

2018年6月25日，葉縣管理處工巡時發(fā)現(xiàn)樁號206+122～206+180渠段二級馬道以上邊坡出現(xiàn)邊坡變形、裂縫問題。經查閱該段設計資料，該深挖方渠段左側渠坡上部主要為砂礫巖夾粘土巖透鏡體；右側渠坡上部為dl-plQ2粉質粘土，下部為砂礫巖夾粘土巖；坡腳及底板主要為粘土巖。地下水較豐富，砂礫巖具中等透水性，粉質粘土具弱膨脹性，粘土巖具中等膨脹性，存在膨脹土巖問題。

管理處聯(lián)系設計、地質等，通過開挖探槽現(xiàn)場查勘驗證，對照該渠段地質編錄成果，發(fā)現(xiàn)該變形體巖性為膨脹性粘土巖。

膨脹土作為一種特殊的非飽和黏土，具有吸水時有較大的體積擴脹和較高的膨脹力，失水時體積收縮變形的特點。反復縮脹使得巖土結構發(fā)生破壞，力學強度降低，造成邊坡變形破壞，嚴重時導致渠坡失穩(wěn)，危及工程安全。

該變形體初探范圍為長度約58 m，寬度為二級馬道邊坡至四級馬道邊坡，滑動面最大可探深度約4 m，滑動變形體初估方量約9 000 m3。經中線局組織專家、設計多方溝通研究，初擬處理方案為進行開挖換填。

2 變形體處理方案比選

一方面考慮到該變形體危及工程運行安全，中線局按照應急項目實施，工期緊。如果采用傳統(tǒng)的開挖換填方案，無論是進行換填非膨脹土還是換填水泥改性土，都需要進行征地取土，而征地手續(xù)繁瑣，短期內不可能完成。

另外，該變形體所在渠段最大挖深達17 m，坡比1∶2.75，四級馬道，高陡邊坡施工作業(yè)面狹小，不利于土方施工機具大規(guī)模作業(yè)。若采用傳統(tǒng)施工方法，開挖回填工程量大，且棄土運輸、堆放都存在較大困難，勢必將占用土地資源。

綜合考慮，經過比選，考慮利用開挖后的膨脹土裝袋換填處理。土工袋換填處理膨脹土技術在國內屬于先進技術，可以解決開挖下來的膨脹土利用問題，無需征地取土。并且在南水北調工程應用較少，可以進行嘗試。經了解，南水北調中線工程沿線膨脹土渠段長達340 km，若換填方案可行，具備很大的推廣價值。經綜合考慮比選，確定采用土工袋換填技術進行變形體處理。

3 現(xiàn)場填筑工藝性試驗

由于土工袋填筑技術在南水北調工程中的應用較少，填筑厚度、碾壓方法、碾壓遍數(shù)、適宜含水率等關鍵參數(shù)不好確定，需現(xiàn)場開展工藝性試驗確定。試驗段設在左岸變形體206+122～206+180二級馬道坡腳位置。

3.1 土工袋裝料、篩分和運輸

渠坡土工袋采用黑色小土工袋，尺寸為45 cm×57 cm，便于人工裝袋與搬運。土工袋填筑取土料采用變形體邊坡開挖土料，土料的含水率采用噴灑水和翻曬的方法調整，使土料的含水率控制在期望含水量。開挖土料堆放在試驗段渠坡頂部一定距離外，然后使用篩土機進行篩分，篩分要求最大粒徑≤50 mm。篩分后的土料采用裝袋機進行裝填土工袋，填充量90%左右。人工手持縫口機封口，距土工袋口約3～5 cm。封口完畢的土工袋用裝載機轉運送至工作面附近，再由人工運輸?shù)皆囼灦喂ぷ髅孢M行鋪設。

3.2 土工袋鋪設、碾壓

土工袋采用人工鋪設，鋪料方式采用后退法。為了充分發(fā)揮袋子的張力，土工袋之間鋪設間隙為3～5 cm,使土工袋碾壓過程中有足夠的延伸空間。為了增加土工袋組合體的整體穩(wěn)定性，上下層土工袋之間需錯縫鋪設，局部可以適當放寬袋子的間距。

相鄰土工袋之間的間隙用現(xiàn)場開挖的膨脹土料進行回填。為了減少對相鄰渠段的擾動，采用靜碾，第一層鋪設完畢后用20 T壓路機進行靜碾壓4遍；第二層鋪設完畢后用20 T壓路機靜碾壓6 遍；第三層鋪設完畢后用20 T 壓路機靜碾壓8遍。碾壓方法為進退錯距法，行車速度控制在2～3 km/h，相鄰碾跡的搭接寬度≥碾寬的1/10。

3.3 壓實厚度和壓實度

每層碾壓完成后，試驗人員用灌水法測密度，烘干法測含水率，計算壓實度，詳見表1。

表1 碾壓試驗壓實度統(tǒng)計表

碾壓完畢，在相應的高程測控點上，測量人員用水準儀測量碾壓后高程，與壓前相應虛鋪高程差即為沉陷值，計算出壓實厚度。

3.4 實驗成果

根據(jù)實驗成果結合現(xiàn)場條件確定施工工藝及壓實參數(shù)為：①土工袋人工鋪設，土工袋之間鋪設間隙為3～5 cm,上下層土工袋需錯縫鋪設。②相鄰土工袋之間的間隙用開挖后的膨脹土料回填，每層虛鋪土料厚度為15～20 cm。③每一層鋪設完畢后用20 T壓路機進行靜碾壓6遍。碾壓方法為進退錯距法，行車速度控制在2～3 km/h，相鄰碾跡的搭接寬度≥碾寬的1/10。

4 土工袋填筑施工

按照工藝性試驗確定的各種填筑壓實參數(shù)，現(xiàn)場對該邊坡變形體進行了土工袋填筑施工，填筑歷時約2 個月，完成填筑總工程量約6 300 m3。實施過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況對填筑方案進行調整，歷經兩次較大的方案優(yōu)化調整。

第一次對土工袋填筑碾壓施工工藝優(yōu)化調整。一是土工袋順水流方向鋪設間隙為3～5 cm，垂直水流方向鋪設不再留設間隙；二是上下層土工袋錯縫鋪設；三是開挖土料裝填前控制最優(yōu)含水率±3%范圍內；四是為避免形成軟弱夾層，取消土工袋層間的間隙回填土料。

第二次土工袋填筑碾壓施工工藝優(yōu)化調整。一是現(xiàn)場施工時將碾壓試驗確定的每層的碾壓遍數(shù)6遍減少為1～2遍，主要是考慮到碾壓后邊坡穩(wěn)定性取決于土工袋層間摩擦力，按照壓實度試驗確定的碾壓遍數(shù)作用有限，保持碾壓后土工袋整層平整即可；二是土工袋裝土時，以碾壓后袋子保持適度張力為準，裝填飽滿程度控制在距袋口約3～5 cm；三是土工袋之間碼放間隙應滿足碾壓后相鄰土袋互相接觸即可，土工袋之間縫隙不再回填土料；四是填筑到頂后鋪設生態(tài)草袋技術要求調整。

土工袋填筑到頂后，最外層邊坡填筑生態(tài)草袋進行坡面防護。生態(tài)草袋內用耕植土拌和當?shù)匾子谏L的、耐旱性的草種，比如高羊茅、狗牙根等草種。生態(tài)草袋易疏松，并有一定空隙以便于草籽生長。現(xiàn)場按照1∶1比例混播高羊茅和狗牙根，出芽率超過95%，效果較好。具體土工袋填筑施工圖見圖1。

5 試驗檢測情況

按照經優(yōu)化后確定的施工參數(shù)，土工袋填筑作業(yè)實施過程中每層均進行了試驗檢測。壓實度檢測采用灌水法進行，前期共進行了20組壓實度檢測，合格20組，合格率100%，經檢測均滿足設計要求。實施過程中后期經組織專家學者進一步探討，對碾壓遍數(shù)做了調整，改為碾壓1～2遍，壓實度不再作為控制指標。

6 現(xiàn)場原位觀測

試驗檢測儀器共布置表觀位移觀測點9 個。在兩個觀測斷面上共布置含水率探頭16 個，測斜管4 根，布置位置見圖2監(jiān)測布置斷面圖。

圖1 土工袋填筑施工圖

通過監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)分析，經土工袋填筑處理后，填筑部位水平位移最大不超過20 mm（最大為16.82 mm），深層未處理膨脹土體保持穩(wěn)定，采用土工袋填筑技術處理后的高邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 監(jiān)測布置斷面圖

7 結語

土工袋換填處理技術通過在該項目上的成功應用，總體上達到了技術上可行，經濟上合理，實現(xiàn)了預期目標。為處理類似高陡邊坡變形、滑塌問題提供了一種切實可行的解決方案。