引江济汉工程中膨胀土的危害及防治措施

王振华

(武汉大学水利水电学院，武汉 430072)

南水北调工程是我国为缓解中国北方水资源严重短缺局面而建设的重大战略性工程，其总体布局分东线、中线、西线三条调水线。引江济汉工程作为南水北调中线汉江中下游治理工程的重要组成部分，旨在从长江荆江河段开挖一条人工运河，向其第一大支流汉江“补水”，以恢复和改善汉江中下游因南水北调工程而致水量减少河段的生态、灌溉、供水和航运用水条件。渠道全长约67.23km，跨越多条河流及湖泊，沿途交叉建筑物100余座［1］，其工程地质多样且复杂。在施工过程中，影响边坡失稳的膨胀土是困扰施工的难题之一。引江济汉工程膨胀土分区西起太湖港渠，东至西荆河。根据工程地质特性，该区内的膨胀土可划分为两类:中等膨胀土分布区，长12.4km;弱膨胀土分布区，长30.1km［2］，占渠道总长度的60%以上。

1 引江济汉工程中的膨胀土危害成因及破坏形式

1.1 膨胀土危害成因分析

引江济汉工程渠道地处江汉平原腹地，跨越两个地貌单元，渠首和渠尾区为冲积平原，渠身区为岗波状平原。其中渠身经过的岗波状平原由第四系中、上更新统(Qp2+3)黏土［3］组成，属长江、汉江二级阶地，为膨胀土分布区。膨胀土作为一类具有裂隙性和胀缩性的超固结塑性黏土，对气候变化特别敏感，常引发坡面开裂、隆起或沉陷、边坡失稳等工程危害，且多具反复性和长期潜伏性特点。膨胀土体物理性质不稳定，反复变形特征明显，其反复胀缩变形及引起的强度衰减还将影响工程的长期运行安全。

引江济汉工程区段黏土含量丰富，多为硬塑黏土。膨胀土包含的黏土矿物主要为蒙脱石、伊利石和高岭石等，亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石决定了膨胀土的胀缩性。膨胀土的膨胀与收缩机理［4］是具黏性的蒙脱石在电解质溶液的作用下，土中的水分子相互作用，形成溢出势和使空隙水进入层间的膨胀势，使得膨胀土吸水膨胀、失水收缩。土体吸水膨胀降低了土体的负孔压，使有效应力降低，同时土体因膨胀而软化，抗剪强度大幅下降。由于湿化作用［5］，亲水性黏土矿物吸水易崩解，在无约束的情况下，块体湿化解体成碎粒状散体，使其吸湿压力大幅提高，在膨胀土的干缩过程中，产生纵横交错的张性裂隙直接破坏土体的结构，形成许多潜在滑动面，同时会使土体的抗剪强度降低，在多种因素综合作用下，最终导致边坡的失稳破坏。

1.2 渠坡膨胀土的破坏形式

黏土矿物具有不同的形状、排列方式及定向性等微观特征，微观结构的复杂性决定了膨胀土破坏形式的复杂性。经过实地工程研究，引江济汉工程中所遇到的膨胀土对渠坡破坏形式可分为两种:

a.膨胀型滑坡:在大气环境作用下，渠坡土体反复胀缩，结构遭破坏，在雨水参与下，发生浅表层蠕动变形［6］。

b.膨胀力对混凝土衬砌的破坏:施工中难以严格控制膨胀土的含水量，膨胀土在湿胀干缩作用下，会产生一定的拉压应力，作用在混凝土的内衬砌面上，衬砌面在反复的胀缩作用下，出现裂缝;膨胀土暴露于空气中后，将产生更大的胀缩变形，最终导致衬砌面破坏。

2 一般渠坡膨胀土影响防治措施

导致膨胀土边坡破坏失稳的影响因素主要分为土体内在因素和外部环境影响因素两大类。内在因素有:土的物质组成、成因类型、土体的结构等工程地质特性。外部因素有:地形地貌条件、地下水及地表水作用、施工区气候条件等。膨胀土坡失稳的原因:反复胀缩形成众多无规则裂隙破坏土体结构和膨胀土抗剪强度，由于含水量增加和干湿循环等因素影响而衰减［7］。膨胀土渠坡可有以下治理措施:

a.尽量减少土体与外界的水分交换，降低膨胀土含水量的变幅。目前一般采用改性土置换坡面和渠底土层。坡顶和坡面以防护为主，在坡顶主要防止雨水入渗和土体开裂;坡面做好排水，可有效防止膨胀性滑坡、减少结构面控制型滑坡的发生。坡脚则应以提高土体抗滑能力的措施为主，如换土、土壤改良、支挡和排水等。

b.渠道护坡的护面下设立一定厚度的过渡垫层，垫层可采用砂，也可采用刚度适宜且具有一定透水性的泡沫土工合成材料［8］，后者可以起到垫层和排水层的作用，还可以在一定程度上吸收膨胀。

c.开挖缓坡。具体做法是将富含膨胀土的坡体开挖，破坏大气影响深度范围的土体结构，再按一定的设计坡比回填。这种方法可减小坡降，形成较为稳定的坡型，以抑制膨胀土渠坡在胀缩作用下出现的滑坡现象。

d.在坡面面积较大的部位应设置畅通的地表排水系统［8］，尽快从坡面上排走雨水;同时在护坡内设置盲沟，大幅降低地下水的影响。

此外，施工中还应充分考虑到环境因素的影响。在长时间的雨水入渗条件下，浅表层土体膨胀软化，强度降低，临界坡高显著降低，极易发生牵引式滑坡［9］。因此，施工时尽可能避开雨季，且必须做好坡顶防水和现场排水。对已开挖边坡采取临时保护措施，如薄膜覆盖、设置临时排水沟等。渠道施工宜分段进行，每段开挖、衬砌、坡面排水和临时防护应一气呵成，以减少膨胀土暴露在空气中的时间。

3 改进方案

一般渠坡膨胀土影响防治措施在一定程度上降低了膨胀土的危害，但仍然存在有效性和经济性不佳等问题。针对该问题，提出了水下和地下水位变动区域采用沥青混凝土衬砌的方案。由于引水渠线较长，膨胀土含量高，地质情况随坡基含水量、季节等因素影响变动较大，衬砌防渗、适应地基的变形能力十分重要。

3.1 改进方案的优势

a.沥青混凝土由于孔隙率很小，外水难以进入，缓解了胀缩土应力产生的条件。沥青混凝土的抗剪能力较强，可以抑制膨胀土遇水膨胀而造成的边坡失稳。根据室外试验结果，当轴向压应变为14%、侧向应变为6%时仍可保证不渗漏。这一特点对适应膨胀土边坡的不均匀变形十分有利。而较沥青混凝土，普通混凝土在反复的胀缩应力下，更易产生疲劳破坏，不利于工程应用。

b.沥青混凝土可以防止衬砌面在膨胀力作用下的破坏。沥青混凝土在25℃时可承受0.08的弯拉应变不漏水，在2℃时可承受0.02的弯拉应变不漏水［10］，这些参数均远高于普通混凝土。在常年平均温度较高的地区，随着环境温度的变化，沥青混合料的流变特性也有所改变。当环境温度很高时，沥青因受热而软化，流动性增大，易发生变形破坏;当环境温度较低时，坡面由于冷缩作用，沥青混凝土内部就会产生较大的拉应力，甚至开裂。因此合理配比沥青和混凝土的用量非常重要。引江济汉工程施工现场地处长江中下游，多年平均温度较高，可选择软化点较高的沥青以降低沥青混凝土破坏的可能。此外，水的比热容较大，沥青混凝土设置在水下和地下水位变动区，也最大程度限制了沥青混凝土因温变而溶化或产生开裂的条件。

c.沥青材料表面光滑，减小了渠道开挖断面或渠道坡降，从而减小土方和衬砌工程量，有利于减小工程投资，并减小渠道沿程水头损失，提高水能利用率。

d.运行中修复快捷与维护费用低。沥青混凝土衬砌投入运行后，如不发生边坡反水压、集中变形过大等情况，一般可持续运行10多年不需维护［10］。而普通混凝土由于其材料自身和使用环境的特点，使得混凝土结构存在严重的耐久性问题。

3.2 改进方案的不足

a.施工工艺复杂。由于特定的物理特性，沥青混凝土制作工艺较为复杂。在拌和过程中，混凝土混合料的级配、沥青的用量、拌和温度以及时间都至关重要。通过对多方面因素的合理控制，沥青混凝土衬砌才能发挥理想的效果。同时，鉴于沥青极易氧化及挥发，还应该适当降低拌和温度，缩短施工时间［11］。沥青混凝土的施工也极为复杂。现场施工中，应尽可能选择较适宜的气候，提高碾压效率。由于沥青的物理特性，为防止硬化，碾压还应在尽可能高的温度下进行，且至少碾压两次。在压路机碾压不到的地方，应用手锤击实，防止因局部透水而造成对整体衬砌的破坏。

b.施工难度较大。在进行渠道沥青混凝土衬砌时，必须对坡体的浅表层进行适当处理，以防因植物的生长，导致的衬砌变形甚至破坏［11］。而且完工至通水之间时间不宜过长，最好在通水前短期内铺筑沥青混凝土衬砌。长期暴露在烈日下，容易使边坡上衬砌的沥青材料发生流动，使已固定成型的沥青混凝土边坡变形甚至破坏。

4 结论

引江济汉工程是实现南北互利的重要纽带。膨胀土渠坡稳定分析和处理是工程施工和耐久性的重点和难点问题。在现行治理方案基础上，针对土体含水量这一导致膨胀土边坡失稳的主要因素，提出了采用沥青混凝土衬砌的方案，以期减小膨胀土变形带来的不利影响，该方法可为膨胀土治理和施工提供研究参考。鉴于我国对膨胀土的研究起步较晚，相关研究人员任重而道远，希望更多有识之士能加入到膨胀土的研究行列，早日解除膨胀土在工程中的危害。

1 陈汉宝.南水北调中线引江济汉工程主要工程地质问题［J］.资源环境与工程，2006，20(4):377-380.

2 董忠萍，黄定强，陈汉宝，等.引江济汉工程区膨胀土工程特性研究［J］.人民长江，2010，41(11):17-21.

3 李智民，江亚鸣，杨宜军，等.“引江济汉”工程膨胀土渠道边坡稳定性及防治对策［J］.资源环境与工程，2007，21(2):144-146.

4 陈丛丛.膨胀土破坏机理及治理措施［J］.中国科技博览，2009，(27):81-82.

5 李翠华，詹长久，张路，等.膨胀土湿化变形试验研究［J］.武汉大学学报(工学版)，2001，34(5):101-103.

6 常明月，姚志国.关于膨胀土危害和防治的探讨［J］.城市建设理论研究(电子版)，2011(23).

7 李怀珍，朱文孝.膨胀土边坡失稳机理和稳定性分析［J］.贵州地质，2006，23(2):132-136，141.

8 包承纲.南水北调中线工程膨胀土渠坡稳定问题及对策［J］.人民长江，2003，34(5):4-6.

9 徐光明，王国利，顾行文，等.雨水入渗与膨胀性土边坡稳定性试验研究［C］.//第二届全国非饱和土学术研讨会论文集.2005:606-613.

10 郝巨涛.国内沥青混凝土防渗技术发展中的重要问题［J］.水利学报，2008，39(10):1213-1219.

11 余立新.浅谈热拌沥青混凝土的施工［J］.黑龙江交通科技，2010，33(12):19-20.