南水北调南阳市段工程膨胀土危害防治措施

□谢 娟(开封市水利工程总队)

0 引言

南水北调中线南阳膨胀土试验段工程作为国家“十一五”科技支撑项目之“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”课题，是中线总干渠工程的一部分，位于陶岔-沙河南段南阳市境内，桩号K100+500-102+550，全长2.05 km工程包括弱、中膨胀土挖方和填方3个试验区，每个试验区又包括若干个试验亚区。工程于2008年12月开始进行土方开挖，按照设计要求开挖后进行渠坡换填土措施的工序，开挖时保留≥50 cm的保护层，于2010年12月工程试验期结束，历时两年。在两公里多长的膨胀土试验段区间，包括了弱膨胀土和中、强膨胀土工程地质，在开挖过程中和渠道衬砌完成后出现多处滑坡，特别是在中膨胀土试验Ⅳ区，试验具有很好的代表性，总结南阳膨胀土试验段建设管理经验，并经过南水北调南阳市段工程，实践进一步验证完善，提出膨胀土开挖及危害和防治措施。

1 试验段工程中膨胀土危害方式

试验期间表露出的膨胀土危害主要是边坡失稳引起的滑坡?滑坡主要成因是膨胀土地质潜在的长达裂隙与外水诱导等因素叠加引起的边坡失稳，在土方开挖前期间，中膨胀土Ⅵ区，2009年2月9日一级马道下左坡面出现滑坡，面积约15 m×12 m。滑坡工程量约190 m3；2月28日左岸下游又出现滑坡滑坡工程量约420 m3，如图1就是该处的滑坡及处理方式；中膨胀土Ⅳ区，2009年2月22日左岸一级马道上坡面出现斜向下游的裂缝，缝宽约1～2cm。滑坡工程量约1340 m3，从揭露的断面来看，滑坡后沿出露明显，滑动面存在薄弱夹层，呈灰褐色；特别是中、弱膨胀土裸坡试验区滑坡更加明显，经过两年的试验期，基本看不到原来的边坡性状；另外在渠坡采取混凝土衬砌后，在中膨胀土Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ区和弱膨胀土Ⅰ、Ⅱ区均发生了滑坡。由此可见膨胀土危害作为世界性难题的难以治理性，所以膨胀土的工程危害防治从开挖阶段开始十分必要。中Ⅵ区在开挖过程中，左岸一级马道以下边坡滑坡及处理过程。

图1 开挖过程中的膨胀土滑坡及开蹬回填处理图

2 膨胀土开挖前的质量控制措施(事前)

膨胀土开挖质量控制措施包括预控(事前、事中)和事后控制，预控措施是工程建设管理人员的一项重要工作，针对膨胀土特点采取相应的控制措施是工程顺利进行必要保障，不同阶段的质量控制管理要点见示意图2。

首先在开挖前就应该针对性的采取预控管理，主要从两方面分述如下。

2.1 不良地质渠段明确措施重点控制

裂隙发育的强膨胀层和高地下水渠段对膨胀土开挖工程稳定性有较大影响，开挖前应制定针对性措施、重点控制。进场后技术管理人员应对各段水文地质情况要充分了解，划分确定不良地质区段作为质量管理重点监控项目。在南阳膨胀土试验段施工过程中，出现了中膨胀土Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ试验区的滑坡，这种试验段出现的滑坡与渠道工程所在地段地质、水文条件、渠坡超载和施工工艺不当因素影响有关，所以只有充分了解开挖段的地质情况特点，才能在开挖时做到心中有数，避免不良地质危害发生。

图2 膨胀土渠段开挖质量控制图

2.2 严格审查土方开挖施工技术方案

工程开工前，首先承包人应编报膨胀土土方开挖方案，然后组织专业人员对方案进行审查，审查要点有以下方面。

第一:从施工质量角度考虑，所投入配备的施工设备性能、数量等是否符合要求，同时满足进度需要；第二:膨胀土危害与水文地质和土体荷载稳定相关，施工技术方案中有无采取措施，措施是否具有针对性；第三:膨胀土开挖后建基面不适宜长时间暴露于大气环境中，后续的换填土等覆盖工序衔接是否紧密，施工过程是否均衡；第四:质量保证、施工安全技术措施是否具有针对性和可操作性。

对于承包人提交的方案，如不能满足要求，可批回修改、补充后重新提交。不同标段技术管理实力不同，差的标段可能经多次批回修改，经过修改提交，再讨论、再完善的过程，也促使承包人施工之前把各个施工要点、环节进行熟悉、了解。虽然可能审批过程较长，实践证明很有必要。

3 膨胀土开挖过程中的质量控制措施(事中)

3.1 开挖过程质量控制

外水和地下水变化对开挖后的膨胀土稳定影响很大，应合理安排膨胀土开挖施工时间，避开多雨季节，如遇雨天做好排水，避免或减少膨胀土渠段变形、滑坡和垮塌。施工过程中应均匀开挖卸荷、工序衔接紧密和开挖后及时防护。

3.1.1 紧后工序紧密衔接

膨胀土渠段开挖完成后，不宜长时间暴露。渠坡及渠底开挖完成后及时采用换填土覆盖。对于下渠临时施工便道占压部位，预留保护层时厚度宜多出其他部位，≥50 cm。渠坡坡脚齿槽开挖时，宜开挖一段浇筑一段，尽量避免遇雨浸泡。通常在工程前期外界干扰施工因素较多，迫于进度压力往往出现忽视后续工序的连贯，突击集中开挖，就很容易造成膨胀土开挖质量隐患，如遇这种情况应严格要求从中心线处开挖，务必多留保护层。

3.1.2 膨胀土开挖邻近部位梯段下降，均匀卸荷

根据安排的施工作业队，合理划分作业段，开展流水作业梯段施工。渠道开挖时应保留足够厚度的保护层，一次未开挖到位的部位适当放缓坡度。相邻区段开挖高差不宜过大，根据后续换填土施工组织情况安排开挖进度。对于中、强膨胀土渠段，在坡脚开挖时预留适当尺寸的土墩，临时支挡保护土体尺寸可按照2 m×2 m×2 m预留。

3.1.3 基面防反复干湿循环

建基面必须采取有效防护措施减少大气环境的影响。一般采用预留保护层的方式，保护层开挖完成后应立即组织后续项目施工，尽量缩短建基面暴露时间，所以合理的安排流水作业非常关键。干湿循环对土的粒间联接造成不可逆的损伤，抗剪强度降低是微结构劣化的结果，在最初的1～2次循环，强度衰减幅度最大，随后减小，直至强度趋于一稳定值,所以相对于渠底渠坡从下向上回填需要较长时间，全面覆盖确有困难，遇降雨天气应采取覆盖防护，另外采取换填措施的应保证开蹬宽度，将受影响土料从新组合。

3.1.4 合理设置施工便道

对于中、强膨胀土深挖方等地质条件较差渠段，要注意临时施工道路规划布置，重载车辆通行的道路应尽量远离已完成的深挖方开口线；下渠施工便道尽量避开地质条件差的渠段，无法避开的开挖时不应一次开挖到位。

3.2 开挖渠段膨胀土类别的复核

根据膨胀土的膨胀潜势，膨胀性分为弱、中、强三类。在设计地质报告中对每段渠道的膨胀土的类别一般都有描述，由于勘探阶段钻孔数量及分布成果与施工时揭露地质情况不一定完全一致，所以有必要进行渠道工程地质复核。地质复核可采取两种方式，一是对于大型工程，在招标时把地质复勘要求列入技术条款，进场后承包人对渠道工程地质进行复勘；二是对于中小型等投资较小的工程，可采取开挖完成后或过程中进行地质编录，根据现场实际情况，确定是否抽取土样进行膨胀率复核试验。

3.3 渠道外水和内水处理

膨胀土对水很敏感，在含水率发生变化过程中其工程性状同时受含水率与裂隙性双重影响，吸湿饱和引起土体结构的损伤程度随出事含水率减少而增大，终了物理状态趋于均一化，所以基于膨胀土地质情况属于客观无法改变的条件下，外水、内水的处理在膨胀土危害预防上非常重要。

图3 坡面渗水处理措施示意图

开挖前，宜先完成边坡外部一定距离的截排水沟的施工，以防止雨水漫流冲刷边坡，在坡顶及开挖马道上分级设置截、排水沟及时排除坡面雨水；膨胀土渠段设置的排水沟保持顺畅至关重要，发现堵塞及时疏导，否则排水工程将会转变成集水坑，引起外水下渗引起衬砌面板隆起或滑坡?对连续阴雨天气造成基坑积水要及时抽排，特别是深基坑和地质条件差的渠段，避免雨水长时间浸泡坡脚引起失稳。

3.3.1 防坡脚积水

在渠道开挖完成或基本挖至设计基底高程时，应避免坡脚长时间受水浸泡，造成坡脚基面浸水饱和，强度降低引起的牵引式滑坡。施工期间遇到降雨天气首先应保证渠道周边截流沟排水保持畅通，防止外水汇入渠内，另外在渠底架设排水泵及时抽排坡脚积水。

3.3.2 渠道边坡渗水处理

开挖过程中当渠道地下水位高出渠底时，就容易出现边坡渗水，膨胀土渠坡的渗水部位多呈点、线状，此时可采用开挖盲沟与埋设PVC花管进行引流，待后续工程施工时一并集中至逆止阀将地下水引排至渠底，边坡渗水外排措施布置如示意图3。采取基坑外围开挖排水沟或轻型井点降水对于膨胀土地下水不适用，通过实践验证采用终横联通的盲沟等处理方式效果比较明显。

3.3.3 高地下水处理

南阳膨胀土地区地下水类型包括：上层滞水、承压水和潜水。结构物施工时干面作业有利于质量控制，在施工开始前应先编制排水技术措施方案，所以解决膨胀土地下水问题关键在于设计阶段超前地勘或超前孔早提出，施工阶段复勘现场针对不同类型的地下水采取相应措施。通常上层滞水水量不大，可通过盲沟集中引排至渗控系统；承压水、潜水除通过管井、盲沟集中引排外，必要时需采取截渗墙。

4 开挖完成后和应急事件处理措施(事后)

4.1 隐蔽工程联合验收

隐蔽工程验收时要求：隐蔽工程已自检，包括开挖尺寸、高程、坡度、平整度等，设计有压实度要求的应满足要求，并应已完成地质编录及测量成果，将质检和声像资料作为隐蔽验收签证的附件。与常规稍有不同，膨胀土渠段验收时地质编录工作尤为重要，严格来说，所有膨胀土建基面均为不良地质，根据建筑物的重要性和基础条件差异，设计确定了处理方式，所以地质揭露面与原设计是否一致，需要准确复核。

4.2 膨胀土滑坡应急处理措施

4.2.1 滑坡应急措施

当发现渠顶出现裂缝有滑坡迹象时，应立即采用粘土封填裂缝捣实，并在裂缝上部覆盖塑料布等防护措施避免雨水渗入。边坡严禁堆积弃土，附近避免重车通行，适当采取削坡或临时增设二级马道的减轻荷载对滑坡的影响?开挖过程中的滑坡，一般可采取找到滑坡后沿，将滑动的土体全部挖除，然后逐级开蹬回填至设计要求部位。

4.2.2 膨胀土滑坡特点及注意事项

膨胀土滑坡与一般滑坡不同，其滑坡呈蠕动性状，随着时间的推移逐渐加大，特别是遇雨滑动加速明显，且一旦滑坡很难阻止，所以为减少危害，膨胀土滑坡宜及早发现、早治理，一步到位。

[1]赵长伟，马睿，李红炉.南水北调中线膨胀土试验段滑坡分析与防治[J].人民黄河，2011(9)：120-121.

[2]吕海波，曾昭田，赵艳林，等.膨胀土强度干湿循环试验研究[J].岩土力学，2009,30（12）:3797-3802.

[3]GB50112-2013，膨胀土地区建筑技术规范[S].

[4]张良，麻斌，耿军民，等.南水北调中线工程高地下水位渠段水文地质分析[J].人民长江，2014（6）:74-77.