引江济淮输水线路膨胀土影响分析

岳金刚（安徽省水利水电勘测设计院蚌埠233000）



引江济淮输水线路膨胀土影响分析

岳金刚
（安徽省水利水电勘测设计院蚌埠233000）

济淮输水线路沿线膨胀土主要分布在淮河以南的江淮、菜巢分水岭的岗地段，其反复胀缩变形及引起的强度衰减对引水渠道边坡的稳定性有较大影响。本文主要阐述了输水线路沿线膨胀土的成分、分布及发育特点等，有利于采取正确的处理措施，保证工程安全。

引江济淮输水线路膨胀土边坡处理

1　引言

引江济淮工程，曾称江淮运河，它沟通长江、淮河两大水系，润泽安徽，惠及河南，造福淮河，是一项具有保障供水、发展航运、农业灌溉补水和改善环境等综合效益的大型跨流域调水工程。由引江济巢、江淮沟通、江水北送三大部分组成，其中引江济巢段又包括西兆河和菜子湖两条线路。

输水线路沿线膨胀土主要分布在淮河以南的江淮、菜巢分水岭的岗地段，其反复胀缩变形及引起的强度衰减对引水渠道边坡的稳定性有较大影响，分析研究膨胀土性质，有助于采取正确的处理措施，保证工程安全。

2　膨胀土特性

膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土，这一特性常造成开挖边坡发生滑动破坏。其反复胀缩变形及引起的强度衰减对工程的长期安全运行构成隐患。矿物及化学成分和微观结构是膨胀土具胀缩特性的内在因素，而水的参与和干湿变化则是膨胀土产生胀缩变化的外在因素。

2.1膨胀土的矿物和化学成分

采用“X—射线法”对工程沿线分布的膨胀土做了矿物成分和化学成分分析，结果见表1。

该区膨胀土碎屑矿物的主要成分为石英和长石（斜长石、钾长石）。碎屑矿物是粗粒部分的主要组成物质，其特点是物理、化学性质稳定或较稳定，对土的膨胀特性几乎没有影响。

表1　输水线路膨胀土矿物成分特性一览表

表2　输水线路膨胀土化学成分特性一览表

而粘土矿物中蒙脱石、伊利石等亲水矿物对土膨胀性的影响最大。根据表1，蒙脱石和伊利石合计含量为21%～51%。江淮分水岭两种矿物的含量最高，菜巢分水岭最少。

各线路膨胀土化学成分试验分析结果见表2。

沿线膨胀土的化学成分以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，三者合计含量87%～91%。其中SiO2含量最高，占61%～77%，Al2O3和Fe2O3的含量次之。这一现象表明，在粗颗粒中石英矿物相对富集，而细小的粘土颗粒中铝硅酸盐粘土矿物相对富集。

2.2膨胀土膨胀性分布特点

淮河以南段膨胀土分布长度约93km，主要分布在菜巢、江淮分水岭的岗地段。

2.2.1膨胀性分段对比情况

各线路膨胀土长度及膨胀性对比情况见表3。

在引江济巢段菜子湖线路和江淮沟通两条线路中，膨胀土均有大量分布，而江淮沟通段膨胀土分布最长，膨胀土边坡高度也最大；菜子湖线路最短，局部有强膨胀土分布，但分布很短。

土体膨胀力的大小也与膨胀土分级有一定关系，弱膨胀土的膨胀力一般约20kPa，而中膨胀土膨胀力约40kPa，而强膨胀土膨胀力大于50kPa。

2.2.2膨胀性与地形地貌的关系

根据此次矿物成分分析成果，对比样品取样高程发现，同一地貌、地质单元，蒙脱石、伊利石和自由膨胀率均与样品的取样高程有一定的线性关系。即随着样品取样高程的增加，蒙脱石、伊利石的含量和自由膨胀率均逐渐增加。江淮沟通段蒙脱石含量与取样高程关系散点图、自由膨胀率与取样高程关系散点图见图1、图2。

表3　输水线路各等级膨胀土分布一览表

图1　江淮沟通段蒙脱石含量与取样高程关系图

图2　江淮沟通段自由膨胀率与取样高程关系图

经统计分析可以发现，就土的膨胀性来说，分水岭、岗地顶部＞岗坡＞岗底。就江淮分水岭而言，南坡膨胀性＞北坡。这种差异可能与土体的搬运堆积、大气环境改造有密切关系。

2.3膨胀土中裂隙发育特点

膨胀土裂隙按成因可分为原生裂隙和次生裂隙。

原生裂隙是指土沉积和固结过程中形成的裂隙（结构面），它是由于沉积环境变化、温度、湿度和压密等作用产生的结构面。包括沉积层理、沉积间断等原生长大结构面和土体压密固结过程中所形成的裂隙。

次生裂隙是指土体受构造、卸荷、风化作用和胀缩作用所产生的裂隙，如卸荷裂隙、风化裂隙、胀缩裂隙、构造裂隙等。其中卸荷裂隙是因土体中应力释放和调整而产生，膨胀土深挖方段开挖引起土体卸荷及裂隙扩张可能对后期边坡稳定有着重要影响。而干湿循环则在大气影响深度范围内形成密集的微裂隙（胀缩裂隙），是产生浅表型胀缩变形破坏的主要因素。

而长大裂隙多是原生裂隙（原生结构面）在外部环境因素影响下进一步改造的产物。这种裂隙多位于“非影响带”内，产状较平缓，经过后期改造，常形成灰绿色粘土充填、光滑的软弱结构面。当与中、陡倾角的卸荷裂隙组合，并达到一定的连通率后，即可能产生中、深层裂隙型滑坡。是膨胀土边坡工程中不可忽视的破坏因素。

根据南水北调中线工程经验，膨胀土裂隙发育密度与土体膨胀性关系密切，中～强膨胀土裂隙发育密度大于弱膨胀土。而地形地貌也对膨胀土裂隙发育密度有重要影响，地面高程越高，裂隙发育密度呈增大趋势。膨胀土边坡设计时，应注意膨胀土中裂隙对边坡稳定性的影响。

3　膨胀土边坡的抗剪强度取值

“大气影响带”内的膨胀土，胀缩型微裂隙密集，土体被微裂隙切割成近散体状，因而建议采用残余强度值；对“非影响带”内的膨胀土，采用折减法取值。考虑到中～强膨胀土裂隙发育密度大于弱膨胀土，因而对中、强膨胀土加大了折减力度。建议在输水河道工程指标建议值的基础上，弱膨胀土凝聚力和内摩擦角分别按75%和95%取值；中膨胀土凝聚力和内摩擦角分别按65%和85%取值；强膨胀土凝聚力和内摩擦角分别按55%和80%取值。

4　膨胀土边坡处理建议

对于边坡高度大于10m的弱膨胀土渠段，建议采用放坡处理，坡比不宜陡于1∶3，并应根据坡高设置必要数量和宽度的平台。

对于边坡高度大于15m的中、强膨胀土渠段，易产生中、深层裂隙型滑坡，因而建议考虑采用锚固、抗滑桩等措施处理。

膨胀土边坡坡面处理方面，应以尽量减少边坡内土体的干湿交替作用为主要原则，如换填一定厚度的非膨胀土或边坡表土改性等，并辅以必要的排水、导水工作。

不仅要做好坡面换填防护，在坡顶和坡底一定宽度范围内进行换填也很重要。

对于换填厚度，参照南水北调中线工程经验，结合该区“大气影响急剧层深度”，以及该区各等级膨胀土膨胀力大小规律，弱膨胀土垂直换填厚度可为1.0m，中膨胀土垂直换填厚度可为1.0～1.5m，强膨胀土垂直换填厚度可为2.0m。

5　结语

引江济淮工程中江淮、菜巢分水岭的岗地均分布有大量膨胀土，近百公里渠道均在膨胀土中开挖，膨胀土特有的矿物成分和微结构特征，对土体强度降低作用非常明显，容易引起边坡失稳问题。在实际工程应用中，进行渠道边坡设计、核算其边坡稳定性时，需结合工程特点，根据膨胀土的工程特性和所处的不同位置，着重从影响其物理力学性质变化的内、外在因素上考虑，合理地选择抗剪强度指标。并采用放缓边坡、增设平台以及抗滑桩等措施，同时做好地面排水防渗措施，防止膨胀土因遇水膨胀、失水收缩降低强度，以保证边坡的稳定性■