引江济汉工程膨胀土处理研究与实践.pdf

水利水电技术第4 7 卷2 0 1 6 年第7 期 引江济汉工程膨胀土处理研究与实践 黄定强，董忠萍，涂运中 ( 湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉4 3 0 0 6 4 ) 摘要：在大量试验研究的基础上，建立了适合工程区域地质特点的膨胀土判别与分类方法。借鉴其他 工程成果，按照样本数量1 3 的方法划分渠道膨胀土的膨胀潜势等级。针对不同类型渠段，制定了相应 的工程处理措施，对工程后续设计与施工具有重要的指导作用，取得了良好经济效益与社会效益。 关键词：引江济汉工程；膨胀土；渠道 d o i：1 0 1 3 9 2 8 j e n id w r a h e 2 0 1 6 0 7 0 0 6 中图分类号：T V 2 2 1 2文献标识码：R 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 6 ) 0 7 0 0 2 3 0 5 S t u d ya n dp r a c t ic eo fe n g in e e r in gt r e a t m e n to fe x p a n s iv es o ilf o rP r o j e c to f W a t e rD iv e r s io nf r o mY a n g t z eR iv e rt oH a n j ia n gR iv e r H U A N GD in g q ia n g ，D O N GZ h o n g p in g ，T UY u n z h o n g ( H u b e iP r o v in c ia lW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rP l a n n in gS u r v e ya n dD e s ig nI n s t it u t e ，W u b a n4 3 0 0 6 4 ，H u b e i，C h in a ) A b s t r a c t ：B a s e do nl a r g ea m o u n t so fe x p r im e n t a ls t u d ie s ，am e t h o df o rid e n t if y in ga n dc l a s s if y in gt h ee x p a n s iv es o il sa d a p t e dt o t h er e g io n a lg e o l o g ic a lc h a r a c t e r is t ic sise s t a b l is h e d W it ht h er e f e r e n c em a d eo nt h ea c h ie v e m e n t sf r o mt h eo t h e rr e l e v a n tp r o j e e t s ，t h ee x p a n s iv ep o t e n t ia l so ft h ec h a n n e le x p a n s iv es o il sa r ec l a s s if ie dina c c o r d a n c ew it ht h em e t h o dt h a tt h ec l a s s if ic a t io nis m a d ew it ht h e1 3o ft h en u m b e ro ft h es a m p l e s F o rv a r io u st y p e so ft h ec h a n n e ls e c t io n s ，t h ec o r r e s p o n d in ge n g in e e r in gt r e a t - m e n tm e a s u r e sa r em a d e ；w h ic hh a sa nim p o r t a n tg u id in gr o l ef o rt h es u c c e s s iv ed e s ig na n dc o n s t r u c t io n ，w h il eab e t t e re c o n o m ic a n ds o c ia lb e n e f itisg o ta sw e l l K e yw o r d s ：P r o j e c to fW a t e rD iv e r s io nf r o mY a n g t z eR iv e rt oH a n j ia n gR iv e r ；e x p a n s iv es o il ；c h a n n e l 1 项目背景 引江济汉工程是针对南水北调工程中线调水后丹 江口水库下泄水量减少对汉江中下游生态环境影响等 问题所进行的4 项治理工程之一，通过从长江引水， 补给汉江兴隆以下河段流量和补充东荆河灌区水源， 对改善汉江下游灌溉、供水、航运和河道内生态用水 条件，促进汉江下游生态环境的保护和健康发展具有 重大意义。 引江济汉工程输水渠道总长6 7 2 3k m ，其中自 太湖港至西荆河段分布膨胀土，该段长4 8 4k m ，占 引水线路总长的7 2 。膨胀土是一种富含亲水矿物 成分的粘性土，具有遇水膨胀、失水收缩、多裂隙和 超固结等特点。膨胀土遇水后，其内聚力、内摩擦 角、抗剪强度等工程力学参数均会出现严重下降，而 W a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rE n g in e e r in gV o l4 7N o 7 在失水干燥后又会发生收缩。膨胀土体积的胀缩变化 是一个伴随环境变化反复进行的过程，对工程设施具 有很大的破坏性。在工程区内，渠道边坡不稳定变 形、脱坡，房屋墙体的开裂变形和湖塘岸坡的坍滑等 不良地质现象时有发生。因此，膨胀土问题是引江济 汉工程的关键技术问题之一，对工程区膨胀土的工程 特性进行合理评价、制定切实的分类方法，对确定相 应的工程处理措施具有指导作用。 2 膨胀土判别与分类 膨胀土的判别是确定膨胀土与非膨胀土的界限， 将膨胀土与非膨胀土区别开。膨胀土的分类是在膨胀 收稿日期：2 0 1 6 - 0 3 1 7 作者简介：黄定强( 1 9 6 7 一) ，男，教授级高级工程师。 黄定强，等引江济汉工程膨胀土处理研究与实践 土判别的基础上对膨胀土进行再判别，将工程性质相 差较大的膨胀土划分为不同的类别，从而为工程建设 提供依据。目前，在膨胀土的判别与分类方面，国内 外开展了大量研究工作，提出了许多判别与分类方 法。在我国，公路、铁路、建筑等各行业都有相应的 规范，可分为直接指标与间接指标两大类。然而，由 于影响膨胀土膨胀潜势的因素较多，相互之间存在复 杂的相关关系，使膨胀土的分类较为复杂，还没有统 一的方法。 从理论上讲，在选择合理的判别指标时，应研究 其基本性质的各指标间的相互关系及其组合规律，着 重考虑胀缩规律，选择表征膨胀土特性的独立指标及 对各指标进行相关分析，选取具有最大相关性的特 征指标，建立函数关系，以达到比较理想的实现膨 胀土判别与分类的目的。在具体工程实践中，同时 还应考虑试验数据获取的难易程度及成本等方面的 因素。 在本项目中，综合分析区域内膨胀土的试验成 果，依据相应的规程规范，确定引江济汉工程输水 渠道膨胀土的膨胀潜势分类和判别指标，采取了自 由膨胀率与塑性指数相结合的判别与分类方法，其 中自由膨胀率6 。，为主判指标，塑性指数，。为参考指 标( 见表1 ) 。 表1 引江济汉工程输水渠道膨胀土的膨胀潜势分类指标 膨胀性潜势 名称 弱中强 塑性指数L 1 5 ，2 3 ) 2 3 ，3 0 ) ：3 0 ，) 自由膨胀率6 4 0 ，6 5 ) 6 5 ，9 0 ) 9 0 ，0 1 0 ) 根据上述膨胀土判别与分类方法，对采取的5 7 1 组土样进行了膨胀性潜势等级判别，结果为在采取所 有膨胀性试验样本中，6 5 组具有中等膨胀性，占样 本总数l l ；3 0 8 组具有弱膨胀性，占样本总数 5 4 ；仅1 组具有强膨胀性；其余 9 7 组无膨胀性， 占样本总数3 5 。 3 膨胀土渠段的膨胀潜势等级划分 由于膨胀土的膨胀性在空间上分布具有不均一 性，某一具体位置的垂向上和其相邻地段土的膨胀潜 势等级都可能不一样，因此依据渠道沿线水平向和垂 直向所采取的膨胀土样本的膨胀性等级来对渠道沿线 膨胀土体进行膨胀性潜势分类是非常必要的。参考南 水北调中线膨胀土的分类标准，借鉴河南南阳段膨胀 土试验段的经验，在进行引江济汉工程输水渠道膨胀 2 4 土体膨胀潜势分类时，按照样本数量 3 的方法进行 划分，亦即某一渠段中某一膨胀潜势等级的土的样本 数超过该渠段中的总样本数的3 3 ，即将该渠段膨 胀土的膨胀潜势等级定为该等级，同时在判定时按膨 胀土由强至弱优先定级。据此将引江济汉渠道膨胀土 分布段划分出中等膨胀性渠段长1 2 4k m ；弱膨胀性 土3 0 1k m 。按照专家咨询意见，结合已建工程经 验，考虑到膨胀土边坡变形机理的复杂性，从工程安 全的角度出发，将中等膨胀土样本占总样本数1 0 一3 0 的弱膨胀土渠段划分为弱偏中膨胀土渠段( 见 表2 ) 。 表2引江济汉工程输水渠道膨胀土渠段划分 分类长占比 潜势等级桩号 度k in 1 5 + 6 0 0 2 4 + 0 0 0 ：3 1 + 6 0 0 3 2 + 7 0 0 ： 中等 1 2 42 6 4 6 + 5 0 0 4 9 + 4 0 0 ： 1 0 - 4 - 0 0 0 1 5 + 6 0 0 ：2 4 + 0 0 0 2 6 + 7 0 0 ： 弱2 8 + 1 0 0 3 1 + 6 0 0 ；3 3 + 7 0 0 4 6 + 5 0 0 ： 3 0 16 3 2 5 1 + 3 0 0 5 5 + 8 0 0 ： 1 0 + 0 0 0 1 2 + 5 0 0 ：4 0 + 0 0 0 4 1 + 5 0 0 ： 弱偏中等 5 81 2 3 5 4 + 0 0 0 5 5 + 8 0 0 ： 4 膨胀土渠段工程处理措施 4 1 弱膨胀土渠段 引江济汉工程中弱膨胀土段裂隙发育较弱或一 般，发育规模均较小，延伸长度一般小于3m ，在边 坡上不具备贯通性，渠坡土层不存在沿裂隙面产生深 层滑移的客观条件。因此，经过对多种处理方案的论 证，参照南水北调中线河南段的试验研究成果，对弱 膨胀土渠段不进行工程处理。 4 2中等及弱偏中膨胀土渠段 中等及弱偏中膨胀土渠段必须进行工程处理，处 理方式为换土回填。由于工程区内无非膨胀土料源， 为降低成本，采用就地开挖的弱( 中) 膨胀土掺水泥 改性后进行置换处理。为确定不同渠段的最优水泥加 量，有利于施工，在改性前进行了路拌法水泥改性试 验，考察了不同水泥加量下混合土自由膨胀率变化规 律。分别进行了水泥掺量o 、3 、4 和5 四种 情况下的改性土7d 龄期的室内自由膨胀率试验。每 组土样在不同改性龄期下自由膨胀率的测试结果的平 均值如表3 所列。 从自由膨胀率随水泥改性龄期的变化规律可知： ( 1 ) 未添加水泥时，3 标换填料中混合土的自由 膨胀率为6 2 ，中膨胀料的自由膨胀率值为7 4 ，两 水利水电技术第4 7 卷2 0 1 6 年第7 期 表3 改性土不同龄期自由膨胀率测试结果 改性周期 土样类型 1d2d3d4d5d 6d7d 3 标混+ O C 5 4 1 7 5 4 1 75 4 1 75 4 1 75 4 1 75 4 1 75 4 1 7 3 标混+ 3 C 4 1 32 6 62 4 83 1 22 3 81 5 22 0 6 3 标混+ 4 C 4 7 2 7 3 2 4 5 1 9 5 1 8 。21 8 5 1 9 6 3 标混+ 5 C 4 6 52 41 6 71 9 22 52 2 52 2 3 标中+ O C 8 0 1 7 8 0 1 78 0 1 78 0 1 78 0 1 78 0 1 78 0 1 7 3 标中+ 5 C 4 5 83 9 62 83 5 5 3 1 5 3 72 4 8 3 标中+ 6 C 4 0 12 6 22 11 9 22 8 82 82 7 9 标混+ O C 5 5 85 5 85 5 85 5 85 5 85 5 85 5 8 9 标混+ 3 C4 0 83 5 23 7 23 6 3 3 7 3 3 53 9 2 9 标混+ 4 C 3 8 53 5 23 9 53 9 22 6 52 4 62 4 6 9 标混+ 5 C 3 5 63 4 23 33 0 82 8 52 0 52 5 2 注：“混”指混合土料；“中”指中膨胀土；C 代指水泥。 种土样的自由膨胀率实测值均在膨胀土膨胀等级的界 定范围内。其中规范中：弱膨胀土自由膨胀率为 4 0 一6 5 ，中膨胀土自由膨胀率值为6 5 一9 0 。 ( 2 ) 混合料掺加4 水泥，改性1 d 后自由膨胀率 值降低到3 5 左右，后期随水泥作用龄期的增加， 自由膨胀率均稳定在3 0 3 5 范围内，均降低至 非膨胀土界限以下，第5 天时，自由膨胀率出现较大 程度降低，为2 8 。 ( 3 ) 中膨胀土料掺加6 水泥，改性2d 后，自 由膨胀率仍在4 0 以上，有个别样品值在4 0 以下。 中膨胀土料水泥作用2d ，不能改性为非膨胀土要求。 3d 以后自由膨胀率值均减小至4 0 以下，4 d 后基本 稳定在3 4 左右。 在上述试验的基础上，确定了中等及弱偏中膨 胀土渠段膨胀土改性工艺。即弱膨胀土料源掺水泥 3 5 ，中等膨胀土料源掺水泥6 8 。由于 黄定强，等引江济汉工程膨胀土处理研究与实践 工程区膨胀土在垂上呈层状分布，施工开挖时弱、 中膨胀土难于分离，在膨胀土进行改性时采用的料 源多为混合土( 弱、中膨胀土混合料) ，因此根据中 等膨胀土在边坡的出露厚度比确定水泥的掺量。若 混合土中中等膨胀土所占比例不超过2 0 ，水泥掺 量为4 ；若混合土中中等膨胀土所占比例为2 0 一5 0 ，水泥掺量为6 ；若中等膨胀土比例超过 5 0 ，原则上不允许利用，在局段中等膨胀土含量 较多的地段，经研究后可考虑用在过水断面以上的 次要部位。 由于膨胀土的胀缩变形与强度变化主要受土体含 水量变化的影响，因此针对不同渠段，制定了相应的 换填处理措施，具体如下： ( 1 ) 全挖方渠道。最高水位以下渠坡用水泥改性 土换土2 0m ；最高水位以上草皮护坡的部位为防止 雨水等造成膨胀土经常性脱坡，用水泥改性土换土 1 0m ；为防止渠顶雨水渗入，排水沟以内渠顶以下 换土lm 。典型处理断面如图1 所示。 ( 2 ) 半挖半填渠道。对原地面以下渠坡全部置 换，用水泥改性土换土2 0m 。典型处理断面如图2 所示。 ( 3 ) 弱偏中膨胀土渠道。渠坡用水泥改性土换土 厚1 0m ，为防止渠顶雨水渗入，排水沟以内渠顶以 下换土1 0m 。典型处理断面如图3 所示。另外，中 膨胀土、弱偏中膨胀土的渠段当一级平台以上开挖边 坡大于3m 时，一级平台以上设C 2 0 混凝土连拱支 护，间距2 3m ，高3 4m 。膨胀土渠段换基后， 混凝土护坡和护底全部设计为透水式。 ( 4 ) 特殊情况下的弱膨胀土渠段。在引江济汉工 1 n n 一 - H 。鱼州 坐旦L 一1 旦 栏杆 保护围栏 图1中等膨胀土全挖方段换填处理典型断面( 高程单f 扛：I l l ；J t 寸单位：n l n l ) 黄定强，等g l 江济汉工程膨胀土处理研究与实践 图2中等膨胀土半挖半填段换填处理典型断面( 高程单位：m ；尺寸单位：n u ) H -1 Q1 L 盟Q 吐4 L 塑 栏杆保护闻栏 图3 弱偏中膨胀土换填处理典型断面( 高程单位：m ；尺寸单位：m m ) 程中，绝大多数渠段坡脚及渠道底部均分布中等膨胀 土，但根据厚度I 3 法则被判定为弱膨胀土的渠段， 可不进行工程处理。由于坡脚及近坡脚渠底为应力集 中区，在施工期受大气影响强烈，特别是在目前的施 工过程中，受施工方法、天气的影响，部分基坑存在 泡水现象，坡脚膨胀土可能产生变形破坏。针对这种 情况，对坡脚、近坡脚部位的中等膨胀土进行局部换 填处理，并形成抗力体，阻止坡体变形破坏。换填土 为水泥改性土，底部换填深度为1 5 m 。局部换填处 理方式如图4 所示。 5 结论与建议 ( 1 ) 通过开展试验研究，在借鉴其他工程成果的 基础上，制定了一套科学、合理，符合工程区工程地 质特点的膨胀土判别与分类方法，根据膨胀土的膨胀 潜势和膨胀土在垂向与水平方向的分布特点，对渠道 渠顶 L - 皇Q 图4 局部换填处理示意( 单位：n 1 ) 进行了划分，并制定了相应的工程处理措施。在其他 类似工程中一般采用非膨胀土换填，但在本工程中由 于施工地区没有换土条件，因此采用了掺水泥进行改 性的方法。这些处理措施既保证了工程的安全性，又 节约了成本，取得了良好的经济与社会效益。 ( 下转第3 I 页) 水利水电技术第4 7 卷2 0 1 6 年第7 期 一2 0 一6 0M P a ，平均压应力一3 5M P a 左右。 ( 4 ) 直线锚索预应力损失系数从0 9 降低至0 8 ，梁 和底板边缘压应力有所降低，导致个别点的预压效 果有所减弱，但整体拉压趋势并未改变，跨中控制 点3 的受力还略有改善。 综上所述，在预应力作用下，端头内壁主要受 压，除靠近约束区小范围应力集中外，断面其余部 位最大压应力小于主压应力控制要求；跨中内壁个 别点在温升工况应力达1 1 3M P a ，小于控制应力要 求，其余各工况内壁即使出现拉应力，其量值也普 遍小于0 2M P a ；中部截面法向应力均为压应力， 也小于混凝土边缘预压应力盯。；底板内壁受压、 外壁受拉，受力较为均匀，边墙内外侧均为压应 力，受力中心略偏向内侧。因此，从整体来看，槽 身拉压应力合适，受力较为均匀，应力得到有效控 制，槽身结构和按表2 设置的预应力锚索和螺纹筋 匹配合理。 5 3 2 位移分析 各工况下的最大垂直位移为施工工况，其值为 一2 9m m ，垂直向下，其中空槽在预应力作用下， 产生0 8 1 1m m 向上位移，其余工况位移均向下， 除施工工况外，其余工况下槽底位移稍大于顶部位移 0 1 0 3m m 。 有风情况下，水平位移均指向背风侧，数值小于 1 0m m ，且迎风侧数值稍大；无风时，水平位移对 称作用，均指向槽内，大小0 2m m 左右。 由此可见，在预应力作用下，结构刚度得以加 强，垂直和水平位移均较小，垂直位移产生的挠度 小于规范要求。直线锚索的预应力损失系数从0 9 降低至0 8 ，最大垂直位移增加0 2 0 4m m ，位 移整体变化趋势保持不变，对整体挠度控制影响较 小。 黄桂林，等鄂北地区水资源配置工程大跨度预应力渡槽三维有限元分析 6 结论和建议 6 1 结论 ( 1 ) 对于U 形渡槽在2 5 0 0m 、3 0 0 0m 和4 0 0 0 m 各跨度，在布筋方式相同、适当调整壁厚和预应力 筋布置的情况下，均可满足强度和抗裂要求，挠度 小于规范限值要求。从应力发挥程度、施工难易程 度和槽身与槽墩工程量最小等因素综合来看，采用 3 0 0 0m 跨较为合理。 ( 2 ) 矩形带肋槽正截面上，槽身内壁除倒角附近 个别点外，其余各点基本满足受压的条件，法向应力 小于混凝土边缘的预压应力；斜截面上内壁虽然较多 的点出现拉应力，但数值均不高，且第三主应力也小 于混凝土抗压强度控制要