南水北調中線干線磁縣段膨脹土施工及滑坡技術處理

邵玉恩

膨脹土處理是水利工程施工中的一項難題，在南水北調中線干線工程施工中，磁縣段分布有大量的膨脹土，為渠道工程的安全帶來極大隱患。在工程施工中，通過換填、加厚襯砌、加強防滲等措施解決了膨脹土施工的難題。南水北調中線工程自2014年10月通水以來，一直保持著安全穩定的運行。此文對南水北調中線干線磁縣段膨脹土施工技術，以及膨脹土渠段在施工過程中發生滑坡的成因分析及處理措施進行了總結和回顧，對其他水利工程設計和施工中類似問題的技術處理具有重要參考意義。

1.膨脹土施工技術概述

1.1 基本情況

南水北調中線干線磁縣段工程以冀豫交界處的漳河北為起點（樁號為0＋000），至磁縣與邯鄲縣交界的河北村為終點（樁號為40+056），工程全長40.056km。渠道為梯形斷面型式，設計流量235m3/s，加大流量265m3/s，受地形起伏變化影響，分為全挖、全填、半挖半填3 種型式。

磁縣段工程地質巖性多變，比較復雜。渠線分布膨脹性巖（土）總長13.579km，其中強膨脹土4.371km，中膨脹2.36km，弱膨脹6.848km。

膨脹土是土中黏粒成分主要由親水性礦物組成、同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土，性質極不穩定。常使建筑物產生不均勻的豎向或水平的脹縮變形，造成位移、開裂、傾斜甚至破壞，危害性很大。

1.2 存在問題

在初步設計階段，對膨脹土渠段地基采用以放坡和換填黏性土措施為主的處理措施。按照膨脹土強弱性質，一級馬道以下強、中膨脹土換填厚度分別為2.5、2.0m；一級馬道以下渠坡、渠底混凝土襯砌板厚度分別為10cm、8cm。

2010年汛期，在南水北調中線干線工程施工過程中，安陽膨脹巖渠段已經進行換填處理的渠坡出現了失穩滑坡現象，為減小運行風險，提高安全度，2010年 10月和 12月，南水北調中線干線工程建設管理局2 次在北京組織召開會議，專題研究膨脹土渠段處理方案優化工作，并下發了會議紀要。國務院南水北調工程建設委員會辦公室要求對原設計方案進行優化修改，尤其是加強一級馬道以下過水斷面渠坡的設計安全度。

1.3 技術措施

基于以上情況，對初步設計方案進行了變更。主要內容為：增加換填厚度。地下水位在渠底以上的強膨脹及挖深大于15m 的中膨脹土渠段換填厚度分別增加到3.5m 和2.5m。弱膨脹土換填厚度1.0m。將渠坡渠底混凝土襯砌板厚度增加到15cm。過水斷面以上的渠坡，換填土表層采用六邊混凝土框格防護。為避免匯入一級馬道排水溝的坡面水滲入膨脹土體內，在弱膨脹土渠段一級馬道排水溝下鋪設復合土工膜。2011年8月，國務院南水北調工程建設委員會辦公室對設計方案變更進行了批復。

同時，由于設計方案的變更，膨脹土換填所需土料大量增加，因為符合要求的土料較少，征地又非常困難。為了有效地利用渠道開挖弱膨脹土，采用弱膨脹土摻加水泥改性的方法。通過室內和現場試驗，確定水泥改性土水泥摻量4%，填筑壓實度為98%的方案。該方案經過水利部水利水電規劃設計總院審查通過。在施工過程中，通過對改性膨脹土的料源、水泥摻量、拌合均勻度、土料含水量、粒徑、換填面處理、填筑工藝等進行嚴格控制。各項指標均能滿足設計要求，通過安全監測設備觀測的變形量，均在合理變化范圍內。磁縣段共利用水泥改性土約90 萬m3，有效解決了換填土料料源不足的問題。

2.施工中膨脹土渠段滑坡技術處理

磁縣段膨脹土渠坡在施工期間共發生3 處滑坡，分別位于樁號12+880～13+340 渠段、樁號 28+015～28+039 左坡以及樁號31+150～31+395 右坡，由于滑坡成因機理不同，分別采取不同的處理措施。

檢測膨脹土壓實度 邵玉恩攝

2.1 樁 號 12+880～13+340 渠 段 滑坡處理

樁號12+880～13+340 渠段為弱膨脹土段，挖方斷面。左側挖深約18m，右側挖深11m 左右，過水斷面設計邊坡1∶2.0，一級馬道以上邊坡為 1∶2.25，二級馬道以上邊坡為1∶2.0，膨脹土渠坡處理采取換填措施，換填黏性土厚度為1.0m?；虑皹短?2+880～13+000 開挖至渠底高程，樁號13+000～13+340開挖至一級馬道以下2m 左右。

2012年 8月1日日 ，由 于 連 續 降雨，該段左、右坡在出現滑坡，其中左坡兩處較為嚴重，有明顯的原生結構面，滑面呈蠟狀光澤，右坡坡面出現蠕滑，坡面分布有縱向裂縫。

為了查明滑裂面的位置及滑坡成因，在左、右渠坡開挖橫向探槽1 條，依據左、右側滑坡特征，分別對滑坡采取不同的處理措施。左側渠坡坡高較大，且具有明顯的原生結構面，采取抗滑樁+換土方案進行滑坡處理，并對開口線外側永久占地范圍內的泥礫土采取黏性土換填防滲處理。左坡共布置抗滑樁 92 根，樁長為 13m 和 15m，右側渠坡坡高較小，為淺層蠕滑，采取換土方案。渠坡換填土厚度2.5m，渠底換填土厚度1.0m。換填層底部按照渠基排水要求布設排水盲溝和軟式透水管。

為了監測滑坡處理效果，在抗滑樁內埋設測斜管2 支，增加抗滑樁位移變形測點5 個，經過長期觀測，變形量均在合理范圍內，處理效果良好。

膨脹土換填施工現場 邵玉恩攝

2.2 樁 號 28+015～28+039 左 坡 滑坡處理

樁號 28+015～28+039 渠段，為弱膨脹土渠段，挖方斷面。挖深約22m 左右，一級馬道以下設計邊坡1∶2.75，一級馬道以上至地面設計邊坡分別為1：2.25、1∶2、1∶1.75。膨脹渠坡處理采取換填措施，換填黏性土厚度為1.0m。

2013年3月初，該渠段左坡出現滑塌，長度約20m，并順坡向延伸至一級馬道以上位置。針對滑坡發展情況，對滑坡體進行現場勘察，開挖探槽1 條，基本探明滑裂面的深度、范圍和滑坡原因。由于地層結構為上部泥礫，中部砂夾砂巖，下部膨脹性黏土巖的3 層結構。砂夾砂巖及膨脹性黏土巖自北西向南東傾斜，且砂夾砂巖為含水層，坡腳局部膨脹土裂隙較為發育，地下水自含水層內沿巖層分界面向外流動，形成溢出通道，浸濕黏土巖表面，流入黏土巖裂隙內。由于水的作用，表層膨脹性黏土巖反復脹縮，土體結構發生破壞，且渠道表層土體接近飽和，強度降低，表層松軟飽和的土體沿節理裂隙面發生滑動形成滑坡。

根據該滑坡體的失穩特征和滑坡成因，經分析研究，采取清除滑坡體、抗滑擋墻與支撐滲溝相結合等措施對滑塌部位進行處理?？够瑩鯄Σ捎寐袷炷?，滑坡于2013年6月處理完成后，渠段穩定性良好。

2.3 樁 號 31+150～31+395 右 坡 滑坡處理

樁號 31+150～31+395 渠段，為中膨脹土渠段，挖方斷面。右坡平均挖深約11m 左右，最大挖深13.5m，最小挖深9.5m，一級馬道以下設計邊坡1∶2.75，一級馬道以上設計邊坡1：2.5。膨脹土渠坡處理采取換填措施，換填黏性土厚度為2.0m。

2011年汛后，發現該段右坡坡面出現了2 條貫通性裂縫，前緣向前鼓起，有進一步發展的趨勢。第1 條裂縫位于一級馬道位置，局部在一級馬道以上。第2 條裂縫位于過水斷面渠坡的中上部，距一級馬道坡面長約10m，2 條主裂縫兩側形成多條分支裂縫，局部坡面存在滲水出逸點。經分析滑坡的主要原因在于開挖坡面由于長時間暴露于大氣中，土巖體原生裂隙失水開裂，逐漸形成貫通性裂隙，透水能力顯著增加，由于降水和坡面水流入滲，使土巖體產生膨脹變形，如此反復，導致土體強度降低，土體沿滑動面下滑，向前鼓起，同時帶動后部土體向下滑動，產生張拉裂縫。導致渠道右側邊坡滑坡失穩。

根據該滑坡體的失穩特征和滑坡原因分析，經分析研究，采取清除滑坡體，換填黏性土處理措施。換填厚度6m，滑坡于2012年9月換填施工完成后，渠段穩定性良好。

3.結語

南水北調工程作為世界上最大的調水工程，在工程設計和施工中遇到的難題是前所未有的。目前，中線總干渠通水已超過5年，工程運行狀態保持穩定，膨脹土渠段的技術處理措施得到了很好的驗證。這些技術措施將為其它水利工程的設計和施工起到技術引領和示范帶頭作用，具有極其重要的借鑒意義。