南水北调中线膨胀土（岩）渠道边坡处理方案的研究

10.6.4.1　缘由

南水北调中线工程总干渠全长1276.4km，渠首处渠道设计流量为350m3/s，过黄河处为265m3/s，北京、天津渠道设计流量为50m3/s。在渠道线路上存在的主要工程问题之一是膨胀土问题。据统计，渠坡或渠底分布有膨胀岩/膨胀土的渠段共有186段，共331.9km，主要分布于陶岔—北汝河、辉县—新乡、洪河南、邯郸、邢台、北汝河—潮河一带，南土旺—洪河、石家庄、高邑等地也有零星分布。它们主要为Q1～Q2的黏性土及上第三纪河湖相黏土岩、泥灰岩。

在总干渠全线上，膨胀土（岩）渠段累计为386.8km，其中膨胀土段为279.7km，膨胀岩渠段169.7km。膨胀土中具有强、中等、弱的膨胀潜势的渠段分别长为18.5km、142.1km、171.8km。渠道通过膨胀土分布区为挖方段，挖方深度一般为8～21m，最高达49m。这些膨胀土将会对边坡稳定造成严重的危害，是中线工程中重大关键技术问题之一。

为了解决这个难题，有关方面选定南阳膨胀土渠段和潞王坟渠段分别作为膨胀土和膨胀岩的现场试验（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，2005），以作为选定膨胀土（岩）处治方案的主要依据，目前现场试验已大规模展开，与现场试验相配合，许多精细的室内研究和特定的专项试验也都全面展开，其规模和深度前所未有，将对中线渠道工程的建设有重要的作用。

10.6.4.2　膨胀土（岩）渠坡处治的思路

处治方案的选择必须针对膨胀土的“三性”而进行，而且要全面满足渠道工程的安全输水、稳定、变形、防冲（渠水和雨水）、环保、美化和方便管理等的要求。

解决胀缩性的根本措施是采用柔性支挡结构（加筋土体结构）；解决多裂隙性的办法是将裂隙最集中的大气影响带[南阳地区大气影响急剧层深度为1.6～2.3m（阳云华等，2007）]土层翻松，再压实，以把土层中存在的裂隙体系彻底破坏。解决超固结性的思路是支挡不宜太强，以便土体有一定程度的膨胀变形，释放潜存的势能。但抑制膨胀变形的措施仍然必要。因此，柔性支护是适当的措施。同时，边缘土层的翻松也会使超固结性消失。为了使整个膨胀土体稳定和不产生干湿循环（反复胀缩），应采取防渗保湿措施，限制土体含水量的波动。在坡面和坡顶采取防雨水冲刷和截断径流的措施也是必不可少的。此外坡面应植草以增加美观，并可起防雨冲刷的作用。在土坡的底部和防渗膜的背后，设置适当的排水层，以及时排走进入土层内的少量水分、降低超孔隙水压力。

边坡的坡度应满足静力稳定的要求，这与一般土坡的情况相似，但膨胀土边坡主要是解决浅层的渐进性的坍滑，这不是一般放缓边坡或顶部卸载减荷可以解决的。道路边坡上常用的砌石拱或混凝土护坡对边坡稳定会产生有益的影响。

10.6.4.3　膨胀土/膨胀岩处治的可能方案(www.xing528.com)

（1）柔性支挡结构。采用土工材料对已翻松的表层2.0m左右的膨胀土进行加筋或包裹，形成加筋土挡墙。它一方面破坏了大气强烈影响带内土的原有结构，同时限制膨胀土的胀缩变形。此外，对加筋挡墙以下的原状膨胀土也起到压重的作用。由于加筋挡墙具有一定柔性，因此有助于膨胀势能的释放。这种柔性挡墙的大部分采用土工合成材料加筋，其具体方案有3种：①土工格栅加筋土挡墙（图10.15）；②土工袋加筋土挡墙（图10.16）；③土工布加筋土挡墙或纤维土挡墙。

上述3种方案在技术上都是可以成立的，室内研究表明，在加筋土范围内，膨胀变形的问题基本上已经解决。但从其他方面比较，方案①比较成熟，在道路工程中已积累了相当的经验，施工也比较方便，其效果十分显著。方案②在某些国外（日本）的小型工程中已有一些实践，但大型的边坡工程尚属少见，同时，施工比较复杂，土袋装土、封口、搬运中有许多人工的活，进度较慢。此外，护面工程及植草等也较麻烦。总之，这种方法尚需在现场试验中观察、实践、验证。土工布作为筋材宜采用强力有纺织物，并注意其拉伸强度能否满足要求。纤维土挡墙虽有优点，但在国内尚无工程实践，施工中的主要问题是如何保证纤维在土中掺和均匀。如果纤维掺和工艺能解决，那么这种方法的施工是比较简便的，但这尚待验证。

图10.15　中膨胀土渠坡处理方案断面图

图10.16　中膨胀土渠坡处理方案断面图

（2）防排体系。防渗体系十分重要，它主要设置在边坡的坡面和坡顶部位，它也可起到土体保湿防止水分蒸发的作用。所采用的材料为土工膜或复合土工膜。土工膜本身的防渗性能极佳，但幅与幅之间的接缝是一个薄弱环节，它决定了防渗的效果。接缝的方式以焊接法（双道焊）为好。PVC和PP等材料都有良好的可焊性。为了焊接的需要，膜厚宜在1.0mm左右。

膜后应设一排水层，以及时检测膜的局部渗漏情况和排除渗漏的水。若为了方便采用一布一膜的复合土工膜，则布应在膜下，而且应有一定厚度，以便导水。而膜上一般应覆盖保护层，以防日晒和机械破损。但也有人认为，土工膜若在水下（如渠道输水断面），则膜可不必覆盖，因为土工膜具有良好的抗冲性能，同时，它的糙率很低，可以比混凝土衬砌护面增加输水量达30%（或减小水头损失）（Sembenelli，2007）。

（3）护坡系统。护坡系统包括护面和植皮等，其作用是在水上坡面中防止雨水冲刷，植草绿化，也可起一些稳定边坡的作用（表层土体）。所用的土工合成材料主要有三维（植被）土工网垫和土工格室，其具体结构在前面几章均有述及。三维土工网垫造价较低，而土工格室则比较简便快捷，且加固作用较强，但价格较高。两者都需在实践中进一步积累经验。