4 董忠萍-引江济汉工程渠道膨胀土分类及工程处理

1、引江济汉工程渠道膨胀土分类及工程处理湖北省水利水电规划勘测设计院2012年3月 河北邯郸 汇 报 目 录1引 言2渠道膨胀土分类3渠坡膨胀土垂直分带性4膨胀土渠坡的工程处理措施5结 语工程地理位置示意图1 引 言 引江济汉工程渠线中段属长江、汉江的二级阶地，堆积物为Q3老粘土，为膨胀土分布区。膨胀土问题是引江济汉工程的关键技术问题之一，正确地认识与评价工程区膨胀土的工程特性、制定切合实际的膨胀土的分类方法，从而指导工程施工，并根据不同膨胀潜势膨胀土在渠道的分布特征，确定相应的工程处理措施。 随着施工开挖的进行，在地质素描的基础上，结合大量的试验资料及前期勘察阶段关于膨胀土的分类标准，进一步修正

2、、完善膨胀土的分类方法。同时根据膨胀土的表观特征，制定一套野外快速判别方法，以适应现场施工的需要。2 渠道膨胀土分类 膨胀土分类包括依据试验指标对单个膨胀土样本进行膨胀潜势等级分类和依据多个膨胀土样本的膨胀性等级对土体进行膨胀潜势分类。 对单个膨胀土样本进行膨胀潜势等级分类，首先选取分类指标。根据引江济汉工程大量的膨胀土试验指标及统计成果，在对各项指标进行综合分析后，选取自由膨胀率、塑性指数作为膨胀潜势判别的指标，其中自由膨胀率为主判指标，塑性指数为参考指标。如表1。2.1 膨胀土的分类原则2 渠道膨胀土分类 膨胀土的膨胀性在空间上分布具有不均一性，同一地段，同一层土体中由于土层结构、粘土矿物

3、的含量、包含物的差异及裂隙发育不均等因素，土体的膨胀潜势等级都可能不一样。鉴于此，从工程安全角度出发，结合南水北调中线河南段的试验成果，对膨胀土体膨胀潜势分类按照样本数的1/3来划分，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33%，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等级由强至弱优先定级。2.1 膨胀土的分类原则2 渠道膨胀土分类表1 膨胀土的膨胀等级分类标准Chart.1 Classification Standards of Expending Potential Trends of Expansion Soil指标名标膨胀性等级弱中强塑

4、性指数Ip15 ， 23）23 ，30）30自由膨胀率ef（%）40 ， 65）65 ，90）902 渠道膨胀土分类2.2膨胀土等级野外快速判别2.2.2 地下水特征 地下水类型主要为上层滞水，分布于土体裂隙中，无统一水位，其动态变化受大气降水控制，随季节变化明显，水量贫乏。 2.2.1 表观特征 引江济汉工程膨胀土成因类型为河流相冲积、冲洪积堆积，岩性主要为灰白色、灰绿色、灰黄色、黄褐色、棕黄色粘性土，呈硬塑-坚硬状态，裂隙较发育，裂面上充填灰白、灰绿色粘土。土体中含铁锰质结核、团块及斑点，结核大小一般为0.1-0.5cm，呈豆状，不同地段，铁锰质结核含量差别较大，多为5%-15%，局部富集

5、。钙质结核少见，主要分布于中强膨胀土层中。2 渠道膨胀土分类2.2膨胀土等级野外快速判别2.2.3 膨胀土的宏观地质特征与膨胀潜势的对应关系 根据前期勘察阶段大量的试验成果，结合渠道施工开挖的断面及地质素描和编录资料，在技施阶段对不同表观地质特征的膨胀土取样进行膨胀性复核，从而探寻膨胀土的宏观地质特征与膨胀潜势的普遍对应关系。根据渠道施工开挖的断面及地质素描和编录资料，膨胀土具有明显的垂直分带性，每层土的膨胀性也各不相同。各土层的主要特征如下： 1、灰黑色、灰褐色，黄褐色、棕褐色粘土、粉质粘土，孔隙发育，含铁锰质结核，局部结核聚集成层，裂隙不发育或发育一般，地表浅部主要以灰黑色、灰褐色为主，下

6、部主要以黄褐色、棕褐色为主，根据“样本1/3法则”判定为弱膨胀性土。 2、黄色、棕色及杂色粘土、粉质粘土，裂隙发育，裂隙面平直、延伸较长，裂隙面充填灰白色、灰绿色粘土，含铁锰质结核，局部含钙质结核，在垂直剖面上分布一层或数层，根据“样本1/3法则”判定为中等膨胀性土。 3、棕黄色、红色、灰白色、灰绿色粘土、粉质粘土，长大裂隙发育，裂隙中充填较多灰白色、灰绿色粘土，此层总体分布呈透镜状或团块状，但分布长度和厚度均很小，根据“样本1/3法则”判定为强膨胀性土。2 渠道膨胀土分类2.2.4 膨胀土等级快速判别 表2 膨胀土野外快速判别标准 Chart.2 Fast Judging Standards

7、 of Expansion Soil in the Field地层时代及岩性工程区膨胀土均为第四系上更新统（Q3）粘土、粉质粘土地形地貌特征、成因类型地形较平坦，与现代河湖相联，受人类活动、地表水等后期改造明显。分布于长江、汉江的二级阶地岗波状平原，地势略有起伏；冲积成因，分布于长江、汉江的二级阶地岗波状平原、垅岗状平原，冲积、冲洪积成因，分布于长江、汉江的二级阶地岗波状平原、垅岗状平原，冲积、冲洪积成因，分布于长江、汉江的二级阶地土体颜色，结构特征灰褐色、灰黑色、红褐色粘土、粉质粘土，含铁锰质结核，无钙质结核。灰黑色、灰褐色，黄褐色、棕褐色粘土、粉质粘土，孔隙较发育，含铁锰质结核，局部结核聚

8、集成层，地表浅部主要以灰黑色、灰褐色为主，下部主要以黄褐色、棕褐色为主，钙质结核少见。灰黄色、棕黄色夹灰白色、灰绿色粘土、粉质粘土，裂隙发育，裂隙面平直、延伸较长，隙面上充填灰白色、灰绿色粘土，铁锰质结核含量较少，含钙质结核，棕黄色、红褐色、灰白色、灰绿色粘土、粉质粘土，此层总体分布呈透镜状或团块状，钙质结核含量较多。裂隙发育特征裂隙不发育裂隙发育轻微或一般。隙面上充填灰绿色、灰白色粘土。裂隙发育较短小，长度一般小于。裂隙发育，隙面上充填灰白色、灰绿色粘土，延伸长度多为1，少数为5。裂隙强烈发育，隙面上充填灰白色粘土，裂隙密集，延伸一般较长，呈网状发育。膨胀潜势判别无膨胀弱膨胀中等膨胀强膨胀2

9、 渠道膨胀土分类2.3 渠段膨胀土等级的确定 根据渠道开挖揭露的实际情况，在地质素描和编录的基础上（素描时对各层土的膨胀性潜势判断结合表观特征和室内试验成果，按照“样本1/3”法则进行判断），提出如下的膨胀土等级确定原则：2 渠道膨胀土分类1、首先根据渠道开挖边坡上各类膨胀土的出露情况，根据“厚度1/3法则”， 按照由强到弱的优先顺序依次来确定渠段的膨胀土等级。即渠道边坡上强膨胀土的厚度超过坡高的1/3时，该渠段定为强膨胀土渠段（根据前期勘察成果和施工开挖的情况来看，工程区渠道边坡上未发现超过2m的成层强膨胀土分布，因此，本工程无强膨胀土渠段分布）；渠道边坡上中等膨胀土和强膨胀土的厚度超过坡高

10、的1/3时，该渠段定为中等膨胀土渠段；渠道边坡上强、中、弱膨胀土的总厚度超过坡高的1/3时，该渠段定为弱膨胀土渠段。2 渠道膨胀土分类2、同时，在上述原则的基础上，确定膨胀土等级时，充分考虑坡高、地下水特征、中强膨胀土在渠坡的分布部位、裂隙的分布特征和产状、运行水位高程等因素，从确保边坡稳定的安全角度出发，对渠道膨胀土等级进行调整。3、对于开挖坡高小于等于8m的渠道（渠道设计最小边坡高度为8m，若开挖边坡高度小于8m，属半挖半填渠段），若渠坡上没有强膨胀土分布，中等膨胀土厚度小于2.5m，则可以将渠道划分为弱膨胀土渠段；若渠坡上有强膨胀土分布时，其厚度大于1m，且分布于过水断面以下，则将渠道划

11、分为中等膨胀土渠段（此种情况在工程区少见或没有）。2 渠道膨胀土分类4、对于开挖坡高大于8m的渠道（全挖方渠段）若渠坡上有厚度大于1m的成层强膨胀土分布，则将渠道划为中等膨胀土渠段（此种情况在工程区少见或没有）；其他情况按表3进行判别。表3 渠道膨胀土等级划分表（开挖坡高大于8m）Chart.3 Division of the Level of Expansion Soil on the Cannel (The Altitude of Digging Slop is More Than 8m)3 渠坡膨胀土垂直分带性 根据渠道施工开挖的情况来看，膨胀土具有明显的垂直分带性，每层土的膨胀性也不尽

12、相同。在多数渠段，渠坡上弱、中膨胀土相间成层分布。总的看来，边坡土层结构主要分为三种（如图1）： 第一种：边坡土层从上至下分为4层，呈弱-中-弱-中成层分布，渠底为中等膨胀土。此种结构多分布在挖方渠段。 第二种：边坡土层从上至下分为2层，呈弱-中成层分布，渠底为中等膨胀土。此种结构在半挖半填渠段较为典型。 第三种：边坡土层总体较均质，成层性不明显，中等膨胀土呈团块状在边坡无规则分布。此种结构土层在工程区分布范围较小。3 渠坡膨胀土垂直分带性 膨胀土的垂直分带性3 渠坡膨胀土垂直分带性 图1 渠坡土层典型结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Typical Struct

13、ure of Soil Layer on the Cannel Slop4 膨胀土渠坡的工程处理措施 鉴于膨胀土在渠道边坡分布特点（弱、中膨胀土相间分布），弱膨胀土中裂隙发育较弱或一般，且发育规模均较小，延伸长度一般小于3m；发育在中等膨胀土中规模较大的裂隙受弱膨胀土层的阻隔，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，在工程处理中暂未考虑抗滑桩方案。 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，本工程对判定为中等及弱偏中膨胀土的渠段进行工程处理，处理方式为换土回填；弱膨胀土渠段不进行工程处理。考虑工程区无非膨胀土料源，采用就地开挖的弱（中）膨

14、胀土掺水泥改性后进行置换处理。弱膨胀土料源掺水泥3%-5%,中等膨胀土料源掺水泥6%-8%。4 膨胀土渠坡的工程处理措施（1）对全挖方渠道：最高水位以下渠坡用水泥改性土换土2m；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1m。典型处理断面见图2。 图2 中等膨胀土全挖方段换填处理典型断面图Fig.2 Typical Sectional Drawing of Replacement Treatment of Medium Expansion Soil in fully digging cannel4.1 中等膨

15、胀土渠段工程处理措施4 膨胀土渠坡的工程处理措施（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2m。典型处理断面见图3。 图3 中等膨胀土半挖半填段换填处理典型断面图Fig.3 Typical Sectional Drawing of Replacement Treatment of Medium Expansion Soil in Half Digging and half Replacement cannel4 膨胀土渠坡的工程处理措施 渠坡用水泥改性土换土厚1m，为防止渠顶雨水渗入，排水沟以内渠顶以下换土1m。典型处理断面见图4。 图4 弱偏中膨胀土换填处理典型断面图Fi

16、g.4 Typical Sectional Drawing of Replacement Treatment of Weak leaning Medium Expansion Soil4.2 弱偏中膨胀土渠段工程处理措施4 膨胀土渠坡的工程处理措施 在绝大多数渠段，渠坡膨胀土在垂向上分带明显，坡脚及渠道底部均分布中等膨胀土。据“厚度1/3法则”判定为弱膨胀土的渠段，是不进行工程处理的。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，不能完全贯彻“快速施工、及早封闭、注重防水”的原则，部分基坑存在泡水现象，坡脚膨胀土有可能产生变形破坏，从

17、而最终形成“浅层性、逐级牵引式”滑坡。 图5 局部换填处理示意图Fig.5 Schematic Diagram of Partial Replacement Treatment4.3 弱膨胀土渠段局部处理方案探讨5 结 语1、膨胀土是一种“灾害土”，对渠系等水工建筑物的危害较大。在不同的地区，膨胀土的工程特性也不相同，建立一套适合本地区特点的膨胀土分类方法尤为重要。2、通过大量的试验研究，结合工程开挖揭露的实际情况，选取自由膨胀率、塑性指数两个指标对膨胀土的膨胀潜势进行判别，比较符合江汉平原二级阶地冲积、冲洪积成因的膨胀土的特点。且这两个指标试验方便、快捷，有利于野外快速判别，指导现场施工的可操作性较强。采取“样本1/3