膨胀土在水利施工中的问题及处理

膨胀土在水利施工中的问题及处理摘要：膨胀土（岩）的特殊物理特性决定了膨胀土（岩）的施工技术难度较大，其处理必然会消耗大量的财力和物力资源。在枝江市胡家畈-梅冲水库应急引水工程项目实施过程中，建设单位积极探索膨胀土施工方法，针对出现的问题，及时采取相应的处理措施，膨胀土的施工技术已基本解决，但影响因素依然存在。为了保证工程的安全性和耐久性，膨胀土的快速处理需要继续探索总结经验。关键词：膨胀土；施工；胡家畈-梅冲水库1项目基本情况胡家畈-梅冲水库连通应急引水工程主要包括现有引水渠道系统的整治改造和提水泵站系统的新建配套两部分。其中现有引水渠道整治改造总长7.251km，包括胡家畈水库西干渠桩号0+200〜1+061（0.861km）和泉河三支渠桩号0+000〜6+390（6.39km）；提水泵站系统包括新建泵房、节制闸和1.99km长地埋式输水管道。根据钻探揭露，工程区主要地层分为3层：素填土（Q4ml）:岩性主要为粘土，黄色或黄褐色，含铁锰质氧化物及高岭土，呈硬塑或可塑状态，表层含植物根系，局部夹碎石，厚度0.80〜2.60m。主要分布于泉河三支渠和胡家畈水库西干渠右岸。该土具膨胀性。粘土（Q2al+pl）:黄色、黄褐色或灰白色，冲洪积形成，含铁锰质氧化物及高岭土，局部高岭土相对集中，呈坚硬或硬塑状态，表层含植物根系，揭露厚度1.70〜7.20m。该土层在工程区分布广泛，所有钻孔均有揭露。该土多具膨胀性，局部地面可见0.5〜2cm宽的裂缝。粉质粘土（Q2al+pl）:灰白色和黄褐色以及冲洪积形成，含铁锰质氧化物及高岭土，局部高岭土相对集中，呈坚硬或硬塑状态，底部局部夹强风化红色砂岩碎块，揭露厚度1.20〜4.90米。钻孔ZK1，ZK5，ZK10〜ZK18均有揭露。2膨胀土处理方法分析工程区广泛分布第四系上更新统残坡积粘土（Q3edl），该粘土属膨胀土（渠坡填土与其土质相同），具弱〜中等膨胀性。膨胀土问题是本工程的主要工程地质问题，由膨胀土组成的渠坡容易出现渠道衬砌破坏和滑坡。由于膨胀土坡的破坏主要发生在雨季，主要发生在浅层滑坡，膨胀土处理的关键是防止雨水或地表水的渗透，减少雨水或地表水的渗透。具体有以下几种方法进行对比。2.1湿度控制法湿度控制方法是控制膨胀土含水量变化的基础，在不受蒸发和降雨入渗影响的基础上保持含水量，从而抑制膨胀和收缩变形。目前，更成功的保湿方法有预浸法，暗沟保湿法和完全闭合法。2.2垫层法垫层法的施工过程与更换方法基本相同。主要用于薄膨胀土层，主膨胀收缩变形层不厚。较厚的膨胀土层的基础可以部分挖掘。可设置缓冲垫和砾石垫，以抑制膨胀土上升和下降变形造成的损坏。主要功能是减少地基的膨胀收缩变形，调节膨胀土地基的沉降。此外，该砂层还可以防止地下水上升的毛细管作用，这样不受扩张影响的基础。2.3换土法换土方法是去除全部或部分膨胀土，更换非膨胀土、沙、砾石土或石灰土，以消除或减少地基的膨胀和收缩变形。其实质是避免膨胀土的恶劣工程特性，从源头上改善基础。它是一种简单有效的膨胀土地基处理方法。换土法施工技术简单。基础下的膨胀土壤是手工或机械挖掘，分层和非膨胀土壤分层和卷起。土壤置换效应与含水量和干重以及土块大小还有土层厚度和压实土质量密切相关。土壤置换质量符合各种技术指标的要求，可以从根本上采取排水等辅助措施。2.4压实控制法压实控制方法的本质是利用膨胀土的强度和膨胀，收缩特性随含水率，干密度和荷载应力水平的变化规律，并通过机械方法将膨胀土压实到理想状态，使压实膨胀土的强度指标达到最大值。在确定国内外膨胀土压实标准时，考虑到初始强度，长期强度，强度衰减，膨胀和收缩变形，施工工艺等因素的变化特征，认为只有选择合理的含水量即可。和干密度指数，可以压实膨胀土壤兼顾高强度和低膨胀和收缩。最新研究结果表明，采用压实含水量控制原理略大于最佳含水量，略低于塑性极限和干密度略小于最大干密度，压实度不仅可以获得更高的压实度和初始强度，但也获得较低的膨胀和收缩，更好的渗透性和较低的可压缩性。因此，科学控制压实含水量和压实或压实是采用压实控制方法处理软膨胀土的关键。通过上述方法的比较，一方面，考虑到目前项目区内没有非膨胀土源，若采用砂石换填，砂石垫层所需的砂石需要从枝江安福寺镇玛瑙河砂场购买，运输距离长，成本高；另一方面，更换水泥改性土壤比更换砂垫更有利。采用工程现场挖掘材料，减少采砂，对推进工程顺利进行，保护环境具有重要意义。根据南水北调中线膨胀土的处理方法，该项目决定采用水泥改良土壤替代法处理膨胀土。水泥改性土中水泥含量为3%~8%，水泥标签为42.5%#普通硅酸盐水泥。改良土壤含水量应比最佳含水量高1%~3%。该项目应控制在26.5%~28.5%，最大干密度〉1.65kg/m3。同时，应做好坡面和坡顶防水工程，防止水渗入土层。施工期间，应严格控制施工质量，边坡应在开挖或更换后及时排列，施工缝应采用止水处理，雨天应停止施工。3膨胀土在实际施工中的问题及解决方案3.1以胡家畈西干渠(0+200〜1+061)为例3.1.1工程现状与主要问题：胡家畈西干渠为本输水工程第一段渠道，渠道全长0.861km。该段渠道位于丘陵地带，主要地质条件为膨胀土，部分段渠道基本是依山而建，为半挖半填渠道，填土为杂填土、碎石土。工程主要存在问题是由于膨胀土的胀缩变形，造成渠坡土体裂隙发育，产生裂隙性渗漏；二是渠坡不规则、渠道淤积严重。主要是由于水流冲刷，造成渠坡土体滑塌所致。3.1.2整治方案桩号0+200〜0+350段为土渠，右岸采用C20混凝土重力式挡墙护砌，挡墙背后采用4%水泥改性土回填，左岸及渠底均采用C15砼护砌，设计渠底宽2.5m，边坡1：1.5。渠底采用10cm厚C15砼现浇衬砌，下铺5cm砂石垫层，护坡与渠底下方换填30cm后4%水泥改性土。桩号0+350〜0+950段为土渠，部分淤积不成渠，该段疏挖、渠坡整形后采用10cm厚C15砼衬砌，下铺5cm砂石垫层，设计渠底宽2m，边坡1：1.5。护坡与渠底下方换填30cm后4%水泥改性土。桩号0+950〜1+061，对渠底进行清淤，两岸采用30cm厚C20钢筋砼梯形槽设计断面，设计渠底宽2.5m；坡比1：0.8，梯形槽背后填土采用6%水泥改性土换填。整治后的水面线根据整治后的断面，采用明渠均匀流公式，推算设计水位，从而确定衬砌高及渠堤高。3.2以泉河三支渠(0+000〜6+390)为例3.2.1工程现状与主要问题泉河三支渠为本输水工程第二段渠道，渠道全长6.39km，桩号0+000〜6+390。该段渠道位于丘陵地带，主要地质条件为膨胀土，其中1+000〜3+900部分为中等膨胀性土，其余部分为弱膨胀土，部分段渠道基本是依山而建，为半挖半填渠道，填土为杂填土、碎石土。工程主要存在问题是由于膨胀土的胀缩变形，造成渠坡土体裂隙发育，产生裂隙性渗漏；二是渠坡不规则、渠道淤积严重。主要是由于水流冲刷，造成渠坡土体滑塌所致。现状渠道断面形态较好，渠底宽2〜3m，坡比1：1.0〜1：1.5,局部位置有较陡边坡。3.2.2整治方案桩号0+100〜6+390段为土渠，渠道整治设计方案与胡家畈西干渠设计方案相同，在1+000〜3+900桩号位置为中等膨胀土，在此部位水泥改性土换填采用45cm厚6%水泥改性土换填。3.3以泵站节制闸、前池和泵房等建筑物为例3.3.1工程现状与主要问题泵站节制闸、前池和泵房位于泉河三支渠，桩号6+150附近。工程区属低丘、垄岗地貌形态，地形坡度较平缓，地面高程多在109.0〜114.0m之间。工程区广泛分布第四系中更新统冲洪积粘土和粉质粘土(Q2al+pl)，基岩埋深较大。节制闸、前池和泵房基础地基为②层中更新统冲洪积粘土。3.3.2整治方案节制闸和泵房采用条形基础或者筏板基础，前池采用筏板基础，且地基承载力要满足要求。②层中更新统冲洪积粘土属膨胀土，具弱〜中等膨胀性，泵房等建筑物地基进行一定厚度换填处理，且基础埋置深度不得小于1m，地基采用就地开挖的膨胀土掺水泥改性后进行换填处理，改性土水泥掺量6%~8%，水泥标号为42.5#普通硅酸盐水泥，改性土含水量高于最优含水量1%~3%，本