劉 鳴，程永輝，童 軍

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

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南水北調(diào)中線工程膨脹土邊坡處理效果及評(píng)價(jià)

劉 鳴，程永輝，童 軍

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

摘 要：為研究膨脹土邊坡在膨脹作用下的破壞形式及邊坡處理方案，針對(duì)不同工況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總結(jié)了膨脹土邊坡處理的施工技術(shù)；從邊坡變形、含水率變化2個(gè)方面，全面分析了水泥土改性、土工格柵加筋、土工膜封閉、土工袋填筑4個(gè)工況的邊坡處理效果。結(jié)果表明：水泥改性土（換填非膨脹黏性土）處理效果最好；土工格柵加筋主要存在施工工藝較為復(fù)雜的問(wèn)題；土工袋填筑存在壓實(shí)度難以控制的問(wèn)題；土工膜封閉主要由于沒(méi)有壓重處理，效果最差。最后總結(jié)并提出了膨脹土邊坡處理原則。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)工程；膨脹土；施工工藝；邊坡；變形；含水率；效果評(píng)價(jià)

1 研究背景

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目《南水北調(diào)工程若干關(guān)鍵技術(shù)研究與運(yùn)用》中，課題“膨脹土地段渠道破壞機(jī)理及處理技術(shù)研究”（編號(hào)：2006BAB04A10），通過(guò)南陽(yáng)、新鄉(xiāng)2個(gè)試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)驗(yàn)證（2008年初—2010年底）、室內(nèi)模型試驗(yàn)以及邊坡穩(wěn)定分析，將膨脹土的破壞模式歸納為2類：裂隙強(qiáng)度控制下的渠坡滑動(dòng)和膨脹作用下的渠坡滑動(dòng)［1－2］。研究認(rèn)為膨脹土裂隙可分為原生裂隙和次生裂隙：原生裂隙是由于地質(zhì)作用產(chǎn)生的裂隙；次生裂隙是土體淺表層由于干濕循環(huán)引起的裂隙。2種裂隙對(duì)于膨脹土邊坡穩(wěn)定的作用機(jī)理是不同的：當(dāng)滑動(dòng)面方向與原生裂隙面重合時(shí)，由于原生裂隙面抗剪強(qiáng)度極低，在開(kāi)挖卸荷、降雨和地層擾動(dòng)等外部因素影響下，邊坡將因抗滑力不足而失穩(wěn)，這是一種重力作用下的失穩(wěn)，也就是所謂裂隙強(qiáng)度控制下的渠坡穩(wěn)定問(wèn)題；而次生裂隙主要在地層淺表面產(chǎn)生，干濕循環(huán)破壞了土體的結(jié)構(gòu)性，使其強(qiáng)度降低的機(jī)理是土體結(jié)構(gòu)和密度變化引起，同時(shí)，次生裂隙又為雨水進(jìn)入膨脹土層提供了垂直入滲的通道，雨水在滲入過(guò)程中引起土體表層膨脹變形，導(dǎo)致渠坡淺層破壞，故此處的膨脹變形是渠坡失穩(wěn)的主要原因。

因此，如何改性膨脹土工程特性，防治膨脹土邊坡的災(zāi)害，國(guó)內(nèi)外巖土工程學(xué)者對(duì)各種處理措施進(jìn)行了較多有益的探索。按膨脹土作用機(jī)理將邊坡處理方案劃分為以下4類：含水量控制法、換填法、錨固支擋法、坡面防護(hù)措施等［3－5］。其中，錨固支擋法加固邊坡土體，提高邊坡的穩(wěn)定性，適合裂隙強(qiáng)度控制下的渠坡深層滑動(dòng)。而對(duì)于膨脹作用下的渠坡滑動(dòng)，主要采用含水量控制法和換填法。

換填法包括非膨脹黏性土換填、物理改性膨脹土換填、化學(xué)改性膨脹土換填3大類，其處理效果均能消除干濕循環(huán)對(duì)邊坡土體的影響，同時(shí)，還可以起到一定的柔性支擋作用。其中，最常用的非膨脹土換填方法，是將建筑物下一定深度范圍的膨脹土采用非膨脹土置換。但多數(shù)情況下膨脹土地區(qū)要找到合適的非膨脹土料較為困難，外運(yùn)土料必然增加工程投資，如果將工程的開(kāi)挖料加以改性利用，從經(jīng)濟(jì)角度和保護(hù)生態(tài)環(huán)境角度都是適宜的。

目前，研究較多的是采用物理改性膨脹土換填和化學(xué)改性膨脹土換填。物理改性膨脹土主要包括土工格柵加筋膨脹土［6－7］、纖維土［8－9］等；化學(xué)改性膨脹土常用的方法包括石灰改性、水泥改性、工業(yè)礦渣（粉煤灰）及其它改性材料［10－12］。這些處理措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的結(jié)果，總結(jié)評(píng)價(jià)幾種常見(jiàn)邊坡的處理方案，提出膨脹土邊坡處理原則。

2 邊坡處理方案

2．1 水泥改性

膨脹土化學(xué)改性是通過(guò)在膨脹土中摻入有機(jī)類或無(wú)機(jī)類改良劑，降低膨脹土的膨脹性［1］。目前使用較多的無(wú)機(jī)類改良劑有石灰、水泥2種，其中膨脹土水泥改性是南水北調(diào)工程中膨脹土渠坡主要處理措施之一。膨脹土水泥改性，是將水泥摻入土料中，與黏土礦物發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，減少親水凝黏土礦物的含量，并提高土顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度［2］，從而改造膨脹土工程特性。

在膨脹土水泥改性施工工藝方面，主要需解決水泥摻拌均勻性問(wèn)題，如果拌和水泥不夠均勻，必然會(huì)造成局部的灰劑量過(guò)低或過(guò)高，易導(dǎo)致改性土受大氣影響產(chǎn)生不均勻脹縮變形。目前，施工中影響水泥摻拌均勻主要有2個(gè)因素：①在膨脹土地區(qū)，開(kāi)挖料含水率常常大于塑限值，摻入水泥很容易聚集，不易拌和；②膨脹土屬高液限黏土，透水性差、土塊易板結(jié)、開(kāi)挖料存在大量超大土團(tuán)，在水泥摻拌的過(guò)程中，土團(tuán)內(nèi)部是無(wú)法摻入水泥的?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究表明：為滿足水泥摻拌均勻性，土料含水率應(yīng)不大于土料塑限值ωp；均勻性對(duì)土團(tuán)團(tuán)徑大小的要求為最大土團(tuán)≤80 mm，80～20 mm土團(tuán)≤30%，＜5 mm細(xì)土團(tuán)≥20%。

如何實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖料高含水率降低和土團(tuán)破碎，滿足水泥摻拌均勻要求，是膨脹土水泥改性施工重點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)土團(tuán)破碎試驗(yàn)，借鑒農(nóng)用機(jī)械旋耕機(jī)或鋼蓖條篩，再組合破碎機(jī)碎土，可快速降低開(kāi)挖料含水率和破碎超大土團(tuán)，鋼蓖條篩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　鋼蓖條篩結(jié)構(gòu)示意圖（鋼蓖間距10 cm×高5 m）Fig．1 Schematic of steel sieve structure（spacing and height：10 cm×5 m）

2．2 土工格柵加筋

土工格柵加筋可以抑制膨脹土邊坡膨脹變形，由于格柵的抗拉特性，當(dāng)其埋設(shè)于土中并受到平面方向的拉力時(shí)，會(huì)在格柵內(nèi)引起應(yīng)力和變形，同時(shí)由于法向荷載的作用，格柵與土的上、下界面將產(chǎn)生阻礙其變形和運(yùn)動(dòng)的摩阻力。這種筋土之間的相互作用不僅表現(xiàn)在2種介質(zhì)的界面處，而且在界面以外一定范圍內(nèi)的土體也參與了共同作用。

土工格柵加筋膨脹土施工關(guān)鍵，主要在于土工格柵反包、重復(fù)削坡等技術(shù)。格柵反包的意義在于控制側(cè)向膨脹變形，由于上一層的鋪料和碾壓過(guò)程中也會(huì)使格柵產(chǎn)生一定的松弛，因此在施工過(guò)程中必須保證格柵與坡面緊密貼附，并有一定預(yù)拉力，如圖2所示。另外，為保證格柵加筋土坡面壓實(shí)質(zhì)量，超填及重復(fù)削坡是關(guān)鍵，即在進(jìn)行上層填筑時(shí)，下層要預(yù)留削坡余量，如圖3所示。

圖2　土工格柵加筋反包詳圖Fig．2 Details of geogrid reinforcement

圖3　土工格柵加筋層填筑過(guò)程示意圖Fig．3 Schematic diagram of the process of filling geogrid reinforced layer

2．3 土工膜封閉

土工膜封閉覆蓋技術(shù)為直接含水率控制法，其原理是保證坡內(nèi)土體基本不受大氣因素影響，孔隙水壓力保持穩(wěn)定，降低了邊坡土體含水率變化幅度，土體吸力維持較高值，但其地層內(nèi)部的水分變化是需解決的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

土工膜覆蓋封閉施工中應(yīng)注意2點(diǎn)：復(fù)合土工膜的鋪設(shè)不宜過(guò)緊，不得打皺，但在整體坡面鋪設(shè)時(shí)，由于施工面積大，要避免局部隆起；土工膜的接縫處理應(yīng)滿足《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（SL／T225—98）。采用粘接法連接土工膜，縫強(qiáng)度優(yōu)于焊接法，這2種接縫方法均要求連接縫強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度的80%。對(duì)于過(guò)水?dāng)嗝?，防滲要求較高，可采用熱熔雙縫焊接，并采用充氣法對(duì)復(fù)合土工膜拼接處全部進(jìn)行密封性檢測(cè)。對(duì)非過(guò)水?dāng)嗝娣罎B要求較過(guò)水?dāng)嗝娴?，可采用無(wú)通道連接法。

2．4 土工袋填筑

土工袋裝填膨脹土，土工袋可以約束袋內(nèi)土體的膨脹變形［13］，邊坡處理層自身穩(wěn)定性也滿足要求。同時(shí)，土工袋裝填膨脹土處理層對(duì)坡體也起到壓重和柔性支護(hù)的作用，達(dá)到防止膨脹作用下的邊坡滑動(dòng)和變形的效果。

土工袋裝填膨脹土填筑施工應(yīng)注意3個(gè)問(wèn)題：①根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，裝袋充填率80%的土工袋比充填率100%的土工袋經(jīng)碾壓后更易破損，因此采用機(jī)械裝填，能控制好裝填率；②膨脹土裝袋后，土工袋具有較大的可壓縮性（碾壓時(shí)將產(chǎn)生側(cè)向變形），為滿足碾壓后的土工袋之間緊密搭接，土工袋之間間隙需控制在3～5 cm；③土工袋鋪設(shè)時(shí)長(zhǎng)邊應(yīng)垂直渠道的走向（即碾壓機(jī)械的行進(jìn)方向）。

2．5 施工工藝比較分析

水泥改性土、土工格柵加筋、土工袋填筑施工工藝比較分析及評(píng)價(jià)如下。

2．5．1 水泥改性土施工

膨脹土水泥改性土的填筑碾壓工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量易于控制，但對(duì)開(kāi)挖土料超大土團(tuán)破碎和高含水量的降低要嚴(yán)格控制，否則難以保證水泥摻和均勻性，影響改性效果。另外，水泥改性土碾壓施工完成時(shí)間不能太長(zhǎng)，否則水化反應(yīng)影響碾壓填筑效果。

2．5．2 土工格柵加筋施工

土工格柵加筋施工難點(diǎn)是層層反包方案，施工程序較復(fù)雜，效率不高，還存在超填再削坡，以及格柵保護(hù)問(wèn)題，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)看仍存在施工質(zhì)量難以控制問(wèn)題。

2．5．3 土工袋填筑施工

對(duì)土工袋填筑方案，雖然采用了裝袋機(jī)裝袋，但從裝袋、縫口、運(yùn)輸?shù)戒佋O(shè)，需要大量的人力，不便于機(jī)械化施工；土工袋填筑處理層主要問(wèn)題是壓實(shí)困難，袋與袋間隙填充質(zhì)量難保證，施工效率不高。

2．5．4 綜合評(píng)價(jià)

換填非膨脹黏性土施工最簡(jiǎn)便，不存在改性、加筋等工序；其次是水泥改性土方案，但應(yīng)控制好水泥拌和均勻和碾壓的時(shí)效性；土工格柵加筋工藝稍復(fù)雜，而土工袋機(jī)械化程度低且存在碾壓質(zhì)量控制問(wèn)題；土工膜覆蓋封閉施工對(duì)防滲要求較高，往往用于非過(guò)水?dāng)嗝妗?/p>

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果分析及效果評(píng)價(jià)

為比較各處理措施防護(hù)效果，邊坡處理后現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要有2個(gè)方面：一是邊坡工況模擬，模擬邊坡處理層和襯砌損壞、失效條件下，膨脹變形對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)影響程度；二是根據(jù)監(jiān)測(cè)所得的坡內(nèi)含水率（特別是處理層接觸面）變化幅度、變化深度［14］，判別各處理措施受大氣降雨影響的防護(hù)效果。

3．1 坡面簡(jiǎn)易防護(hù)效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)坡面簡(jiǎn)易防護(hù)措施包括水泥砂漿噴護(hù)、砌石拱＋植草、混凝土框格＋植草、植草等幾種方案。歷經(jīng)2 a運(yùn)行后，監(jiān)測(cè)坡內(nèi)含水率變化幅度均較大，以水泥砂漿噴護(hù)、砌石拱＋植草為例，含水率探頭（埋深0．5 m和1．5 m）漲落變化與大氣降雨基本同步，如圖4、圖5中的9—10號(hào)（圖中的上方方框內(nèi)部數(shù)字代表時(shí)間日歷號(hào)，其它圖類同）降雨含水率落差達(dá)7%～8%。由此可說(shuō)明，坡面簡(jiǎn)易防護(hù)措施對(duì)于防止含水率變化的效果非常有限，僅可以抵抗表層雨水沖蝕、剝落、泥流等表面破壞，長(zhǎng)期作用下，仍會(huì)出現(xiàn)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，不能作為膨脹巖渠坡的永久處理措施。圖6為運(yùn)行2 a的水泥砂漿噴護(hù)邊坡開(kāi)裂、脫落、直至滑坡現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖4　水泥砂漿噴護(hù)段含水率歷時(shí)曲線Fig．4 Variation of water content with time at test section supported by cement mortar spraying

圖5　砌石拱＋植草防護(hù)段含水率歷時(shí)曲線Fig．5 Variation of water content with time at test section protected by asonry arch and planting

圖6　一級(jí)馬道以上水泥砂漿噴護(hù)滑坡Fig．6 Cement mortar spraying support above the first berm

3．2 邊坡運(yùn)行工況模擬狀態(tài)

膨脹土邊坡處理層＋襯砌施工完成后，進(jìn)行了運(yùn)行工況（水位深7 m）模擬試驗(yàn)。運(yùn)行工況模擬采用2種形式：①正常運(yùn)行工況，即處理層＋襯砌完好；②極端運(yùn)行工況，即當(dāng)處理層＋襯砌失效條件下，分別進(jìn)行渠坡蓄水、退水，觀察邊坡變形情況。工況模擬試驗(yàn)共進(jìn)行4種處理方案，分別為土工格柵＋開(kāi)挖料回填、換填非膨脹黏性土、復(fù)合土工膜、土工袋＋開(kāi)挖料回填，除土工膜處理外，其它處理層厚度均為2 m。3．2．1 正常運(yùn)行工況模擬

模擬試驗(yàn)于2008年10月25日渠道蓄水至2009年12月20日渠道退水后，對(duì)4種處理措施試驗(yàn)邊坡襯砌產(chǎn)生裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：土工格柵處理措施未產(chǎn)生裂縫；換填非膨脹黏性土處理措施、土工袋填筑處理措施在左岸邊坡靠近底部均產(chǎn)生1條裂縫，裂縫長(zhǎng)分別為4．0，2．8 m，寬度分別為2．0，1．5 mm；土工膜處理措施共產(chǎn)生43條裂縫，均靠近渠坡底部，累積裂縫長(zhǎng)約114 m，最大寬度約4．0 mm。如圖7所示。

圖7　復(fù)合土工膜處理襯砌裂縫平面示意圖Fig．7 Plan of fixing cracks of lining by composite geomembrane

以上表明，由于土工膜處理措施沒(méi)有上覆壓重作用，加之土工膜覆蓋封閉施工防滲要求難以保證，襯砌板開(kāi)裂嚴(yán)重。

3．2．2 極端運(yùn)行工況模擬

極端運(yùn)行工況模擬，對(duì)邊坡處理層采取強(qiáng)制破壞，即在邊坡左、右岸開(kāi)1～2 m寬槽，拆除襯砌板和處理層至原坡基面。試驗(yàn)于2010年5月開(kāi)始蓄水，2010年9月10日退水結(jié)束。邊坡襯砌隆起測(cè)繪結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，隆起量最大的是復(fù)合土工膜處理措施，左岸、右岸、渠底隆起量均大于其它3個(gè)處理方案，其中右岸渠坡隆起量最大，強(qiáng)制破壞試驗(yàn)前后觀測(cè)隆起量分別為78．7，101．7 mm。在處理層厚度為2 m壓重條件下，換填非膨脹黏性土隆起量最?。?5～27 mm），而土工格柵加筋隆起量為21～39 mm。

表1　強(qiáng)制破壞試驗(yàn)蓄水前后累積最大變形Table 1 Cumulative maximum deformations before and after water storage in the failure test　mm

3．3 非過(guò)水?dāng)嗝孢吰绿幚硇Ч?/p>

一級(jí)馬道以上非過(guò)水?dāng)嗝媾蛎浲吝吰绿幚泶胧┌ㄋ喔男酝粒炷亮礁裰矅?、土工格柵＋植草、土工膜＋水泥砂漿噴護(hù)、土工袋＋植草，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各埋深含水率變化防護(hù)效果如下所述。

3．3．1 水泥改性土＋混凝土六方格植噴

如圖8所示，處理層施工結(jié)束后，處理層內(nèi)深度0．5 m含水率為初始階段，也處于平衡階段，超過(guò)此深度含水率有明顯增大，變幅為15%。2009年6—8月，受大氣降雨（5—9號(hào)）影響，處理層內(nèi)含水率探頭也有跳動(dòng)，但處理層以下0．1 m及0．5 m的含水率也有一定的變化，而深部的含水率變化有一定滯后?？傮w看處理層以下各埋深含水率變幅不大。

圖8　水泥改性＋混凝土六方格植噴處理含水率歷時(shí)曲線Fig．8 Variation of water content with time at test section treated by cement modification and concrete frame

3．3．2 土工格柵＋植草

如圖9所示，埋深0．5，1，2．5 m處分別布置了含水率探頭，處理層施工前，受大氣降雨（3—4號(hào)）影響，含水率有不同程度增長(zhǎng)，變化幅度2%左右。處理層施工完工后，受處理層保護(hù)，2008年度各埋深含水率波動(dòng)減小，2009年初基本穩(wěn)定于37．2%，36．1%，39．1%。2009年度含水率受降雨影響有明顯跳動(dòng)，主要受上部植草凋零有關(guān)。

圖9　土工格柵＋植草處理含水率歷時(shí)曲線Fig．9 Variation of water content with time at test section treated by geogrid and grass planting

3．3．3 土工膜＋水泥砂漿噴護(hù)

如圖10所示，埋深0．5，1，2，3 m處分別布置了含水率探頭，不論在土工膜＋水泥砂漿噴護(hù)施工期間，還是施工完工后期觀測(cè)，含水率均隨大氣降雨波動(dòng)。施工完工前的5號(hào)降雨，0．5，1 m埋深含水率波動(dòng)在5%左右；2008，2009年度，波動(dòng)幅度在2%～3%之間，說(shuō)明隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，水泥砂漿噴護(hù)保護(hù)能力逐年降低，土工膜也出現(xiàn)了雨水滲漏現(xiàn)象。

圖10　土工膜＋水泥砂漿噴護(hù)處理含水率歷時(shí)曲線Fig．10 Variation of water content with time at test section treated by geomembrane and cement mortar spraying

3．3．4 土工袋＋植草

如圖11所示，埋深0．8，1．6，2．6 m處分別布置了含水率探頭，2008年6月處理層施工完工之前，大氣降雨與含水率變化基本同步，處理層施工后含水率仍受大氣影響波動(dòng)，2009年度含水率波動(dòng)大于2008年度。如處理層內(nèi)布置含水率探頭，其埋深0．5 m，2008年6月處理層施工結(jié)束，含水率由38．6%降至27%穩(wěn)定，到2009年3月在進(jìn)行人工降雨時(shí)，含水率升至35%，由此說(shuō)明土工袋隔水、防滲穩(wěn)定性逐年下降。

圖11　土工袋＋植草處理含水率歷時(shí)曲線Fig．11 Variation of water content with time at test section treated by geotextile bag and grass planting

3．4 過(guò)水?dāng)嗝孢吰绿幚硇Ч?/p>

一級(jí)馬道以下過(guò)水?dāng)嗝媾蛎浲吝吰绿幚泶胧┌ㄋ喔男酝粒r砌、格柵處理層＋襯砌、土工膜＋襯砌、土工袋＋襯砌，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各埋深含水率變化防護(hù)結(jié)論如下。

3．4．1 水泥改性土＋襯砌

如圖12所示，各埋深含水率變化穩(wěn)定。說(shuō)明渠坡經(jīng)水泥改性處理后大氣降雨對(duì)坡內(nèi)基本未產(chǎn)生影響，水泥改性＋襯砌處理膨脹土邊坡效果明顯。

圖12　水泥改性＋襯砌處理段含水率歷時(shí)曲線Fig．12 Variation of water content with time at test section treated by modified cement and lining

3．4．2 土工格柵＋襯砌

如圖13所示，在處理層施工后，埋深0．5，1，2．5 m處分別布置了含水率探頭，除7—8號(hào)受降雨影響有較小波動(dòng)外，均變化幅度較小，受處理層保護(hù)2008年度各埋深含水率均為36．9%，基本未受渠道蓄水影響。2009年度埋深0．5，1 m處含水率略有增長(zhǎng)，如13號(hào)降雨使得含水率跳動(dòng)幅度近2%，含水率波動(dòng)和略有上升與渠道運(yùn)行1 a后襯砌防滲能力下降有關(guān)。

3．4．3 土工膜＋襯砌

如圖14所示，處理層施工于2008年6月24日完成，埋深0．5，1，2 m處布置有含水率探頭，含水率在2008年8月25日降雨條件下（8號(hào)）均有2%跳動(dòng)，2008年12月27日渠道蓄水、2009年2月21日渠道退水，含水率分別相應(yīng)增長(zhǎng)、下降，2009年5—6月份大氣降雨條件下3個(gè)埋深含水率波動(dòng)較大，說(shuō)明土工膜處理方案經(jīng)過(guò)2 a運(yùn)行，防滲能力開(kāi)始下降。

圖13　土工格柵＋襯砌處理含水率歷時(shí)曲線Fig．13 Variation of water content with time at test section treated by geogrid and lining

圖14　土工膜＋襯砌處理含水率歷時(shí)曲線Fig．14 Variation of water content with time at test section treated by geomembrane and lining

3．4．4 土工袋＋襯砌

如圖15所示，含水率探頭在原基面以下埋深分別為0．5，1．5，2．5 m，2008年5月30日施工結(jié)束后，含水率并沒(méi)有趨于穩(wěn)定，2008年12月8日含水率最大跳動(dòng)幅度為31．5%～41．8%，與12月4日渠道蓄水有關(guān)。2009年度受大氣降雨影響，含水率波動(dòng)大于2008年。

3．5 處理效果評(píng)價(jià)

（1）坡面簡(jiǎn)易防護(hù)措施對(duì)于防止含水率變化的效果非常有限，僅可以抵抗表層雨水沖蝕、剝落、泥流等表面破壞，長(zhǎng)期作用下，仍會(huì)出現(xiàn)邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。

（2）水泥改性土、土工格柵加筋、土工袋均屬換填壓重的方法，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究成果來(lái)看，以上4種換填壓重的方法均是有效的，可以解決膨脹作用下的淺層失穩(wěn)問(wèn)題。但對(duì)于膨脹土邊坡，由于膨脹性差異較大，應(yīng)采用不同的處理厚度保證壓重效果。

圖15　土工袋＋襯砌處理含水率歷時(shí)曲線Fig．15 Variation of water content with time at test section treated by geobags and lining

（3）水泥改性土處理方案具有很好的防滲性，處理層以下土體受大氣降雨影響較小，含水率變化不大。而土工格柵加筋、土工袋處理層以下土體含水率，均易受大氣降雨影響有不同程度變化，這與處理層上覆蓋層或襯砌有破損滲漏，以及處理層本身防滲能力不足有關(guān)，如圖16所示。試驗(yàn)證明對(duì)于土工格柵加筋、土工袋處理層以下土體，是以處理層與土體接觸面的含水率變化最大，極易導(dǎo)致產(chǎn)生軟弱滑動(dòng)面，直接影響工程安全。因此，對(duì)于這2種處理層除了考慮厚度保證壓重效果外，同時(shí)還應(yīng)考慮處理層防排滲結(jié)構(gòu)。

圖16　非過(guò)水?dāng)嗝婧瓦^(guò)水?dāng)嗝?．5 m埋深含水率變幅Fig．16 Variation of water content at 0．5 m in the non?water flow section and the water flow section

（4）復(fù)合土工膜處理方案主要作用是防止土體含水量變化，但由于沒(méi)有壓重效果，襯砌出現(xiàn)的裂隙和隆起現(xiàn)象均較其它處理方案嚴(yán)重。對(duì)于膨脹土邊坡來(lái)說(shuō)，過(guò)水?dāng)嗝娉Ｄ旮咚^輸水，滲漏是不可避免的。因此，復(fù)合土工膜方案不能用于過(guò)水?dāng)嗝孢吰绿幚?；而非過(guò)水?dāng)嗝孢吰轮饕艽髿猸h(huán)境影響，采用復(fù)合土工膜可以起到一定的效果，但必須考慮土工膜老化問(wèn)題，同時(shí)還需解決降雨產(chǎn)生的后方來(lái)水問(wèn)題。所以復(fù)合土工膜方案可用于低地下水位且側(cè)向補(bǔ)給較差的非過(guò)水?dāng)嗝孢吰绿幚怼?/p>

（5）處理效果評(píng)價(jià)。換填非膨脹黏性土，水泥改性土處理效果最好，其次是土工格柵加筋處理；土工袋填筑稍差，效果最差的是復(fù)合土工膜處理方案。

4 結(jié) 論

根據(jù)膨脹土邊坡各處理方案防護(hù)技術(shù)特點(diǎn)和處理效果，膨脹作用下膨脹土邊坡處理原則歸納如下：

（1）以邊坡土體不產(chǎn)生膨脹變形為條件進(jìn)行邊坡處理層設(shè)計(jì)。對(duì)于臨時(shí)性工程，可采用含水量控制進(jìn)行簡(jiǎn)易處理；對(duì)于永久性工程，建議采用換填壓重的方法。換填層厚度通過(guò)有荷膨脹率試驗(yàn)確定，同時(shí)根據(jù)處理層防滲能力考慮防排水結(jié)構(gòu)；要求換填處理層本身不應(yīng)產(chǎn)生脹縮變形，其處理方案可考慮非膨脹黏性土、水泥改性膨脹土、土工格柵加筋膨脹土、石灰改性膨脹土等換填方案。

（2）首選換填非膨脹黏性土或水泥改性土；其次在工程投資允許的情況下可采用土工格柵加筋、土工袋的處理方案。土工袋的處理方案應(yīng)注意處理層與原坡面的排水問(wèn)題；復(fù)合土工膜處理措施可用于地下水位低、無(wú)側(cè)向補(bǔ)給的一級(jí)馬道以上渠坡。

（3）在保證邊坡抗滑穩(wěn)定性要求后，還應(yīng)采取坡面防護(hù)措施，可選用砌石聯(lián)拱、混凝土框格、菱形結(jié)構(gòu)、水泥砂漿抹面、植草等，具體措施應(yīng)根據(jù)邊坡的實(shí)際情況確定。

（4）在滿足以上要求的前提下，可通過(guò)工程投資、施工工期、施工工藝復(fù)雜性以及其他工程限定的實(shí)際條件等進(jìn)行綜合比較分析，選定經(jīng)濟(jì)合理的邊坡處理方案。

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（編輯：姜小蘭）

Effectiveness of Treatment Measures for Expansive Soil Slope in the Middle Route of the South?to?North Water Transfer Project

LIU Ming，CHENG Yong?hui，TONG Jun
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resource，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：According to the failure mode of expansive soil slope induced by expansion effect and the monitoring re?sult of on?site simulation test，we summarize the techniques of expansive soil slope treatment．Furthermore，we compare and analyse the effectiveness of four treatment measures（cement soil modification，geogrid reinforcement，geomembrane，and geotextile bags filling）by evaluating the slope deformation and the variation of moisture content．Results reveal that cement soil（replacement of non?expansive clayey soil）has the best performance，whereas geo?grid reinforcement is featured with complex techniques，and the compaction degree of geotextile bags filling is hard to control．Finally，we put forward the principles of expansive soil slope treatment．

Key words：South?to?North Water Transfer Project；expansive soil；construction technique；slope；deformation；water content；effectiveness assessment

作者簡(jiǎn)介：劉 鳴（1963－），男，浙江奉化人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程試驗(yàn)、安全監(jiān)測(cè)等方面的研究工作，（電話）027－82927646（電子信箱）lmoyq6763＠sina．com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2006BAB04A10）

收稿日期：2014－11－25；修回日期：2015－02－06

中圖分類號(hào)：TU411．3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0104－07