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摘要：膨胀土在委内瑞拉瓜里科灌区分布广泛，对渠道造成了较大危害。本文对该灌区渠道修复中膨胀土的处理方法进行了研究，结果表明解决膨胀土的问题，应着重从影响其物理、力学性质变化的因素入手，改变土的力学性质以达到处理目的，实践证明换填和改性等方法综合使用能有效减轻膨胀土的危害。
关键词：委内瑞拉瓜里科灌区；渠道修复；膨胀土；换填；改性
1 概述
膨胀土是一种主要由强亲水性矿物组成的高塑性粘土。其干燥状态下多呈坚硬或硬塑状态，强度一般较高，湿润状态下多呈软粘状态，强度一般较低。膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩、反复胀缩变形，漫水强度衰减，干缩裂隙发育的特性。
膨胀土在委内瑞拉瓜里科灌区分布广泛，对渠道造成了较大危害，本文将对瓜里科灌区渠道修复中膨胀土的处理方法进行浅探。
委内瑞拉玻利瓦尔共和国（简称委内瑞拉），位于南美洲大陆北部，国土面积为91.67万平方公里。瓜里科州位于委内瑞拉中部，地处平原，海拔约73～105m。气候温暖，为热带草原气候，每年5月至10月为雨季，11月至翌年4月为旱季（即灌溉季节）。多年平均降雨1326mm，蒸发2755mm，年平均气温27.6℃。年最大降水量为1979年的1732.6毫米，年最小降雨量为1972年的779.9毫米。主要降雨月份通常是八月，其平均降雨量为257.6毫米。降雨最少的月份是一月，其平均降水量为2.5毫米。从五月到十月的雨季中的降水量占全年降水总量的88%，降雨多为短时性暴雨，基本没有飓风、冰雹、地震等自然灾害。
瓜里科灌区位于瓜里科州西部，建于1956年，属水库引水自流灌溉灌区。设计灌溉总面积90万亩，现有控制面积为67.5万亩，实际灌溉面积为46.5万亩，灌区主要种植作物为水稻。
灌区内输、配水渠道分3级，干渠、分干渠、支渠。干渠长度为46.03km，分干渠总长80.84km，支渠总长74.27km。支渠以上均已用10cm厚C20混凝土衬砌板衬砌保护。渠系建筑物历经50年的运行，损坏严重。其中总干渠损坏率7.4%，分干渠损坏率13.2%、支渠损坏率21.3%。灌区内膨胀土侵害明显，B4D支渠、B3D2支渠、B4分干渠、B3E、B6支渠等都有膨胀土分布。渠道衬砌混凝土块开裂变形，渗漏严重。伸缩缝内的沥青填料老化，失去止水作用，滋生杂草和其他生物，严重影响渠道的过流能力，渗漏严重，灌区水利用系数仅为0.322。
2 膨胀土的物理性质及力学性质分析
膨胀土按其粘粒的矿物成分分成两大类，一类是以蒙脱石含量为主的膨胀土，另一类是以伊利石为主的膨胀土。委内瑞拉瓜里科灌区中，两种类型的膨胀土均有出现。引起膨胀土发生变化的因素主要为含水量，蒙脱石黏土在含水量增加时出现膨胀，而伊利土和高岭土则发生有限的膨胀。
2.1 含水量
膨胀土具有很高的膨胀潜势，这与它含水量的大小及变化有关。如果其含水量保持不变，则不会有体积变化。但在委内瑞拉瓜里科灌区，雨季降雨频繁，导致渠道边膨胀土含水量不断变化，粘土随之产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水量的轻微增加，仅1%～2%的增量，就足以引起有害的膨胀。
2.2 干容重
黏土的干容重与其天然含水量是息息相关的，干容重是膨胀土的另一重要指标。γ=18.0 kN/m3 的黏土，通常显示很高的膨胀潜势。
2.3 膨胀土分类标准
关于膨胀土的判别，国内外尚不统一。根据多年来工程实践的经验总结和工程地质特征，自由膨胀率Fs≥40%和液限WL≥40%的粘土质，可判断为膨胀土。但这并不是唯一的，最终决定因素是胀缩总率及膨胀的循环变形特征，以及与其他指标相结合的综合判别方法。
我国《公路路基设计规范》（JTG D30 - 2004）推荐参考采用膨胀土评指标为：自由膨胀率Fs≥40%，标准吸湿含水率Wf>2.5%，塑性指数Ip>15，当符合其中两项指标时，即应判定为膨胀土。其对膨胀土分级见表1。
3 渠道沿线膨胀土的分布情况及危害性
3.1 渠道沿线膨胀土分布
以B3D2支渠为例，现状8.031km的渠线上膨胀土分布较广，膨胀土侵害明显。在距离渠顶约1.0-1.2m的渠边路上出现了明显的贯通缝，缝宽1-15mm。靠近渠道侧土壤明显湿润，缝另一边干燥，渠道两边同时出现。通过现场踏勘，裂缝明显的中高膨胀土渠段共6段，总长2x4.995=9.990km。
3.2 渠段膨胀土的危害性
从瓜里科灌区的情况来看，膨胀土使渠边道路和渠系结构遭到破坏。由于灌区内渠道渠坡与渠底衬砌板分缝位于渠底以上0.2m处，渠坡衬砌板受到两侧膨胀土挤压变形，产生向渠道内的位移，导致渠道断面变小，衬砌板破坏。这些破坏多因膨胀土潜势在设计和施工之前未被认真考虑所致，而另一些情况是低估了其潜在危害性，使工程遭受严重破坏。如B4D支渠自1962年建成后，受膨胀土严重破坏，一直未投入运行。
4 渠道膨胀土处理
水利工程中，膨胀土的处理通常有两种方法：一是换土，即挖除膨胀土，换填非膨胀土或砂砾土，换填深度根据当地的气候条件和降雨情况确定；二是改性处理，即利用石灰、水泥等固化材料通过与膨胀土的物理化学作用来达到对膨胀土的改性处理，从而降低膨胀土的膨胀潜势，增加强度和提高水稳定性。
在对瓜里科灌区渠道修复过程中，针对膨胀土的物理及力学性质，根据地质勘测报告及当地处理膨胀土的经验，根据实际情况，设计中采用分类别综合处理的方法，同时结合委内瑞拉雨季雨水多的情况，并进行了针对性的研究，提出如下措施：
（1）对于新建、重建的渠道，如B4D支渠，确定采取换土的方法。即挖除渠段1.2m内的膨胀土，换填非膨胀土或砂砾土，然后再进行渠道的施工。
（2）对于修复方案为直接套衬的渠道，如B3D2支渠，确定采取对膨胀土进行注水泥、石灰浆的改性处理方法。由于此类渠道修复是在原衬砌板的基础上再衬砌、未涉及渠基，故采取灌浆改性的方法能避免渠基的破坏。同时，膨胀土的存在，导致渠坡衬砌板下存在不少空洞，在对膨胀土进行灌浆改性的同时，也同时对板下空洞进行灌浆处理。具体为：采用当地现有的注浆机施工。距渠顶0.3m处设置顺渠道向双排梅花型注浆孔，间距0.5mx0.5m，孔深入地面以下2m。注浆材料为水泥浆，灌浆压力为0.1Mp。
（3）对于修复方案为铺设土工膜的渠道，如B3分干渠、B3B支渠等，结合渠道土工膜的锚固，确定采取换填非膨胀土隔离带的方法。具体设计为：距渠顶0.3m处设置1.0m宽、1.0m深膨胀土隔离带，内换填非膨胀性粘土或改性土，同时作为土工膜的锚固沟。具体修复如图1所示。
图1 膨胀土隔离带（土工膜锚固沟）大样图
结合委内瑞拉瓜里科灌区雨季雨水充沛的特点，各类渠道膨胀土处理的施工必需在旱季完成。以保证工程质量。
5 结语
在委内瑞拉瓜里科灌区，膨胀土对渠道及水工建筑物的影响很大。解决膨胀土的问题，应着重从影响其物理、力学性质变化的因素入手，从而改变土的力学性质达到处理目的。在瓜里科灌区渠道修复项目的实施中，各种膨胀土的处理方法经过各段渠道的实验，已取得明显效果。
参考文献：
[1]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
[2]中华人民共和国交通部 JTGF10-2006.公路路基施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2006.
[3]中华人民共和国水利部 SL237-1999.土工试验规程[S].北京：水利水电出版社，1999.
论文作者:王忠祥
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/25
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