摘要：南水北调中线应急段线路长，工程地质条件复杂，存在很多工程地质问题。本文结合渠道设计、施工针对砂基段的主要工程地质问题（边坡稳定及冻胀）及危害进行分析，提出了预防措施，为提高类似工程的安全性、经济性、合理性提供参考。
关键词：地质问题；冻胀；预防措施
1 概述
南水北调中线京石段应急段南起石家庄供水工程S1～S16标段渠道地基以砂性土（细砂）为主，且主要为挖方施工，开挖深度变化较大，从3米至12米不等。砂土地基渠道每个环节都有不同的工程地质问题。如砂基渗漏问题、边坡稳定问题、衬砌抗浮问题、抗冲刷问题、冻胀破坏问题等。由于每种工程地质问题都与砂土内在的工程特性有关。本文从砂土工程特性对砂土渠基主要问题做分析和研究。
2砂土工程特性
何谓砂土：按照国家标准《土的分类标准》（GBJ 145-90）的土的分类，把粒径（d）的范围在2mm≥d＞0.075mm的粒组定名为砂粒。一般土中砂粒含量超过总质量50%时称之为砂土。砂土又可根据颗粒级配划分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类，详见表2.1 砂土分类。
表2.1 砂土分类
3砂土的工程特性
砂土的粒度成分含量不同，表现出的工程特性也各有差异。纯净砂土粘聚力很低，几乎为零，随着粗粒含量增大，内摩擦角、压缩模量、渗透系数也随之增大，但毛细作用缺下降。故粗粒砂土地基比细粒砂土地基边坡稳定性好、承载力高、冻胀及液化可能性小，但渗漏问题严重。
3 砂土地基的主要工程地质问题
3.1 砂基渗漏
由于砂基基本无粘粒含量，这就决定了砂基的透水性比较强，砂基渠段长达60多公里，如若不采取一定的防渗措施，那么渗漏量将会非常巨大，且多年运行也会带来新的渗透稳定问题。
3.2渠坡稳定
由砂土组成的无粘性渠坡，根据土力学原理其滑动面可近似看作一平面。对于均质的无粘性土坡，由于无粘性土之间缺少粘结力。因此，只要位于坡面上的单元土体能够保持稳定，则渠坡就是稳定的。渠坡的稳定性与边坡高度和土体重度均无关，仅取决于坡角大小。理论上只要坡角大于砂土内摩擦角，渠坡即可稳定。由此可知不同岩性的内摩擦角其稳定的坡比是不一样的，但这仅仅是理论上的，由于施工期间的施工影响、作业面是否满足、地下水及水位变化等多种因素制约，故须多方面考虑同时采取相应措施才能保证渠坡稳定。
3.3 冻胀破坏
南水北调总干渠京石段S1～S16标衬砌混凝土均为现浇混凝土，板体较薄，具有一定的抗压强度，但抗拉强度低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力较差。在冻胀力的作用下，容易破坏。
渠坡混凝土板与渠基土一起承受着冻结力、冻胀力以及混凝土板本身收缩产生的拉应力，当这些应力值大于混凝土板在低温下的极限应力值时，混凝土板就发生破坏。
当冬季渠道内有积水或正在运行时，裂缝一般出现在水面附近的渠坡上；当混凝土板与基土冻结在一起时，由于冻土产生冻胀裂缝，混凝土板亦可能因此而被拉裂；当渠内存水并结成较厚的冰层时，冰面附近渠坡含水量较高，冻胀程度也较大。冻胀裂缝宽度与基土的冻胀性及其不均匀有关。基土冻胀性弱，裂缝小；基土冻胀性强，裂缝宽。
根据砂土渠段裂缝统计情况看，衬砌混凝土板共产生140多条裂缝，约40处隆起。裂缝多顺水方向，缝位一般在渠坡脚以上1/4～3/4 坡长范围内、渠底中部和保温板交界处。裂缝的宽度范围0.2～5.0mm，裂缝长度以4～12m居多，最长约55m。冻胀部位隆高一般为1～4cm，严重的隆起高度达7cm。隆起部位多发生在渠底和边坡中下部，尤以底部为甚，转年化冻后，隆起处有一定的复位。
渠坡富水段因冻冰融化，融化水会从破坏的裂缝溢出，同时将细砂颗粒带走，这将会引起砂垫层或者砂基的淘蚀流失，淘空裂缝下部土体，久而久之引起边坡失稳。同时对于裂缝大，错位明显的还应检查渠板下部保温板及防渗土工布的完整性。因此，对于大面积隆起，裂缝较大的部位要及时妥善处理。
4 如何预防
以上砂基主要工程地质问题如果采取合适的预防措施还是可以减轻或者避免的。
4.1砂基渗漏预防措施
砂基的渗漏问题以在设计方面进行防渗处理，选取合适规格的防渗土工布可以达到较好效果。但应注意施工环节的土工布结合部位的焊接可靠性。
4.2砂基边坡稳定预防措施
对于不同岩性的砂质边坡，结合施工工艺、开挖深度等因素，可以选取合适的渠道形状；同时不同岩性分别按照不同的稳定的边坡坡比进行设计和无扰动施工，稳定问题可以有效地得到解决。
可根据需要设置一定量的排水设施，还应注意地下水位的变化对边坡的影响，同时应禁止土坡上部的荷载超重。
4.3冻胀破坏的预防措施
影响混凝土渠道冻胀破坏的因素有多种，包括土体性质、含水量、温度、工程结构等。由于衬砌渠道所受到的外界因素较为复杂，故采取单一措施是难以达抗冻胀目的，应根据工程具体条件各个环节采取综合措施。
4.3.1 设计方面
⑴在工程项目的规划设计阶段，要充分考虑地形条件、自然条件，注意渠道的走向，尽量避开分散性土、膨胀性土、盐胀性土、冻胀性土不良地段以及高水位段，选取合理的渠道断面型式，根据不同情况确定合理的混凝土抗冻标号。
⑵根据不同气候条件设计足够的保温层，设计可靠的排水设施。
⑶根据环境、地质条件的不同确定合理的伸缩缝的间距及宽度，填缝材料要选取粘结力强、变形能力大、耐老化、耐高温、低温季节不失弹性的止水材料。
⑷必要时加大混凝土衬砌板厚度，增强衬砌体抗冻胀能力。
4.3.2 施工方面
⑴保证渠道防渗结构体的完整性，避免渠道渗漏现象的发生。
⑵施工过程中，严格按照设计要求步骤放坡，尽量避免渠坡扰动，以免影响破面均匀性。
⑶严格按照设计要求控制保温层的施工，换填料及保温材料要满足设计要求。
⑷加强低温时期施工时的混凝土保温，制定有效防冻方案，防止冻融现象的发生。施工时严格控制混凝土拌合物的质量和浇筑工序，防止因施工工艺不当而降低混凝土本身的抗冻标号。
⑸排水设施的施工一定要规范、合规，保障设计排水设施通畅。
⑹混凝土衬砌施工尽量避开雨季，从而减少基土的含水量。
⑺严格控制回填土质量，尽量避免雨季和低温季节回填施工。
4.3.3运行管理方面
多数冻胀是在运行管理阶段发生的，规范良好的管理是延长衬砌渠道使用寿命的关键环节。临近低温季节时，应提前排险查险，避免放空渠道或大幅度降低渠道水位；低温季节通水运行时，尽量避免频繁水位变化；渠道的冻融损坏之处应及时修缮，防止冻胀破坏的进一步加剧，以免造成更大面积的损坏。
参考文献：
[1] SL 23-2006，渠系工程抗冻胀设计规范[
[2] SL 211-98，水工建筑物抗冰冻设计规范
[3] SL 18-2004，渠道防渗工程技术规范.
[4] SL 629-2014，引调水线路工程地质勘察规范
作者简介：兰景岩，男（1980—），汉族，河南濮阳人，毕业于华北水利水电学院，高级工程师，主要从事水利水电工程勘察设计
论文作者:兰景岩
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/28
标签：砂土论文; 混凝土论文; 裂缝论文; 渠道论文; 稳定论文; 预防措施论文; 工程论文; 《建筑模拟》2018年第3期论文;