输水管线高陡边坡管沟水泥土回填研究与应用

范志强

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，030024，太原）

大中型管线工程输水线路选择受地形和已有建筑物等多种因素的影响，在穿越高陡黄土深沟时，管道安装及压实回填施工难度较大，开挖坡体管沟回填后难以恢复原貌，安装管道顶部时会出现与管道平行的回填坡道。黄土边坡破坏可分为两种形式：边坡坡体破坏和边坡坡面破坏。边坡坡体破坏的产生往往是由于边坡自身结构强度不足，随时间的延续及外界条件的影响，致使坡体变形，最后局部或整体失稳破坏；边坡坡面破坏通常是边坡自身强度达到要求，但是随着时间延续，因水的冲蚀等自然环境因素的影响导致边坡坡面土体松动甚至失稳。

黄土陡坡管沟回填后边坡一般需要防护，防护材料通常包括浆砌石、混凝土块、喷射混凝土、草皮、植物及生物毯等，施工工序不同且防护效果各异，虽然能不同程度地解决回填土防冲等问题，但因黄土地层遇水沉降等因素的影响，表面防护必然会出现不同程度的裂缝甚至塌陷，雨水则会沿裂缝处不断冲刷回填土，农田灌溉水有可能从防护层下部灌入，回填土表面会出现冲沟，严重则造成管道周边土流失和管道接头漏水等不良后果，实施维护困难，直接影响到输水管线工程的长期安全运行。而管沟采用水泥土回填可有效解决表面冲刷及管底淘刷等问题。

一、工程概况

东山供水工程是山西大水网骨干工程之一，是山西省“十二五”期间为提高全省水资源配置能力重点建设的互连互通工程。工程输水管（洞）线长约250 km，调入区地形起伏变化大、地上及地下已有建筑物较多。

根据工程布置，输水管线主要位于由大量洪积物堆积形成的倾斜平原，为东北高西南低的缓坡地形。输水管线沿线沟谷呈“U”字形，沟谷及两岸为漫滩及堆积阶地发育。穿沟段有30多处，合计长度约2.5 km，沟谷深度一般5～30 m，其中20～30 m的有10余处，沟谷两侧边坡坡度在40°～70°之间。

管线穿沟段地层岩性多为第四系全新统洪冲积（Q4pal）及上更新统洪冲积（Q3pal）低液限粉（黏）土层，该土层多为可塑至硬塑状态，土质较均匀，结构疏松，具大孔隙发育，颗粒成分多以粉黏粒为主，多具湿陷性。

针对东山供水工程高陡深沟管道安装及管沟回填施工难度大的实际情况，穿沟段管线设计管坡均适当放缓至30°左右，但也不可避免会发生原状黄土回填边坡被雨水冲刷甚至造成管道漏水破坏的现象，将大大缩短管线工程的使用寿命。结合工程实际情况，科研单位、项目业主及设计单位共同研究高陡边坡采用水泥土作输水管线管沟回填材料，解决高陡边坡防护、回填料防冲刷等问题。

水泥土作为一种较新型建筑材料，可就地取材，施工工艺简单、物理力学性质稳定。水泥土硅酸盐水泥与水化合生成的硅酸钙、硅铝酸钙水化物，以纤维状微粒构成的凝胶结合，与混凝土的凝结机理类似。其在已建工程路基、桥台回填、地基加固及防渗工程等方面有所运用，但国内输水管线工程高陡边坡管沟回填中无成熟的资料可查，水泥土回填的水泥掺量、防冲效果评价及施工注意事项等均缺乏科学依据。

二、水泥土试验研究

1.研究过程

东山供水工程水泥土模拟试验所采用的两种黄土土料从平遥管线段和介休管线段现场采集，加水至最优含水率，试验研究水泥掺量（水泥质量与干土质量的比值）分别为4%、6%、8%、10%和12%，水泥土压实度分别为90%和92%，养护时间分别为7 d、14 d、21 d和28 d。

试验内容主要包括：

①水泥土含水率与干密度试验：在同等条件下，采用轻型击实法测定压实水泥土的含水率与干密度的关系，从而确定其最优含水率与相应的最大干密度，为水泥土配合比设计和其他性能试验提供依据。

试验结果：水泥掺量对最大干密度影响甚微，所以只用水泥掺量10%做含水率试验。平遥管线段土料配制10%的水泥土，最优含水率为16.39%，最大干密度为1.68 g/cm；介休管线段土料配制10%的水泥土，最优含水率为18.6%，最大干密度为1.64 g/cm。

②无侧限抗压强度试验：制作不同水泥掺量、不同压实度的水泥土立方体试件，用压力机测定试件在各养护时间段的抗压强度。

试验结果见表1至表3。

③放水冲刷试验：在研究边坡坡面径流侵蚀和冲刷时，不采用模拟降雨，采用放水实验模拟边坡坡面径流冲刷侵蚀的过程。

④渗透试验：参照水泥土配合比设计规程，通过测定土和水泥土渗透试件的开始和结束水头及时间，计算其渗透系数。

试验结果：原土渗透系数为10-5cm/s数量级，随着压实度提高，渗透系数变小，渗透性会减弱。加入不同掺量的水泥后养护初期水泥土的渗透系数也大多在10-5cm/s或10-6cm/s，总体看水泥土渗透系数值较素土减小，基本随水泥掺量增加呈递减趋势。

⑤坡面抗冲蚀稳定性试验：通过单位小时内不同放水流量，测定不同水泥掺量的水泥土坡面径流含沙量的大小。

试验结果见表4至表6。可以看出，随着放水流量的增大，坡面的总径流量和径流平均值增大，总泥沙量和径流含沙量也相应增加，随冲刷时间的延续呈波动的下降趋势并逐渐趋于稳定，而不同水泥掺量的坡面径流变化规律相似。

表4 4%水泥土坡面产流产沙

表6 10%水泥土坡面产流产沙

当放水流量均为200 L/h时，30 min表面径流总泥沙含量，黄土坡面为27.89 kg，而4%，6%，10%水泥土坡面产沙总量仅分别为46.93 g、1.04 g和1.79 g，水泥土坡面产沙总量均比黄土坡面的明显降低，大于6%水泥掺量水泥土坡表面径流的泥沙含量非常小。

表1水泥土抗压强度(MPa)随水泥掺量的变化

表2水泥土抗压强度随水泥掺量增长的百分数和水泥效率

表3水泥土龄期对强度的影响

2.研究结论

结合土工试验和模拟边坡冲刷试验，研究水泥对黄土主要性质如无侧限抗压强度、渗透性和冲刷性能的影响，分析黄土坡面稳定的主要影响因素及水泥对坡面抗冲刷性的防护效果，优选出水泥的最佳掺量等参数。水泥土试验主要成果如下：

①水泥土无侧限抗压强度随水泥掺量增加而增大，而水泥的有效利用率随掺量增大而降低，掺量8%左右时水泥利用效率最高。水泥土无侧限抗压强度与干密度、试件养护龄期均呈正相关关系，前者为线性关系，后者为幂函数相关。

②重塑压实黄土和水泥土的渗透系数均在10-5cm/s数量级左右，水泥土渗透系数通常较原状黄土有大幅度下降，抗渗性较好。水泥土的抗渗性能与水泥掺量关系不太密切。

③黄土边坡坡面稳定及抗冲蚀能力强弱主要由放水流量和压实度决定。黄土边坡的产沙总量随着放水流量的增大而增大，随着坡面压实度的增大而减小；径流含沙量随放水流量增大呈现递减趋势，且放水流量对坡面径流率影响比压实度更大。

④4%水泥掺量的水泥土压实度90%的坡面，在不同放水流量冲刷30 min均有较大的径流含沙量，均值26.97 kg/m3，抗冲性较差；6%的水泥土同等条件下含沙量较少，抗冲性较好；10%的水泥土同等条件下基本没有含沙，抗冲性良好。

⑤水泥掺量6%～8%和90%以上的压实度条件下，水泥土坡面的抗冲刷能力可以满足输水管线管沟回填的要求。

⑥水泥土的性能是影响其抗冲刷性能的主要因素之一，但抗压强度的提高对提高抗冲刷性能的效果并不太显著。抗冲刷性能的差异与其抗压强度之间并无明显因果关系。

表5 6%水泥土坡面产流产沙

⑦水泥土施工质量是影响水泥土性能的关键。水泥土压实度、土料粒径大小及拌和均匀度是影响水泥土管沟回填施工质量的主要因素。

⑧沟槽较大范围回填水泥土，属于大体积处理，对于水泥土的无侧限抗压强度要求不需要很高。水泥土立方体试件7 d龄期的无侧限抗压强度应≥1.3 MPa，28 d龄期的无侧限抗压强度应≥2.0 MPa。

三、应用及效果

根据东山供水工程输水管线沟槽实际情况结合试验研究成果，高陡边坡段管线沟槽设计开挖边坡坡度为1∶0.75，管顶回填厚度不小于1.5m。土料最大粒径不大于20 mm，土料加水至最优含水率，水泥掺量约为9%满沟槽回填，采取300 mm分层碾压，压实度不小于90%。沟槽两侧表层与边坡交接处砌筑300 mm厚M7.5浆砌石护脚。

与实验室试验条件相比，现场施工受施工条件、施工设备及施工工序等多种因素影响。考虑现场水泥掺量的准确性、土料与水泥均匀拌和的不确定性等，为保证陡坡段管沟回填水泥土质量，在清除表层杂土选择合格土料等前提下，设计水泥掺量比试验研究成果的水泥掺量有所提高。沟槽分层碾压填筑等完成后采用表面洒水等养护方式，避免水泥土出现干裂。

东山供水工程部分高陡穿沟段管线于2019年中旬完工，2020年年底经现场检查，水泥土压实回填边坡未见明显雨水冲刷现象，沟槽水泥土未见任何不均匀沉降。现场取样送检情况：切取了6块边长尺寸不小于150 mm×150 mm×150 mm的正方体水泥土块，运送至实验室后再切割修整至标准尺寸，进行无侧限抗压强度检测。6块试块最小强度为2.08 MPa，最大为3.26 MPa，去掉最大最小值后平均强度为2.5 MPa，试块强度满足设计要求。

现场检查及送检结果验证了高陡边坡段管沟水泥土试验研究的成果，东山供水工程输水管线高陡边坡管沟回填材料及防冲刷等问题得到了较好的解决，亦为今后类似工程提供了管线防护效果较好的试验数据及验证标准。■