王圪堵水庫左壩肩壩基砂土濕化及壓縮變形分析

楊聚利

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000）

王圪堵水庫位于榆林市橫山縣，為無定河中游的水沙控制性水利工程，以供水、攔沙為主，兼顧灌溉、發(fā)電和防洪等綜合功能。水庫控制流域面積1.075萬km2，總庫容3.89億m3，屬大（2）型，設(shè)計(jì)壩型為碾壓均質(zhì)土壩。樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和壩后電站等建筑物組成。其中，壩基由左壩段沖湖積細(xì)砂夾砂質(zhì)、粉質(zhì)壤土、河床段沖積細(xì)砂和右壩段基巖斜坡構(gòu)成[2]。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

王圪堵水庫左壩段為典型的沙漠地貌，由沙丘、沙梁及洼地組成，分布高程1070 m～1090 m。岸坡較為陡峻，自然坡度35°～50°。河谷地形相對(duì)開闊，分布高程 1007 m～1009 m，相對(duì)高差60 m～80 m。

1.2 地層巖性

左壩段地層主要以第四系上更新統(tǒng)沖湖積（Q31al+l）⑧層細(xì)砂為主，灰黃色，石英、長石為主，較均，中密狀，具水平層理，一般厚度0.6 m～30.0 m，夾粉細(xì)砂及砂質(zhì)壤土。粉細(xì)砂灰黃色，分選性好，以石英、長石為主，云母次之，較純凈，松散，厚度1.0 m～12.0 m，主要分布于高程1064.0 m以上。砂質(zhì)壤土，灰～青灰色，以粉粒為主，含粉細(xì)砂，不均，稍濕，發(fā)育水平層理，厚度一般0.3 m～1.5 m，最大厚度7.50 m，該地層不穩(wěn)定，局部呈透鏡狀。

下臥侏羅系上統(tǒng)安定組（J3a）砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖夾泥巖或泥巖夾泥質(zhì)砂巖：紫紅色、淺灰色、暗紫紅色，薄～中厚層狀，巖面分布高程996.3 m～998.7 m。

1.3 地震及砂土液化

王圪堵水庫壩址區(qū)地震峰值加速度0.05 g，特征周期0.35 s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。上更新統(tǒng)(Q3)砂土可不考慮液化問題[2]。

1.4 水文地質(zhì)

左壩段地下水類型為沙漠孔隙潛水，分布于沙漠區(qū)下部，含水層為細(xì)砂，厚度一般20 m～50 m，水位埋深一般30 m～60 m，出露高程1008.0 m，相對(duì)隔水層為下伏基巖。受大氣降水補(bǔ)給，向河谷排泄。

2 左壩肩工程地質(zhì)評(píng)價(jià)及建議

左壩肩沖湖積(Q31al+l)細(xì)砂壓縮系數(shù)av=0.2 MPa-1,具中低壓縮性和中、強(qiáng)透水性。壩體填筑過程中,壓縮變形完成過程快,壩基總體變形不會(huì)很大。天然相對(duì)密度(Dr=0.28)與規(guī)范中對(duì)砂料的填筑要求密度(Dr=0.7)相差甚遠(yuǎn)；加之壩基砂層厚度變化大，存在差異性變化。對(duì)壩基砂土利用時(shí)應(yīng)進(jìn)行工程處理。其次，壩基第⑧層沖湖積砂土 ρd=1.54 g/cm3，Dr=0.28，J允許=0.15，均存在滲透穩(wěn)定問題，須進(jìn)行處理。建議對(duì)砂層宜采取強(qiáng)夯振密或振動(dòng)密實(shí)及反濾措施[1]。

3 壩肩壩基工程地質(zhì)分析

工程于2008年10月開工興建，2010年5月基本完成左壩肩壩基（壩上0+144 m～壩下0+126 m）開挖。揭示壩基巖性為⑧層細(xì)砂，局部夾砂質(zhì)壤土。所揭示地層結(jié)構(gòu)與初步設(shè)計(jì)階段勘察成果一致。為進(jìn)一步了解該層在水庫蓄水后的沉降變形特征，為采取相應(yīng)的措施提供依據(jù)，故對(duì)壩基砂土層變形問題進(jìn)行專題研究。方法采用野外密度試驗(yàn)、室內(nèi)濕化、天然含水狀態(tài)和浸水狀態(tài)的壓縮試驗(yàn)[3]。

3.1 壩基砂土物理力學(xué)特性

左壩肩壩基上更新統(tǒng)沖湖積（Q31al+l）⑧層細(xì)砂和⑧-1、⑧-2、⑧-3層砂質(zhì)壤、粉質(zhì)質(zhì)壤土呈互層或夾層狀，如圖1。

圖1 左壩肩壩基邊坡工程地質(zhì)剖面圖

3.2 砂土物理力學(xué)指標(biāo)分析

第四系上更新統(tǒng)沖湖積 (Q3ai+l)⑧層細(xì)砂為壩基主要持力層，按分布高程將壩基劃分三個(gè)單元進(jìn)行試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，按高程自上而下分別為1065 m～1040.0 m、1040.0 m～1025.0 m、1025 m～1008 m段。便于敘述以下簡稱為上、中、下段[5]。

野外密度試驗(yàn)采用環(huán)刀法和灌水法平行對(duì)比，分別為14組、6組和5組、相對(duì)密度各8組。上段ρ=1.70，ω=5.91%，ρd=1.61，Dr=0.42；中段 ρ=1.66，ω=3.13%，ρd=1.61，Dr=0.47；下段 ρd=1.61，ω=2.33%，ρ=1.58，Dr=0.43。各段砂土均為中密狀。

砂土室內(nèi)顆分試驗(yàn)每段8組。上段Cu=2.59，值域3.03～1.98，Cc=0.83，值域1.26～0.73，屬級(jí)配不良的砂和分土質(zhì)砂，即粉細(xì)砂；中段Cu=3.21，值域3.45～2.17，Cc=0.92，值域1.21～0.87，為級(jí)配不良砂。下段 Cu=3.15，值域 4.59～1.74，Cc=1.21，值域1.89～0.81，屬級(jí)配不良砂，即中下段為細(xì)砂。

濕化采用室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)如表1。

表1 壩基砂土濕化試驗(yàn)成果匯總

壩基砂土壓縮試驗(yàn)采用天然含水狀態(tài)壓縮和浸水狀態(tài)壓縮兩種工況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，兩種狀態(tài)的最大壓力均為1200 kPa。當(dāng)壓力為200 kPa時(shí)，上段天然狀態(tài)下e=0.853，a1-2=0.24，含水狀態(tài)下 e=0.763，a1-2=0.21；中段天然狀態(tài)下 e=0.745，a1-2=0.11，含水狀態(tài)下e=0.716，a1-2=0.11；下段天然狀態(tài)下e=0.794，a1-2=0.10，含水狀態(tài)下e=0.776，a1-2=0.11，均具中低壓縮性。

當(dāng)壓力為400 kPa時(shí)，上段天然狀態(tài)下e=0.827，a2-4=0.13，含水狀態(tài)下e=0.743，a2-4=0.10；中段天然狀態(tài)下e=0.732，a2-4=0.062，含水狀態(tài)下e=0.704，a2-4=0.057；下段天然狀態(tài)下e=0.780，a2-4=0.068，含水狀態(tài)下 e=0.766，a2-4=0.050。該級(jí)壓力下僅上段砂土具中低壓縮性，中、下地段均為低壓縮性砂土。

壓力為800 kPa時(shí)，天然狀態(tài)下各段孔隙比分別為0.801、0.717和0.768，壓縮系數(shù)分別為0.065、0.038和0.031，浸水狀態(tài)下各段孔隙比分別為0.720、0.690和0.754，壓縮系數(shù)分別為0.058、0.035和0.030，均為低壓縮性。

壓力為1200 kPa時(shí)，上段趨于極限，中段和下段天然狀態(tài)孔隙比分別為0.706和0.754，壓縮系數(shù)分別為0.027和0.034，浸水狀態(tài)下各段孔隙比分別為0.680和0.743，壓縮系數(shù)分別為0.026和0.027，均為低壓縮性；

天然含水狀態(tài)和浸水狀態(tài)各級(jí)壓力與孔隙比如表2，e-p曲線如圖1～圖3。

表2 天然和浸水狀態(tài)各級(jí)壓力與孔隙比變化表

圖1 上段天然含水狀態(tài)、浸水狀態(tài)下e-p曲線

圖2 中段天然含水狀態(tài)、浸水狀態(tài)下e-p曲線

圖3 下段天然含水狀態(tài)、浸水狀態(tài)下e-p曲線

3.3 壩基砂土變形特征

顆分資料顯示，左壩肩壩基砂土中段和下段以細(xì)砂為主，局部夾粉細(xì)砂薄層。其中上段粉細(xì)砂為主，與粉質(zhì)壤土呈互層狀。

上段砂土 ρ=1.70 g/cm3，ρd=1.61 g/cm3，Dr=0.29～0.53，平均值0.42，Psh=25 kPa，Pc=72 kPa，δzs=0.051、中段砂土 ρ=1.66 g/cm3，ρd=1.61 g/cm3，Dr=0.27～0.56，平均值 Dr=0.47，Psh=77 kPa，Pc=355 kPa，δzs=0.016、下段砂土 ρ=1.61 g/cm3，ρd=1.58 g/cm3，Dr=0.33～0.56，平均值 Dr=0.43，Psh=150 kPa，Pc=811 kPa，δzs=0.009。故而，砂土天然狀態(tài)屬中密。中密砂土遇水后，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，即顆粒重新排列，產(chǎn)生相應(yīng)變形。上覆壓力作用的不同，高程1040 m以下部分的變形更小。

壓縮試驗(yàn)顯示，上段砂土天然狀態(tài)下，壓力在200 kPa時(shí)，e=0.853，e-p曲線較平緩，如圖1，砂土具低壓縮性；浸水狀態(tài)下，當(dāng)壓力在200 kPa時(shí)，e=0.763，e-p曲線在第一級(jí)壓力階段斜率較大，表明孔隙的可壓縮性高，在第二級(jí)壓力后趨于平緩，顯示低壓縮性特征。同一壓力下，天然狀態(tài)與浸水狀態(tài)孔隙比變化較大，天然與浸水兩狀態(tài)下其壓縮變形有一定差異。

中段砂土天然狀態(tài)下，壓力在200 kPa時(shí)，e=0.745，浸水狀態(tài)下e=0.716，兩e-p曲線均較平緩，如圖2，e-p曲線在第一級(jí)壓力下也顯示較大斜率，表明砂土具可壓縮性。第二級(jí)壓力之后，同一壓力天然狀態(tài)下與浸水狀態(tài)下孔隙比變化較小，其壓縮變形差異不大。

下段砂土天然狀態(tài)下，壓力在200 kPa時(shí)，e=0.794，浸水狀態(tài)下e=0.761，兩e-p曲線均較平緩，如圖3，砂土為低壓縮性。同一壓力天然狀態(tài)與浸水狀態(tài)下孔隙比變化小，其壓縮變形差異不明顯。

3.4 粉質(zhì)壤土物理力學(xué)指標(biāo)分析

第四系上更新統(tǒng)沖湖積(Q3ai+l) 粉質(zhì)壤土在左壩肩各段均有分布，按分段分為⑧-1、⑧-1、⑧-3三層。其中，上段⑧-1層主要布于高程1050 m以上，與細(xì)砂層呈互層狀，相變較大，層厚0.3～1.5 m，最大厚度7.5 m。砂粒含量32.1%，粉粒含量62.4%，粘粒含量5.5%，塑性指數(shù)Ip≤10，為含砂低液限粉土。e=0.720，Es=16.76 kPa，a1-2=0.11，c=20 kPa，φ=25.9°；

中段⑧-2層粉質(zhì)壤土主要布于高程1028.9m，層厚2.3m。砂粒含量6.9%，粉粒含量大于76.6%，粘粒含量16.5%，Ip=13.1，為含砂低液限粉土。e=0.671，Es=18.86 kPa，a1-2=0.090，c=27kPa，φ=25.8°；

下段⑧-3層粉質(zhì)壤土分布高程1016.0 m，層厚1.2 m。⑧-3層砂粒含量約16.0%，粉粒含量65.6%，粘粒含量18.5%，Ip=15.3，為地液限黏土。e=0.651，Es=11.97 kPa，a1-2=0.17，c=58 kPa，φ=23.7°。

三層粉質(zhì)壤土均屬低壓縮性土層，且為相對(duì)隔水地層，工程地質(zhì)性能較好。

4 壩基砂土濕化、壓縮變形分析

4.1 壩基砂土濕化變形

砂土濕化變形是指砂土從天然狀態(tài)浸水后，即使沒有外荷載，松弛的顆粒結(jié)構(gòu)重新排列，引起變形和應(yīng)力改變，從而降低強(qiáng)度，在外荷載作用下會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降或拉裂。壩基砂土存在濕化變形，對(duì)填筑體變形、穩(wěn)定、開裂和滲透破壞都有較大影響。

4.2 壩基砂土壓縮變形

壩基砂土天然狀態(tài)下屬中密，含水量自上而下逐漸減小，與該段互層的砂質(zhì)壤土有關(guān)。結(jié)合不同狀態(tài)及壓力下孔隙比變化曲線綜合分析，三個(gè)單元天然狀態(tài)和浸水狀態(tài)下壓縮變形具規(guī)律性。①上段砂土ρd=1.52 g/cm3～1.60 g/cm3，Dr=0.29～0.53，天然狀態(tài)下呈稍密～中密，兩種狀態(tài)均具有中高壓縮性。由天然狀態(tài)至飽水狀態(tài)過程具明顯的濕化變形和壓縮 變形。②中段砂土 ρd=1.46 g/cm3～1.62 g/cm3，Dr=0.36～0.56，天然狀態(tài)下為中密。浸水后壓縮變形量較小。③下段砂土 ρd=1.56 g/cm3～1.59 g/cm3，Dr=0.33～0.56，天然狀態(tài)下為中密。浸水后壓縮變形不明顯。④壩基自河床至高程1040 m，隨高程抬高，干密度和相對(duì)密度逐漸減小，壓縮性增大，具濕化變形量增加的特點(diǎn)。

通過上述分析，左壩段壩基砂土存在一定的濕化變形，進(jìn)行處理后方可作為壩基利用。

5 結(jié)語

第四系上更新統(tǒng)沖湖積(Q3al+l)砂土在無定河以北廣泛出露，也是該地區(qū)最常見的巖土層，該土層作為建筑物地基，存在一定的濕化變形問題。本地區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，可不考慮液化。因此，針對(duì)建筑物特征，對(duì)地基土進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，采用適當(dāng)?shù)募用艽胧ㄈ缢畨嫹ɑ蚣铀雺海┖?，可進(jìn)行充分利用，是非常經(jīng)濟(jì)的。