濕陷性黃土地區(qū)調蓄池基礎及防滲處理

萬克誠，趙靖偉，李 渤，樊艷欣

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 概況

我國幅員遼闊,黃土地區(qū)分布廣泛,其面積之大、覆蓋之厚、成因之復雜等均為世界之最,其中存在濕陷性的黃土占比接近四分之三[1]。濕陷性黃土因其特殊的遇水濕陷、突變性、非連續(xù)性等現象,成為濕陷性黃土地區(qū)工程建設面臨的重點問題。

對于修建于濕陷性黃土地基之上的蓄水建筑物,需格外注意地基土層濕陷性帶來的工程問題,如地基遇水浸濕后因濕陷性引起的基礎不均勻沉降以及周邊滲漏等,是工程中需要解決的重點問題。

某工程位于陜西省渭南地區(qū),項目新建調蓄池一座,總庫容231萬m3,水域面積約25萬m2,為注入式水庫,水源取自抽黃灌溉渠道,經沉砂后由輸水管道注入調蓄池。工程項目建成后,將為縣城居民生活用水、縣城周邊節(jié)水灌溉示范區(qū)農田灌溉等提供水源保障。

調蓄池地處渭北黃土臺塬,工程區(qū)內地勢總體西北高東南低,塬面呈臺階狀自西北向東南方向展布,場地原始地面高程773 m～755 m,高差約18 m,地表坡比約2%,場地較為平整,地面主要為耕地。調蓄池根據運行水位要求結合地形布置,總體開挖為主,局部填筑,調蓄池最大開挖深度約15 m,庫岸最大填筑高度約7 m,最大水深約15 m。

2 工程地質條件

工程區(qū)位于渭北一、二級黃土臺塬東北部,臺塬呈近東西向帶狀分布。區(qū)域地貌由南至北分為渭河沖積平原、一級和二級黃土臺塬區(qū),地勢西北高東南低。區(qū)內出露地層主要為早古生界奧陶系（O）、新生界第三系（N）及第四系（Q）地層。工程區(qū)在大地構造單元上,位于鄂爾多斯向斜南部邊緣地帶。北接陜北黃土高原,南臨渭河斷陷盆地。

項目調蓄池所處地區(qū)揭露地層為第四系黃土層,主要分為三個大層,11個亞層。依次如下：

（1）第一層,①素填土（Q4ml）分布不均,層厚0.6 m～1.1 m,具弱透水性,不宜作為壩基承載力層。

（2）第二層,黃土（Q3）,分為2 個亞層,其中②-1層黃土（Q3eol）,層厚5.4 m～13.5 m；②-2層古土壤（Q3el）,層厚0.3 m～1.5 m。

（3）第三層,黃土（Q2eol）,分為8個亞層,其中③-1層黃土（Q2eol）,層厚1.8 m～9.2 m；③-2層古土壤（Q2el）,層厚0.9 m～3.9 m；③-3層黃土（Q2eol）,層厚0.6 m～5.0 m；③-4層古土壤（Q2el）,層厚1.7 m～3.5 m；③-5層黃土（Q2eol）,層厚3.6 m～6.0 m；③-6層古土壤（Q2el）,層厚1.7 m～4.1 m；③-7層黃土（Q2eol）,層厚4.1 m；③-8層古土壤（Q2el）,層厚約5 m,中間夾厚度約0.7m的黃土層。

依據《規(guī)范》[2]對各層土進行了濕陷性計算,計算結果表明：基礎主要濕陷性地層為②-1黃土（Q3eol）,場地自重濕陷量Δzs=376.65 mm,場地總濕陷量Δs=920.5 mm,為自重濕陷性黃土場地,場地平均濕陷性等級為Ⅳ級,濕陷性為中等～強烈,需要進行濕陷性處理。

根據工程布置,調蓄池池底及其周邊地基主要置于馬蘭黃土中下部,各層土體具微～弱透水性,需進行調蓄池池底及其周邊全范圍的防滲處理。

3 黃土基礎濕陷性處理

國內相關規(guī)范對濕陷性黃土基礎處理、或濕陷性黃土作為低壩壩基提出了處理要求,并明確了處理方法。國內研究人員針對類似工程中濕陷性黃土基礎的處理也有較為廣泛的研究[2～3],主要的處理方法有強夯法、墊層法、擠密法、預浸水法等。強夯法的概念自1975 年引入我國,以其適用性廣、處理深度較深、造價低、設備簡單、工期短等特點,在濕陷性黃土基礎處理中得到了廣泛的應用。

本工程調蓄池圍壩壩基為濕陷性黃土,參照濕陷性黃土處理相關規(guī)范及國內濕陷性黃土基礎處理經驗,綜合考慮本工程需處理面積、工期、投資等情況,采用強夯法對濕陷性黃土地基進行處理。強夯的單位夯擊能為4000 kN·m,夯擊遍數4 遍,選用的夯錘直徑為2.4 m,夯擊錘重20 t,落距為20 m。夯點布置按正三角形布置,夯擊中心間距5 m,夯點之間的土夯實較均勻。

第一遍：單位夯擊能為4000 kN·m,夯擊完畢后,用推土機將高出夯坑周圍的土推至夯坑內填平,并在第一遍夯點之間布置第二遍夯點。

第二遍：單位夯擊能為4000 kN·m,將第二遍夯點及第一遍填平的夯坑同時進行夯擊,完畢后,用推土機平整場地。

第三遍：單位夯擊能為2000 kN·m,夯點滿堂布置,夯擊完畢后,用推土機再次平整場地。

第四遍：單位夯擊能為1000 kN·m,用輕錘、低落距（4 m～5 m）連續(xù)滿拍2～3擊,將表層土夯實拍平。

夯擊全部完畢后,經檢驗合格,在夯面以上及時鋪設3∶7灰土墊層,其壓實系數均不小于0.95,防止強夯表層土曬裂或受雨水浸泡。

調蓄池基礎強夯處理的范圍較大,達24萬m2,為保證強夯效果,在場地內選取24 m×26 m的區(qū)域進行先期強夯試驗,驗證夯擊試驗效果。通過試驗,現場試驗區(qū)基礎土層經強夯經處理后,約6 m～7 m深黃土層的濕陷性得以消除,強夯試驗結束后7 天,在試驗區(qū)處理部位挖掘探井,對探井取土進行干密度、壓縮系數、濕陷系數等指標測定（圖1～圖3）。測定結果表明,經強夯處理后,基礎黃土層濕陷消除深度可達6 m以上,濕陷性系數均小于0.015。由此可見,設計選用的強夯處理效果較好,強夯處理后的基礎滿足設計要求。

圖1 強夯后干密度與孔深關系

圖2 強夯后壓縮系數與孔深關系

圖3 強夯后濕陷系數與孔深關系

4 調蓄池基礎防滲處理

針對黃土基礎防滲處理,國內學者也做了廣泛的研究[4-5]。

根據地質資料,本工程壩基表層為①層素填土、②-1層黃土（Q3eol）,中部有②-2古土壤（Q3eol）,下部③層黃土狀壤土（Q2eol）,地層從新至老共分為三層均為弱透水層,滲透系數小于1×10-4cm/s,因此壩址位置存在微弱透水性。

調蓄池底部高程754.00 m,最高運行水位為768.00 m,最大水深14.00 m,場地現狀地下水位埋深約80 m,根據現行規(guī)范判斷,調蓄池可能存在流土型滲透變形,因此需對庫底采取防滲處理措施。

通過試驗得出土的比重Gs及天然孔隙率n,經計算可知黃土的臨界比降為0.85,水力比降建議值為0.40。本次設計對調蓄池底部采用復合土工膜進行防滲,防滲結構從下至上依次為：3∶7灰土100 cm、復合土工膜防滲層（兩布一膜）、瓜片石厚10 cm、混凝土塊護底厚10 cm,并且將庫底土工膜與壩體上游坡面土工膜連接,形成完整的防滲體系（圖4）。

圖4 庫底及岸坡防滲布置示意圖

在設計防滲方案的基礎上,對壩體滲透穩(wěn)定及滲流進行了計算,強夯壓實后的黃土滲透系數較小,約為3.82×10-4cm/s,壩體新填筑土體滲透系數為3.89×10-4cm/s。

經計算,調蓄池壩體在各計算工況下逸出點最大滲透坡降均小于壩體填土的允許滲透坡降,最大值為0.207,小于壩體填土允許滲透坡降值0.40。

從滲漏量方面來看,正常蓄水位穩(wěn)定滲流工況計算出的最大單寬滲漏量最大,為8.72×10-6m3/（s·m）,單寬滲流量約為0.75 m3/d。

由計算可以看出,在設計防滲方案措施下,調蓄池壩體滲透穩(wěn)定滿足規(guī)范要求,滲漏量較小。

5 結論

（1）本文在地質勘察的基礎上,對工程區(qū)場地地基黃土濕陷性做出定性判斷,明確地基處理范圍和深度。

（2）結合現行規(guī)范標準并參考類似工程經驗,針對項目區(qū)調蓄池基礎黃土濕陷性問題,采取強夯法對地基基礎進行處理,并選取試驗區(qū)進行強夯試驗,場地基礎經強夯后,基礎黃土層濕陷消除深度可達6 m以上,濕陷性系數均小于0.015。

（3）地基處理完畢后,采用3∶7灰土、復合土工膜等進行地基防滲處理,并對壩體滲透穩(wěn)定和收留進行了計算分析,計算結果在可控范圍內。