濕陷性黃土壩基濕陷性評價探索研究

韓基冠

(寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司 銀川 750004)重慶石柱 409100;3.宜昌瑞派爾特種工程技術有限責任公司 湖北宜昌 443000)

1 前言

濕陷性黃土及黃土狀土占據了全國西部及中部的較大區(qū)域范圍,在此范圍內的河谷、溝谷當中修建了大量的土壩,其中包括許多中型及小型水庫。壩高從幾米至幾十米,由于在河谷中普遍發(fā)育有數(shù)量不等的階地,階地的寬度也相差很多,階地類型從上疊、內疊至基座各有不同,其上部的濕陷性土層的厚度也很不一致。

由于水庫壩基的以上差別,壩基處理方式也各有不同,濕陷性土層較薄的很容易處理,直接挖出即可,但濕陷土厚度較大的壩基,又同時具有一定的壩高,壩底寬度就會很大,一般全部挖除的費用較大,通常的處理方式是采用預浸水、灰土 (素土)擠密、強夯等方法處理。壩基通過以上處理后,土壩的壩體部分直接在處理后的壩基上填筑。

因此,壩基濕陷性的評價就顯得尤為重要。

國標 《水利水電工程地質勘察規(guī)范》GB50487-2008附錄T中對于濕陷的評價方法應與現(xiàn)行國家標準 《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025的評價方式有所區(qū)別,但大部分內容還是基本一致的。一般濕陷性土的評價已不是什么新內容,對此國標 《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025-2004當中已有詳細的規(guī)定,即1)基底下10m以內的土層應用200kPa,10m以下至非濕陷性黃土層頂面,應用其上覆土的飽和自重壓力 (當大于300kpa壓力時仍應用300kPa);2)當基底壓力大于300kPa時,宜用實際壓力;3)對壓縮性較高的新近堆積黃土,基底下5m以內的土層宜用100-150kPa壓力,5-10m和10m以下至非濕陷性黃土層頂面,應分別用200kPa和上覆土的飽和自重壓力。從上述建筑規(guī)范的評價中可以看出,其第1)和第3)條并不適用壩基的濕陷性評價,主要原因在于隨著壩體的增高,壩基附加應力及總應力也增大了許多,一般10m以上壩高,其附加應力就已超過200kPa,這與一般建筑物的基底壓力有較大區(qū)別。另一個與一般建筑物具有較大區(qū)別的是由于不同壩段填筑高度不一致,造成壩基附加應力不同的難點,即不同壩段應根據總應力的不同采用不同的試驗壓力進行濕陷性評價,這樣就使得試驗評價工作很復雜。也使得壩基處理變得復雜起來。因此評價中的第2)條 (當基底壓力大于300kPa時,宜用實際壓力)的規(guī)定,在實際操作過程中也顯得比較復雜。實際操作簡單的方法還是采用固定應力或壓力的評價方法,那么對于壩基來講,采用什么應力來評價是問題的關鍵。土石壩工程壩基下的豎向總應力由其自重和壩體荷載引起的附加應力疊加組成。在淺層范圍內壩基應力,并不隨著深度的增加而減小,而是隨著深度增加而加大,因此濕陷性土層壩基的濕陷性評價壓力應根據該土層所在的深度及應力進行評價,而不是按照通 常所謂的“基底下10m以內的土層應用200kPa,10m以下至非濕陷性黃土層頂面,應用其上覆土的飽和自重壓力(當大于300kPa壓力時仍應用300kPa”進行評價。

濕陷評價壓力不僅針對天然壩基,而且針對通過預浸水、強夯、擠密等方式處理的壩基,也就是說處理后的壩基在設計荷載作用下是否濕陷,是評價的最終原則。這與壩基處理的深度和強度都產生了很大關系,如何正確把握好此類壩基的處理原則,是對于一個好的設計人員的考驗。

另外與評價應力直接相關的內容就是濕陷量計算了,應該說此時壩基的濕陷量即為設計荷載下的濕陷量,但該濕陷量的計算目前還沒有規(guī)范列出詳細可操作的計算方法,只有《碾壓式土石壩設計手冊》能源部、水利部水利水電規(guī)劃設計總院(一九九八)中,有一個黃土地基沉降計算,其關鍵參數(shù)是δsi——濕陷變形系數(shù),但該濕陷變形系數(shù)是預浸水試驗條件下的變形系數(shù),也就是說進行壩基處理時,要首先進行預浸水試驗,這樣操作起來很麻煩,不是所有場地都有條件進行,且從目前國內的預浸水試驗結果看,預浸水的試坑大小與濕陷變形量有很大關系。用小面積的試坑進行的預浸水試驗得出的結論,用于大面積的濕陷土壩基的計算,其結果還有很多不確定因素。如果使用室內試驗的濕陷系數(shù)或濕陷變形系數(shù)進行濕陷量的計算,一個不易確定的參數(shù)是β0——因地區(qū)土質而異的修正系數(shù)和β-考慮基底下地基土的受水浸濕可能性和側向擠出等因素的修正系數(shù)。

根據我區(qū)的幾個大型濕陷性黃土預浸水基坑的處理結果,β0——因地區(qū)土質而異的修正系數(shù)確實對濕陷量有較大的影響,計算自重濕陷量與預浸水的實際自重濕陷量差異很大,同屬于濕陷性黃土工程地質分區(qū)隴東-陜北-晉西地區(qū)的不同場地,其β0也有較大差異,也就是說β0對濕陷變形量是會產生影響的。按《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025計算濕陷變形量同樣會受土質等不易確定的條件的影響。

從以上的分析及一些場地的實際濕陷變形量看來,在目前條件下,通過計算濕陷變形量來控制壩體的最終沉降量,從理論和實際都還缺少充分的條件,對于濕陷性黃土壩基,最好不要殘留濕陷土,濕陷土日后處理很困難,這已被最近幾年的水庫出險加固工程所證實,而且處理不容易徹底。

鑒于濕陷性黃土壩基處理的復雜性,筆者根據我區(qū)已建成的幾座水庫壩基的處理經驗,提出以下處理建議。

(1)天然地基的濕陷性應根據壩基實際荷載進行評價。不能簡單采用建筑規(guī)范的評價原則進行。

(2)由于壩基荷載隨著壩高的增加而增大,評價應力應采用壩基下的豎向總應力進行評價比較符合壩基變形的設計原則,即天然壩基和處理后的壩基評價應力應與壩基沉降計算應力一致。

(3)在濕陷性壩基處理中和處理后的壩基沉降變形,必須與各不同壩段的沉降計算結合起來一并考慮,以達到最終控制變形不產生裂縫,水庫可以在設計水位正常運行的目的。

(4)鑒于目前濕陷變形量的計算還不成熟,壩基最終的濕陷量計算受多種條件限制,計算結果的準確性較差,濕陷性黃土壩基最好不要殘留濕陷量。以免給工程的正常運行帶來不利影響。

1 《水利水電工程地質勘察規(guī)范》.GB50487-2008

2 《碾壓式土石壩設計規(guī)范》.SL274-2001.