黃土地區(qū)引調水線路主要工程地質問題及對策

王新華

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001)

黃土地區(qū)引調水線路主要工程地質問題及對策

王新華

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001)

在廣泛收集資料及實地調查的基礎上，對黃土地區(qū)引調水線路工程地質勘察成功的經驗和失敗的教訓進行總結，論述黃土渠道、隧洞、邊坡和其他渠系建筑物主要工程地質問題及處理措施，進一步認識黃土地區(qū)引調水線路工程地質勘察主要工程地質問題。

黃土;引調水線路;黃土渠道;隧洞;邊坡;渠系建筑物

隨著黃土地區(qū)工農業(yè)生產的發(fā)展，近年來黃土地區(qū)引調水線路勘察愈來愈多，國內目前尚無黃土地區(qū)引調水線路工程地質勘察規(guī)范，勘察工作無章可循，勘察成果質量難以保證。在廣泛收集資料及實地調查的基礎上，基于多年黃土地區(qū)的勘察實踐經驗，對黃土地區(qū)引調水線路工程地質勘察成功的經驗和失敗的教訓進行總結，以指導黃土地區(qū)引調水線路工程勘察工作。

1 黃土渠道

1.1 主要工程地質問題

1.1.1 渠道滲漏

實踐證明，即使不存在砂卵石等強透水層的黃土渠道，滲漏量也是可觀的，在隴西及西北內陸盆地的新黃土中筑渠，初期通水常有水未達目的地而渠水全部滲完的情況發(fā)生。陜西關中使用多年的涇、洛、渭幾個大型老灌區(qū)，雖然主要渠道已采取了各種防滲措施，其滲漏損失仍達總引水量的40%～50%。黃土渠道滲漏不僅降低了工程效益，更重要的是可能引起渠道濕陷、渠水通過隱患潛流而造成渠堤串水、渠堤決口和渠基滑移等不良工程地質問題。

1.1.2 渠道濕陷變形

渠道通過具有自重濕陷的新黃土或新近堆積的黃土地段，通水后黃土因滲水浸潤而自重濕陷。其主要表現為地表下沉、渠堤裂縫和邊坡塌陷。甘肅永登永進渠1號洞以上自重濕陷黃土渠道，通水初期渠底平均下沉0.5～1.0 m，最大濕陷下沉量1.8 m，同時渠道兩岸黃土產生了坐落式階梯狀下沉。甘肅靖會灌區(qū)總干渠自重濕陷黃土區(qū)，通水7個月濕陷和裂縫渠段占總渠長60%。在關中、晉南局部地段，也發(fā)生類似問題。

1.1.3 渠基穩(wěn)定

黃土陡峻斜坡地段的渠道，可能存在渠基和外渠堤的穩(wěn)定問題。主要是指渠基滑移和渠堤決口，在自重濕陷性較敏感的隴西地區(qū)和不敏感的隴東地區(qū)，該類問題同樣存在，只是表現形式與程度不同。隴西地區(qū)黃土渠道渠堤決口問題嚴重，決口的方式有:① 渠堤局部濕陷沉降過大;② 渠水沿大的濕陷裂縫集中滲流、機械浸蝕和沖淘;③渠基側邊坡黃土濕陷坐滑坍陷堵塞渠槽。據調研甘肅永登永進渠在放水過程中，干渠沿線發(fā)生大小決口600多處(次)。隴東地區(qū)黃土渠堤主要是渠水沿著渠槽和渠堤下的黃土洞穴、黃土構造裂隙、滑坡裂隙等隱患的集中滲流造成渠堤侵蝕潰決。

1.1.4 黃土高邊坡穩(wěn)定

渠道通過原邊黃土高邊坡，如果設計施工不當，可能在渠道運行中，甚至在施工過程中失穩(wěn)破壞。其破壞的方式一般為崩塌。在暴雨、地震等因素參與下，可能發(fā)生滑坡。傍山渠道，也可能發(fā)生泥石流。黃土高邊坡的失穩(wěn)破壞，規(guī)模小的塌滑土體可掩埋渠槽，影響渠道正常通水，大規(guī)模的則可能毀掉該段渠道，造成更嚴重損失。

1.2 工程處理措施

對黃土渠道嚴重的滲漏和濕陷變形，要進行認真的工程處理，渠道才能安全通水使用。

1.2.1 黃土濕陷性處理

非自重濕陷黃土渠道地基處理基本程序:①開挖渠道，同時處理已查明的洞穴隱患和泉水;②試通水，處理試通水中發(fā)現的隱患;③防滲、防沖襯砌，④正式通水使用。

自重濕陷黃土渠道地基處理基本程序:①小斷面渠道開挖，同時處理已出現的黃土洞穴、裂隙;② 渠槽泡水，使黃土預先濕陷;③ 按渠道設計斷面施工，對Ⅱ級非自重濕陷黃土渠道及Ⅲ級自重濕陷黃土渠道采用原土翻夯1 m，加厚0.3 m的3:7灰土，對Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷黃土渠道，地基處理措施是原土翻夯1.5～2 m，鋪設厚0.5 m的3:7灰土⑤防滲防沖襯砌;⑥正式通水使用。

1.2.2 黃土洞穴隱患處理

據陜西寶雞峽引渭灌溉工程經驗，黃土渠道及其附近的黃土潛蝕洞穴、崖洞、古墓等重要隱患，必須按設計要求進行回填處理。

1.2.3 渠基泉水處理

渠道附近的泉水露頭與渠道的安全穩(wěn)定有密切關系。根據泉水出露情況可采取泉眼導流、分層排水、反濾排水、明溝排水、打排水孔(洞)排水等措施。

1.2.4 渠基裂隙處理

濕陷變形渠道的裂隙處理，主要采用翻土夯實，予以封閉。

2 黃土隧洞穩(wěn)定問題

隧洞是水利工程和其他工程經常采用的建筑物形式，在黃土塬邊和梁峁溝壑區(qū)，常以隧洞繞避，它既能減少深挖高填，回避高邊坡問題，縮短線路，管理養(yǎng)護方便，又有較好的隱蔽條件和抗震性能，施工方便等優(yōu)點，往往是比較經濟、安全的線路方案。

黃土隧洞的變形與否及穩(wěn)定程度主要取決于黃土的強度及其能否發(fā)揮其強度效應，而此與土性、含水量、結構與構造、施工方法和支護形式等有關。就土性而言，黃土為中高壓縮性、弱透水性土，洞進出口段黃土一般具中強濕陷性，黃土在干燥狀態(tài)下具有較高的強度，隧洞有較好的穩(wěn)定性，而遇水可能濕陷，強度迅速降低，垮塌破壞;黃土隨含水量的增高其強度有明顯降低，當含水量達到25%時，隧洞的穩(wěn)定性顯著降低。

2.1 飽和黃土隧洞穩(wěn)定問題

飽和黃土隧洞施工難度大，在地下水作用下，隧洞穩(wěn)定性差，常在頂拱發(fā)生塌方、邊墻發(fā)生滑動、墻腳流土(泥)、底板鼓出等變形破壞現象，破壞嚴重時，可造成流土(泥)堵塞隧洞、塌方冒頂至地表，造成重大的經濟損失，甚至人員傷亡，致使工程無法進行。

當飽和土隧洞施工開挖后，洞室土體處于臨空狀態(tài)，土體應力發(fā)生變化，以至于松弛，變形，在其強度因“水”飽和而降低的同時，在動水壓力作用下，而發(fā)生的滲透破壞為主的變形形式。洞室開挖后，地下水流態(tài)發(fā)生突然變化，洞室外圍水體由原來較為平靜狀態(tài)而轉為向洞室排泄，其水力坡降驟然提高許多倍，在過大動水壓力作用下，土體結構受到破壞，強度損失，發(fā)生變形破壞。

飽和土較一般自然下的非飽和土(W為10%～20%)抗剪強度降低30% ～50%，特別是凝聚力(c)值可降低近1倍。

根據洛惠渠5號、黑河少陵塬、馮家山2號等隧洞的施工經驗，在沒有先進機具的情況下(如使用盾構機施工)，采取排水固結飽和土隧洞是行之有效的施工方法。

2.2 濕陷性黃土隧洞穩(wěn)定問題

濕陷性黃土隧洞因地基遇水導致隧洞襯砌破壞的實例不少，如甘肅省西岔電灌工程早期建成的黃土隧洞進出口地基最大沉陷量達80 cm，甘肅省原永登東干渠4號洞出口段洞身下沉60 cm，均是洞身滲水引起地基濕陷。

甘肅省榆中三電工程豆家溝隧洞在濕陷性黃土段設計采用洞內壁水位以下部分全斷面掛兩層鋼絲網抹400#水泥砂漿厚3 cm，形成剛性防滲層，構件與圍巖間回填厚度不小于15 cm的150#砼防水層，環(huán)向砌縫填1:3水泥砂漿。該洞經多年運行，防滲效果良好。

由工程實例說明，對濕陷性黃土隧洞一定要采取可靠的防滲措施，防止洞身滲水引起地基濕陷。

3 黃土邊坡

3.1 主要工程地質問題

3.1.1 穩(wěn)定邊坡坡比選擇

坡高、坡比和坡型的關系，在一定的地質條件下，總坡比與總坡高必須相適應，才能維持穩(wěn)定，因而坡高與坡比是主要矛盾。但坡型選擇不當，往往也保證不了邊坡的長期穩(wěn)定。低邊坡可用直線型，中高黃土邊坡一般采用階梯型。有的邊坡太高，在邊坡上適當位置設平臺，有利于排水、養(yǎng)護和施工。

從陜西省寶雞峽引渭灌溉工程幾十年運用情況看:完整人工邊坡單級坡比0.6～0.5，坡高15～25 m ，平臺寬4～6 m，目前邊坡穩(wěn)定性較好;滑坡體黃土狀土邊坡，坡高不超過25 m，單級坡比0.33，小平臺寬2.0 m，絕大部分邊坡目前穩(wěn)定。

3.1.2 邊坡穩(wěn)定分析

1)強度指標的選擇

影響強度指標可靠性的因素是多方面的，應具體選用，盡可能求得合理。

(1)試驗儀器:直剪儀試驗的精度次于三軸儀試驗。但由于直剪試驗簡單，強度值較三軸結果一般偏小，從安全方面考慮，故多采用直剪儀試驗結果。

(2)土樣的代表性:計算公式一般假定土壤是均質的，但黃土常為多層結構，古土壤強度大于黃土，因此，對較高邊坡設計，應細致分層取樣，舍去反常值(c＞0.14 MPa，φ﹥35°)按層厚或滑弧長度進行加權平均，土體容重(r)按層厚加權平均選取。

(3)土壤含水量變化與強度關系:土壤含水量增加，抗剪強度減小，尤以凝聚力減少劇烈。如寶雞峽資料，野外取樣多在地表內1～1.5 m，含水量平均為19%，但坡體內部含水量多為22%。在魏家堡打平洞取樣試驗比較，含水量由19%增至22%時，φ值降低4% ～7%，c值降低20% ～30%。

(4)黃土的各向異性問題:試驗證明黃土的抗剪強度具有各向異性。在特殊高邊坡中，應考慮各向異性的影響，剪切面應盡量和最險滑面方向一致，對于一般邊坡計算，可以采用水平方向抗剪強度。

(5)關于峰值問題:試驗室所得結果，一般為峰值強度，坡體滑動面上的抗剪強度均低于峰值強度，因此，在計算中采用峰值強度是不夠安全的，可按水利水電工程邊坡設計規(guī)范(sl386－2007)條文說明4.4.9提出的方法折減。

2)穩(wěn)定分析方法

黃土邊坡穩(wěn)定性計算時，滑動面可假定為圓弧，并考慮裂隙的影響，宜采用簡化Bishop法進行計算，其安全系數應滿足水利水電工程邊坡設計規(guī)范(sl386－2007)表3.4.2規(guī)定的要求，否則應對邊坡進行支護。當單級坡高超過10m時，應對單級坡作局部穩(wěn)定性驗算。

3.2 邊坡防護措施

由于黃土的特性及氣候因素的影響，黃土人工邊坡上的剝落、面蝕(或沖刷)及表層滑落等現象，較為普遍，特別是高邊坡坡腳應力集中帶，受到應力松弛、剝落和沖刷的交替作用，逐漸降低邊坡的穩(wěn)定性，因此，要保障邊坡的長期安全穩(wěn)定，邊坡須采用防護措施。邊坡的防護措施主要是排水與護坡兩方面，但排水措施更為重要。排水主要采用天溝、側溝和平臺排水溝等措施。坡面防護根據氣候環(huán)境采用工程、植物或復合型生態(tài)防護技術。

4 渠系建筑物

4.1 主要工程地質問題

渠系建筑物種類繁多，各類建筑物對地基的要求不一定相同，同一地質條件可能出現不同的工程地質問題。黃土地基的濕陷變形，是渠系建筑物的主要工程地質問題。

建筑物對黃土地基有附加荷載，非自重濕陷性黃土在某一荷載下即可濕陷變形，自重濕陷黃土地基的變形更嚴重。抽水站的廠房和出水池，以及過溝建筑物的地基有不少濕陷破壞的例子，例如甘肅三角城二泵站，出水池濕陷下沉，前后濕陷變形量總計達1.5 m。

4.2 建筑物地基處理

濕陷性黃土地基處理，應根據建筑物的類別、場地的濕陷類型、濕陷性黃土的厚度、濕陷系數、自重濕陷系數、濕陷起始壓力沿土層深度的分布，并考慮因地制宜、就地取材、保護環(huán)境以選用表1中的一種或幾種相結合的處理方法。地基處理施工前，對已選定的地基處理方法，宜在有代表性的場地上進行試驗或試驗性施工。

表1 濕陷性黃土地基常用的處理方法

5 填方工程

5.1 填方渠道濕陷性評價問題與處理

渠基黃土濕陷性評價中，要重視填方段研究，非自重濕陷性渠基，由于填方，自重壓力增大，可能變?yōu)樽灾貪裣菪郧?，必須調整渠底高程或采取處理措施。

5.2 填方材料(黃土)的勘察與評價

濕陷性黃土作為填筑料，經過開挖、搬運擾動，重新回填，有可能已不具備濕陷性，但有的還可能具有濕陷性，其關鍵在于土料的含水量和壓實度。當含水量合適，壓實度接近1時，就不會產生濕陷，否則有可能還存在濕陷。因此，在填方設計時必須考慮這一特性。在土料勘察時，要重視原狀土的含水量的變化規(guī)律，利用探井詳細測定其含水量(每m一樣)，并進行土料標準擊實試驗，求得最大干密度時的最優(yōu)含水量。

控制填方干密度是消除濕陷的關鍵。在不同干密度情況下，可以出現不同的濕陷系數;在同一干密度不同含水量的情況下，也可出現不同的濕陷系數。只有當填料達到最優(yōu)含水量的情況下，并達到最大干密度時，填方才不存在濕陷。根據陜西濕陷性黃土擊實干密度和濕陷系數曲線關系，當土的干密度大于1.55 g/cm3時，在200～300 kpa壓力下浸水，黃土基本不具濕陷性。

土石壩規(guī)范規(guī)定，壩體含水量一般應控制最優(yōu)含水量附近，其上下限偏離最優(yōu)含水量不超過土2% ～3%，就濕陷性黃土填料而言，如含水量相差3%，則其濕陷程度相差可能很大。而且根據濕陷規(guī)律，高含水量比低含水量好，但較高的含水量有可能因碾壓而形成橡皮土。上述一些特征都是在填方設計中應予以注意的。

［1］GB50025－2004.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2004.

［2］GB50487－2008.水利水電工程地質勘察規(guī)范.北京:中國計劃出版社.2009.

［3］濮聲榮.陜西水利工程實踐.西安:陜西科學技術出版社.2002.

TV67:TU444

B

1004－1184(2012)03－0186－03

2012－01－09

王新華(1963－)，男，陜西大荔人，高級工程師，主要從事水利水電工程地質、水文地質勘察及技術管理工作。