李家灣水庫大壩黃土濕陷性分析及處理措施

李硯青

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

李家灣水庫是山西大水網中部引黃工程的配套調蓄庫，地處保德縣南部黃河一級支流小河溝河上，大壩壩型為均質土壩。庫區(qū)黃土長期受流水侵蝕切割，溝谷發(fā)育。壩址區(qū)呈“U”型谷，谷底寬26～55m，壩軸線處寬40m，溝谷地形較寬闊平坦，地面高程1135m；兩岸自然坡度12°～60°，山梁高程1215～1245m；相對高差80～110m，屬典型梁峁狀黃土地貌。壩址左岸為單薄山梁，壩軸線處山梁底寬232m，緊靠壩軸線左岸下游背坡存在一小型滑塌體；右岸同為單薄山梁，壩軸線處山梁底寬320m。溝谷方向為N35°W，除洪水季節(jié)，平時無流水。

2 壩址區(qū)地層及其物理力學性質

壩址區(qū)發(fā)育地層巖性主要為古生界奧陶系上馬家溝組碳酸鹽巖和新生界上第三系、第四系松散堆積物。區(qū)內地下水位埋深很大，左右壩肩發(fā)育地層上部為第四系上更新風積低液限粉土，其下為第三系低液限黏土第四系上更新風積為灰黃色低液限粉土、砂質粉土，發(fā)育大孔隙，垂直節(jié)理，結構松散，質地均勻，厚10～55m。上第三系上新統(tǒng)為棕紅色低液限黏土、含礫低液限黏土夾數層鈣質結核、卵石混合土層，底部有4～5層單層厚度約1m的膠結狀礫石層，厚10～65m。

根據試驗資料，兩岸低液限粉土天然含水率6.4%～15.6%，平均值9.9%；天然密度 1.42～1.62 g/cm3，平均值1.52 g/cm3；干密度1.29～1.44 g/cm3，平均值1.38 g/cm3。水平滲透系數 0.65×10-4～8.53×10-4cm/s，平均值3.16×10-4cm/s，屬中等透水性。天然狀態(tài)壓縮系數 0.139～0.751 MPa-1，平均值 0.277 MPa-1，屬中等—高壓縮性土；壓縮模量2.776～13.533 MPa，平均值8.675 MPa。飽和狀態(tài)壓縮系數 0.303～1.199 MPa-1，平均值 0.651 MPa-1；飽和壓縮模量 1.681～6.452 MPa，平均值3.480 MPa。飽和快剪抗剪強度凝聚力11.4～19.4 kPa，平均值 16.5 kPa；內摩擦角 15.9°～27.2°，平均值15.9°。天然狀態(tài)自重濕陷系數0.002～0.057，濕陷系數0.009～0.066，土體多具輕微—中等濕陷性。

兩岸下部低液限黏土天然含水率4.0%～23.4%，平均值17.5%；天然密度1.52～2.04 g/cm3，平均值1.87 g/cm3；干密度 1.46～1.72 g/cm3，平均值 1.59 g/cm3。水平滲透系數 0.59×10-6～2.31×10-5cm/s，平均值 1.18×10-5cm/s，屬極微—弱透水性。天然狀態(tài)壓縮系數0.173～0.626 MPa-1，平均值 0.341 MPa-1，屬中等—高壓縮性土，壓縮模量2.942～9.179 MPa，平均值6.155 MPa。飽和狀態(tài)壓縮系數 0.200～0.703 MPa-1，平均值0.390 MPa-1；飽和壓縮模量 2.632～8.255 MPa，平均值5.406 MPa。飽和快剪抗剪強度凝聚力19.5～39.2 kPa，平均值 29.5 kPa；內摩擦角 17.2°～25.9°，平均值 22.1°。

從試驗統(tǒng)計數據可知，各層土的密度隨深度增加呈逐漸遞增的規(guī)律，黃土濕陷性與密度密切相關，隨著密度增加，濕陷性逐漸消弱，當黃土天然密度小于1.65 g/cm3時，具濕陷性，且密度越小，濕陷性越強烈；當黃土天然密度介于1.65～1.70 g/cm3時，低壓力（小于300 kPa）下基本無濕陷性，高壓力（大于300 kPa）下偶具濕陷性；當黃土天然密度大于1.70 g/cm3時，不具濕陷性。另外，天然孔隙比是影響黃土濕陷性的又一重要指標，各層土的天然孔隙比隨深度增加呈逐漸遞減規(guī)律，當黃土天然孔隙比大于0.90時，具中等—強烈濕陷性，當天然孔隙比介于0.84～0.90之間時，一般具輕微濕陷性，當天然孔隙比小于0.84時，一般不具濕陷性。各層土的壓縮性隨深度增加壓縮性逐漸降低，黏聚力則隨深度增加總體呈逐漸遞增的規(guī)律。

3 壩肩黃土濕陷性評價

濕陷性判別根據《水利水電工程地質勘察規(guī)范》進行初判，左右壩肩低液限粉土層為濕陷性土層，第三系低液限黏土層為不濕陷土層。根據《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》進行復判。

3.1 自重濕陷量計算值

自重濕陷量Δzs的計算值按下列公式計算：

式中：Δzs——自重濕陷量，mm；

δzsi——第i層土的自重濕陷系數；

hi——第i層土的厚度，mm；

β0——因土質地區(qū)而異的修正系數，取0.5；自重濕陷量自天然地面算起，至其下非濕陷黃土層的頂面為止。其中自重濕陷系數小于0.015的土層不累計。

3.2 濕陷量計算值

濕陷量的計算值Δs按下式計算：

式中：Δs——濕陷量，mm；

δsi——第i層土的濕陷系數；

hi——第i層土的厚度，mm；

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，在缺乏實測資料時，基底下5m（或壓縮層）深度內可取1.5；基底下5～10m深度內可取1.0；基底下10m以下，至非自重濕陷性黃土層頂面，在自重濕陷性黃土場地，可取工程所在地區(qū)的β0值。

3.3 判別結果

由濕陷性計算可知，左右壩肩低液限粉土層均存在濕陷性問題，場地總自重濕陷量在70～300 mm之間，為自重濕陷性黃土場地；總濕陷量在150～800 mm之間，左壩肩濕陷等級為自重濕陷場地Ⅲ（嚴重），右壩肩濕陷等級為自重濕陷性場地Ⅱ（中等），左右壩肩濕陷土層下限為第三系低液限黏土層頂部。

4 處理措施

4.1 技術措施

本場地低液限粉土濕陷土層埋深5～25m，其下限高程多低于壩頂高程。左右壩肩濕限性土層較厚，采用置換處理措施，開挖填筑工程量很大，經濟性較差，宜作為輔助措施。適于考慮常規(guī)強夯和素土擠密樁兩種措施進行濕限性土層處理方案比較，見表1。

表1 濕限性基礎處理措施比較表

從施工方法及施工設備對施工場地（壩肩為斜坡地段）的適應性和處理效果來看，素土擠密樁比強夯更能適應本工程的施工場地條件和處理深度要求。

4.2 素土擠密樁設計

素土擠密樁設計包括樁徑、樁距、排距、樁身和樁間壓實系數，以保證樁間土擠密后達到要求的密實度和消除濕陷性為原則。

擠密孔的孔位按正三角形布置，孔心距可按相關公式計算。以壩肩處土層的平均干密度1.5 g/cm3為例計算：當擠密處理深度不超過12m時，不宜預鉆孔，擠密填料孔直徑宜為0.35~0.45m；當擠密處理深度超過12m時，可預鉆孔，其直徑宜為0.25~0.3m，擠密填料孔直徑宜為0.5~0.6m，樁間土平均壓實系數不小于0.93。

依據地基處理計算結果，參照類似工程實踐經驗，在處理深度不大于12m時，擠密填料孔直徑取0.4m；大于12m時，擠密填料孔直徑宜取小值0.5m，并選取比計算值較小的孔距，使處理后的復合地基更趨均勻一致，消除黃土濕陷性效果更佳。

5 結論

通過對李家灣水庫黃土地基濕陷性的評價判斷及防治措施的研究，運用強夯或素土擠密樁等松散土層加密處理技術，結合場地條件進行一系列的黃土濕陷性處理方案組合及技術經濟比較，以篩選出最佳方案。素土擠密樁來料容易、施工便捷，適宜于濕陷性黃土地基處理特別是坡度較陡區(qū)域等特殊場地條件的工程，可供類似工程地質問題的水庫設計參考。