某長距離干渠BSP段濕陷性黃土地基處理措施分析

潘奕舟

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

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某長距離干渠BSP段濕陷性黃土地基處理措施分析

潘奕舟

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

摘要：在該長距離輸水干渠BSP段存在的濕陷性黃土中，存在著物理壓力指標較差的問題，給該區(qū)域水利設(shè)施的安全運行帶來了很大的不便，所以，必須采取有效的施工方案對其進行處理。為了確保長距離輸水干渠安全、穩(wěn)固的運行，文章在參考已有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)工作經(jīng)驗，采用夯實法和翻填法對這一干渠進行模擬處理，并根據(jù)施工單元之間存在的差異選擇與之相適應(yīng)的處理措施。

關(guān)鍵詞：輸水干渠；濕陷性黃土；原因分析；地基處理；措施；分析

0前言

在城市化進程不斷加快、農(nóng)村經(jīng)濟不斷提高以及市場經(jīng)濟體制不斷完善等因素的共同作用下，所需的用水總量也在逐漸增加，而輸水渠道是運輸水的主要交通樞紐，在很大程度上緩解了中國用水緊張的問題。

此外，新疆處于中國西北地區(qū)，地形多以沙漠為主，屬于嚴重缺水地區(qū)。所以，采取積極有效的措施發(fā)展和完善新疆地區(qū)的水利設(shè)施建設(shè)具有十分重要的意義。

但由于長距離渠道具有渠線較長、涉及地形復(fù)雜多變、氣候條件不穩(wěn)定等特點，使得我們在開展工程建設(shè)時常常能會遇到許多新的地質(zhì)問題，嚴重阻礙了工程的質(zhì)量和安全性能，所以，我們有必要對其進行深入的分析與研究。

1工程地質(zhì)條件

1)KS河沖洪積扇(8+000～26+850),濕陷性黃土總長度為L=40.5 km，深度在0～1 m范圍內(nèi)的土壤屬于強濕陷性黃土，深度在1～2m范圍內(nèi)的土壤屬中等濕陷性黃土，深度在2 m以下的土壤屬于非濕陷性黃土[1]。

2)GP沖洪積扇區(qū)(26+850～62+040)濕陷性黃土總長度為L=35.443 km，深度在1～3 m范圍內(nèi)的土壤屬于輕~強濕陷性黃土，深度在3 m以下的土壤屬于非濕陷性黃土。

3)BSP段(62+040～97+500) ，濕陷性黃土總長度為L=25.82 km，BSP段的粉土大多為濕陷性土壤，具有嚴重的濕陷現(xiàn)象和少量的非自重濕陷現(xiàn)象。

4)輕微濕陷性下限深度大部分都處于地表以下的5～7 m范圍之內(nèi)，部分地區(qū)深度可達10 m左右，<10 m以下的地區(qū)屬于非濕陷性黃土；中等濕陷性下限大部分處于地表以下2～3 m，部分地區(qū)深度可達4～5 m，濕陷最為嚴重的區(qū)域可達到7.5 m左右，<7.5 m深度的部分大多屬于非濕陷性黃土。

5)受自重壓力和流水侵泡的影響，自重濕陷性黃土地基的土體結(jié)構(gòu)遭到了一定的破壞，從而產(chǎn)生較為嚴重的黃土附加下沉現(xiàn)象；非重濕陷性黃土在受到自重壓力下和水的浸泡等因素的影響之后，其出現(xiàn)附加下沉黃土的現(xiàn)象不是很明顯。

2黃土的濕陷性等級

2.1濕陷性原生黃土

濕陷性原生黃土是在晚更新世紀中晚期出現(xiàn)的產(chǎn)物，主要以直徑為0.075～0.005 mm的顆粒物為主，占到了整個濕陷性原生黃土的76%左右，而直徑>0.075 mm的顆粒物則站到了濕陷性原生黃土的10%左右,<0.005 mm的顆粒物占到了整個濕陷性黃土的約14%；天然含水量多集中在2.9%～11.4%，屬于低液限粉土。

2.2濕陷性次生黃土

次生黃土的黏粒含量則在16%～21%、有效粒徑在0.0013～0.0022 mm，屬于低液限黏土,其天然含水量在14.8%～23.2%。

在《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中明確規(guī)定了：次生黃土在天然環(huán)境中屬于不凍脹或弱凍脹土。但是，一旦次生黃土的含水量增加，就會對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的改變，使其成為強凍脹性土,需要采取積極有效的措施對其進行處理。

此外，在《土工試驗規(guī)程》SL237—1999文件中指出：開展室內(nèi)壓縮試驗時，需要采用雙憲法進行，試驗壓力分為(50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa)等3~5等級毛病測定黃土的濕陷系數(shù)δs值,為后期工作的開展提供有力的數(shù)據(jù)支撐[2]。具體情況見表1。

表1　實驗壓力原位與室內(nèi)濕陷實驗的成果表

2.3濕陷性黃土的濕陷系數(shù)與濕陷級別的判定

文章在參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287—99規(guī)范之后，采用200 kPa壓力對黃土進行處理，從而判斷其濕陷系數(shù)和濕陷級別的,結(jié)果顯示[2]：黃土距離深度在距離地表1～2m內(nèi)的范圍內(nèi)，其濕陷性系數(shù)在0.02～0.084，屬于弱～中等濕陷。

1)文章研究渠道在通水過程中承受的實際壓力約在70 kPa，結(jié)合本工程的實際情況以及多個坑空內(nèi)濕陷實驗接管，得出了當(dāng)黃土承受壓力<100 kPa時，黃土濕陷層距離地表的深度約在0～5m之間，其濕陷性系數(shù)在0.017～0.11，屬弱～強濕陷性黃土。

2)在《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB50025—2004中則明確指出，該工程中所涉及的黃土屬于非自重濕陷性場地：①當(dāng)壓力<200 kPa時,黃土的濕陷深度為500 mm,濕陷等級為Ⅱ級；②當(dāng)壓力<100 kPa時，黃土的濕陷量為243.5 mm,濕陷等級為Ⅰ級[3]。

3渠段黃土濕陷性分析

3.1挖方渠道黃土濕陷性分析

由于渠道在實際通水過程中所承受的壓力70 kPa，所以，該渠道屬于挖方渠道，采用100 kPa壓力(大于實際通水時的壓力)對黃土濕陷性渠道進行處理是符合標準的。在挖方渠道區(qū)域內(nèi)深度在黃土地表0～5m之間所承受的壓力在5～35 kPa之間，在100 kPa壓力作用下，濕陷系數(shù)在0.035～0.055，黃土濕陷類型屬于中等濕陷；方渠道區(qū)域內(nèi)深度在黃土地表5～10m所承受的壓力為120～150 kPa。在100 kPa壓力的作用下，濕陷系數(shù)載0.008～0.01，該區(qū)域的黃土為出現(xiàn)明顯的濕陷性。而渠道達到飽和狀態(tài)時則存在著以下3種情況[4]：

1)當(dāng)黃土區(qū)域內(nèi)，渠道挖深10 m時，渠身均處于非濕陷黃土層內(nèi),沒有黃土濕陷變形的問題存在。

2)當(dāng)黃土區(qū)域內(nèi)，渠道挖深5～10 m時，渠基持力土層表現(xiàn)為非濕陷性黃土,渠坡處于濕陷性黃土層以內(nèi),黃土沒有出現(xiàn)較大程度的濕陷變形，對此，可以采用換填處理和增設(shè)排水措施的方法來緩解因渠道滲漏而產(chǎn)生的凍脹性問題，最大限度的防止黃土濕陷性問題對渠道帶來的不安全影響。

3)當(dāng)黃土區(qū)域內(nèi)，渠道挖深<5 m時，所有渠道都處于黃土濕陷性土層內(nèi),具有較大程度的黃土濕陷變形問題。當(dāng)壓力為100 kPa時,隨著挖深的不斷增加,總濕陷變形量隨之減小，當(dāng)挖深深度為1 m時，黃土所表現(xiàn)的總濕陷量最大，理論計算值為345 mm。100 kPa附加壓力下挖方渠道不同挖深總濕陷量詳見表2。

但是，如果采用換填和增設(shè)排水等措施對渠道基礎(chǔ)進行處理，黃土的含水量就不容易達到飽和狀態(tài)，濕陷變形的問題也不會發(fā)生。

表2　100 kPa附加壓力下挖方渠道不同挖深總濕陷量

綜上所述，就此工程而言，采取換填處理和增加排水量等方法對黃土濕陷問題進行處理，能有效的防止渠道滲漏帶來的凍脹性，消除了黃土的濕陷性。

3.2黃土濕陷性變形及流固耦合分析

就該渠道而言，某些區(qū)段的黃土層具弱～中等濕陷性，而當(dāng)前國內(nèi)有關(guān)資料顯示，在處理此類問題時，由于存在著附加荷載的因素，使得對其進行處理時不能一概而論，而是要根據(jù)實際情況采取針對性的處理措施對其進行處理，最大限度的確保施工質(zhì)量。

此外，由于黃土產(chǎn)生濕陷變形的主要條件是土層飽和度達到85%以上，所以，對于非自重濕陷性黃土所產(chǎn)生的濕陷變形而言,基礎(chǔ)土層飽和與附加荷載都是其必不可少的條件。而基礎(chǔ)土層在大氣降水、地表水流入滲環(huán)境以及時間等諸多因素的影響下，其水文環(huán)境呈現(xiàn)出了十分明顯的復(fù)雜性，很難判斷其飽和程度[5]。

4處理措施

由于BSP段濕陷性黃土具有長度較長、濕陷性土層物理力學(xué)指標較差等特點，所以，在采取施工方式對其進行施工作業(yè)時，不僅要考慮濕陷性黃土的處理措施，同時還要對其地基進行科學(xué)合理的加固。就目前而言，處理濕陷性黃土問題的方法主要有換填砂礫石法、浸水法、擠密法、翻填法和夯實法等。

文章根據(jù)該工程的實際情況，決定采取夯實法及翻填法2種方法對其進行模擬處理，并根據(jù)各渠段的具體情況選擇與之相對應(yīng)的方法對其進行處理，為后期此類工程的處理提供有力的參考依據(jù)[6]。

4.1夯實法

采取夯實法對該工程項目進行施工作業(yè)時，由于夯擊能、錘底面積、土體干容重、土體含水量等因素在很大程度上影響了夯實工作的有效性，必須采取模擬的方式來衡量此類方法的利弊。通常情況下，當(dāng)土體中的含水量調(diào)整到最優(yōu)含水量的標準時，可以依據(jù)公式和規(guī)范確定準確的加固深度，以確保施工質(zhì)量。

在《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》( GB50025—2004)的文件中明確規(guī)定了，使用強夯法處理濕陷性黃土地基時，需要使土壤中的天然含水量保持在1%～3%之間，以便于很好的提高工程的施工質(zhì)量。在模擬夯實的土層試驗中：

1)當(dāng)土壤中水的含量低于10%時，需要采取增濕的方法使其接近最優(yōu)含水量。

2)當(dāng)土壤中的天然含水量超過塑限含水量3% 以上時，則需要采用晾干或其他措施降低土壤中的含水量。

隨著我國市場經(jīng)濟體制的不斷完善，新疆地區(qū)的城市化進程逐漸加快，在很大程度上刺激了該區(qū)域的用水需求，而濕陷性黃土的存在在很大程度上影響著渠道的輸水量，為該區(qū)域的發(fā)展帶來了嚴重的不便，必須對其采取積極有效的措施加以應(yīng)對。

該渠道的BSP段中強濕陷性土層厚度大多在2～3 m，局部區(qū)域厚度甚可達到7.5 m左右。山坡區(qū)處理長度為L=5.09 km，含水率在0.7%～6.4%，平均含水率為2.2%，含水率相對較??；沖洪積扇樹林區(qū)含水率在4.1%～14.7%，平均含水率為8.4%；沖洪積扇植被不發(fā)育區(qū)含水率在3.6%～13%，平均含水率為7.2%；洪積扇耕地區(qū)(L=21.62 km)含水率在2.5%～14%，平均含水率為5.6% 。

在參考類似工程的其他施工措施之后，我們得出：

1)實施強夯處理方案是，黃土的含水率必須是>6%的濕陷性土。

2)沖洪積扇區(qū)總長度為L=21.62 km，處理渠段長度為L=19.25 km，此渠段粉土平均含水率均在6%以上，可采用高能量強夯對其進行處理。

3)丘陵山坡區(qū)總長度為L=5.09 km，需處理河段長度為L=4.22 km，該渠段粉土平均含水率大多<3%，需縣對其進行增濕處理之后在使用天然狀態(tài)下強夯處理的施工工藝對其進行施工處理[7]。

4.2翻填法

翻填法是指在對BSP河段進行施工處理時，先開挖填方及半填半挖段渠地基下2～3 m厚度的中強濕陷性粉土，把整個大的施工場地劃分為若干個施工單元，并在施工現(xiàn)場進行濕陷性粉土制備，然后再將處理后的土料逐層堆積成土牛，在土牛中部區(qū)域挖出一個成矩形狀的凹槽，凹槽的深度和寬度則可根據(jù)土牛的實際體積來確定。最后則是在槽內(nèi)注入2/3高度的水，并將挖出的土料適當(dāng)?shù)幕靥畹骄匦尾壑?，進行悶料處理和對表面進行不定時的補水。待濕陷性粉土制備好之后，使用2 m3挖掘機挖裝15 t自卸汽車將糞土運輸?shù)教钪妫褂霉β蕿?18kw的推土機進行平料處理、并采用人工輔助的方式使填筑面盡量的平整，同時使用功率為2.8 kW的蛙式打夯機對施工面進行分層夯實。適時對其進行灑水處理，以確保含水率接近最佳施工的含水量，在對其進行回填并壓實，壓實度P≥0.98，最終實現(xiàn)修復(fù)消除土層的濕陷性的目的。

4.3方案比較

對兩個施工方案進行分析，比較兩種施工方案之間的單價、投資金額、優(yōu)缺點以及工程的可靠性等因素，具體情況如表3所示：

表3　渠道濕陷性地基處理方案比較表

5結(jié)語

受BSP段濕陷性粉土問題較為嚴重、所處環(huán)境和氣候條件相對復(fù)雜等因素的影響，綜合考慮每個施工單元的實際情況，根據(jù)具體問題具體分析的原則選擇不同的處理方法，以便于最大限度的提高該工程項目的施工質(zhì)量，但是，隨著當(dāng)?shù)鼐用裼盟枨罅康脑黾雍铜h(huán)境污染現(xiàn)象日益嚴重，不能采用傳統(tǒng)的施工工藝對其進行處理，只有在日常的工作中不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗，積極完善自身的專業(yè)技術(shù)知識，才能有效的發(fā)現(xiàn)施工過程中出現(xiàn)的問題，并采取積極有效的措施加以應(yīng)對。

參考文獻：

[1]中華人民共和國建設(shè)部.GB50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

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[作者簡介]潘奕舟(1984-)，男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，從事水利工程地質(zhì)勘察工作。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號：TV223

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)10-0067-04