濕陷性黃土特性的水利工程措施研究

田娟娟

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 山西 太原 030002）

1 禹門口提水東擴(kuò)工程項目研究概況

1.1 工程情況概述

禹門口作為黃河晉陜峽谷的南端出口，對其提水工程的建設(shè)和東擴(kuò)，對于周邊城市工農(nóng)業(yè)用水有著極其深遠(yuǎn)的意義。禹門口東擴(kuò)工程通過對輸水渠道、輸水干線的改造和拓展，解決著山西省中南部部分區(qū)縣的保障性用水問題，從西梁水庫到三泉水庫的改建，使得運城、臨汾可以得到的供水量大幅度增加，保證了基本的生活需求。禹門口提水東擴(kuò)工程從一期項目到二期項目的實施過程中，已共向周邊縣市供水16000萬m3左右。

1.2 工程地質(zhì)條件

禹門口位于濕陷性黃土存在的重要區(qū)域，其東擴(kuò)的線路主要經(jīng)過汾河河谷以及洪積傾斜平原區(qū)等地區(qū)，全新統(tǒng)洪積和更新統(tǒng)洪積占據(jù)著沿線地質(zhì)結(jié)構(gòu)的絕大部分，這些低液限粉土、粘土的巖性較差，為施工增加了難度，這樣的地質(zhì)狀況也就對工程建設(shè)的質(zhì)量要求越來越高。從下面表1中我們可以看到，山西禹門口提水東擴(kuò)工程項目是典型的濕陷性黃土地的施工項目，一旦遭遇濕熱或雨水等天氣，土體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就會大大降低，容易產(chǎn)生下榻和變形的現(xiàn)象。正是基于此種狀況，在工程的設(shè)計之初，施工方和設(shè)計方都更加注重了建筑物的施工方式和材料選擇，增加了灰土擠密樁的處理等，有效地預(yù)防了相關(guān)易發(fā)事件的出現(xiàn)。

2 山西禹門口提水東擴(kuò)工程濕陷性地基研究

2.1 研究方案的規(guī)劃和確定

禹門口提水東擴(kuò)工程建設(shè)方案的確定，經(jīng)歷了資料文獻(xiàn)總結(jié)、實地勘探研究等重重分析與考察，對禹門口提水東擴(kuò)工程沿線的地質(zhì)地貌、土質(zhì)狀況等進(jìn)行了認(rèn)真的探討，通過以試驗分析為主，計算分析為輔的思路，根據(jù)得出的有關(guān)工程的切實有效的信息制定了工程建設(shè)方案。通過分析，我們對非自重和自重濕陷性黃土的兩個區(qū)域進(jìn)行了分別測試，將陷落嚴(yán)重的區(qū)域通過浸水的方式進(jìn)行現(xiàn)場靜載荷試驗。山西禹門口提水東擴(kuò)工程的設(shè)計者也基于其土質(zhì)現(xiàn)狀的考慮，對3組不同土層進(jìn)行了平板載荷的試驗，還通過濕陷性土質(zhì)的干密度、抗壓力等指標(biāo)進(jìn)行測量，根據(jù)不斷得出的試驗結(jié)果將工程的設(shè)計方案進(jìn)行著不斷的完善和優(yōu)化。

表1 工程沿線基礎(chǔ)濕陷性情況統(tǒng)計表

表2 試驗場地基本情況表

表3 試驗場地濕陷計算成果表（β0=0.5）

2.2 試驗場地的選擇和分析

根據(jù)工程沿線的地質(zhì)特點和工程設(shè)計方案，結(jié)合前期的相關(guān)試驗結(jié)果進(jìn)行分析，我們對濕陷性黃土的分布特點有了初步了解，鑒于此工程師們有針對性的選擇了有代表性的不同地質(zhì)和區(qū)域階段工程項目進(jìn)行勘探。首先，試驗場地的地貌和地層都具有濕陷性黃土的分布；其次，在進(jìn)行選擇時著重考慮了黃土濕陷性程度較高的地方；再次，濕陷性黃土地存在的地層較厚，并有充足的水源可供使用。通過對選取試驗地點地質(zhì)的分析，我們可以根據(jù)表2、3的試驗結(jié)果得出:北莊村22+300.00附近沿線工程地質(zhì)為自重Ⅳ級；南唐村樁號45+400.00附近沿線工程地質(zhì)為自重Ⅲ級。在北莊村和南唐村的其他試驗抽樣中也存在自重II和非自重I的情況。

2.3 試驗樣本的選取和檢驗

禹門口提水東擴(kuò)工程中通過各方面綜合考慮選取的北莊村和南唐村兩個場地后，分別對其進(jìn)行了探井取樣。北莊村在地下9.8m、8m、6m、4m和1.5m處進(jìn)行了取樣分析，其地質(zhì)分析表明，其上部分地層巖性主要由粉土組成，粘性居中，但其結(jié)構(gòu)十分松散，屬于上更新統(tǒng)洪積（al-plQ3）；其下為中更新統(tǒng)洪積，有著少量鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)。南唐村采取了從地下9m、8m、6m、4m和1.5m處進(jìn)行了取樣，經(jīng)過試驗檢測得出其上主要為上更新統(tǒng)洪沖積，呈黃褐色，含有細(xì)砂；其下為第四系中更新統(tǒng)洪積Q2黃褐色低液限粘土，含少量鈣質(zhì)結(jié)核。

2.4 室內(nèi)試驗

根據(jù)表3中的試驗結(jié)果，我們可以得出北莊村和南唐村的試驗場地中的地質(zhì)都含有大量的低液限粘土，但北莊村的自重濕陷計算結(jié)果為99mm左右，超出了濕陷性黃土地的建筑規(guī)范，被定義為了自重段濕陷性黃土地Ⅱ類（中等）。南唐村場地的試驗結(jié)果表明其為非自重濕陷性黃土場地。

2.5 現(xiàn)場試坑浸水試驗

現(xiàn)場實驗的場地中，規(guī)劃了一個直徑長達(dá)10m的圓形大坑，其深度為0.6m，底部鋪了大約0.1m的細(xì)礫石，圓周墻壁上對稱設(shè)計了8個用于滲水小孔，并在其中填滿了與底部相同的礫石。隨后，在大坑內(nèi)部分別設(shè)置了多個標(biāo)尺和監(jiān)測點：其中標(biāo)尺共有13個，距離其中點1m、2m、4m距離處各設(shè)置了標(biāo)點。此外還在距離大坑中點5.5m、7m、10m、16m處的外圍地面上也設(shè)置了對稱的標(biāo)點。為了保證本次試驗不受到墓穴等地下構(gòu)造干擾，在所有試驗涉及區(qū)域內(nèi)做好了釬探，接著才開始試驗。試驗分成了幾個階段，首先為浸水階段，逐步浸水直到連續(xù)測量五日的試驗大坑內(nèi)土地每日濕陷量均值＜1mm，即可停止浸水，并進(jìn)行停水階段的觀察（18天），直到連續(xù)測量五日內(nèi)試驗大坑內(nèi)的土地每日下沉均值≤1mm，即可結(jié)束試驗觀測。需要注意的是，在整個試驗的第一階段，都應(yīng)該保證深坑內(nèi)的水深約為30mm。對照試驗記錄的數(shù)據(jù)（見表4）可知，經(jīng)過北莊村開展的試驗中，地面的總沉降最大值為74.2mm，每天沉降最大值7mm，試驗過程中，浸水期間發(fā)生沉降69.8mm，停水期間發(fā)生沉降4.4mm，場地浸水后因其本身的重力造成下陷（濕陷）74.2mm，故而，可以判斷試驗的區(qū)域應(yīng)為自重濕陷性黃土場地。南唐村開展的試驗中，地面的總沉降最大值為7.7mm，每天沉降最大值2.2mm，試驗過程中，浸水期間發(fā)生沉降7.7mm，場地浸水后因其本身的重力造成下陷（濕陷）7.7mm，故而，可以判斷試驗的區(qū)域應(yīng)為非自重濕陷性黃土場地。

2.6 現(xiàn)場靜載荷試驗

在工程勘察的最初過程中，對北莊村進(jìn)行了現(xiàn)場的靜載荷試驗。在試驗過程中選取了相同場地內(nèi)地質(zhì)構(gòu)成類似的區(qū)域分別進(jìn)行了不同壓力的試驗，從50kPa到200kPa，不斷調(diào)整壓力，運用單線法進(jìn)行了試驗。試驗過程中運用了方形的承壓板，與試坑的邊長相互匹配，其底部也使用了15mm左右厚的粗中砂以輔助平衡。通過試驗對地質(zhì)的測量進(jìn)行不斷的加壓，每次增加20kPa以上，得出分析數(shù)據(jù)如表5。除此之外，對南糖村的試驗方式與之相同，通過表5的數(shù)據(jù)和壓力增大時的曲線變化我們也可以看出其不同區(qū)域土質(zhì)分布的各不相同。

3 PCCP管道的特性及其應(yīng)用

PCCP管道之所以獲得建筑商的認(rèn)可，很大程度上是由于其具有較強(qiáng)的適應(yīng)力，不易變形。管道可以隨著地基變形的變化有著一定的可彎曲程度，其接頭處柔韌性較強(qiáng)，可以有一定的彎度變化。例如，對于一個6m左右的管道而言，其允許偏移量達(dá)到了90mm左右。從對北莊村的試驗中我們可以看到其下沉量約為70mm，依此數(shù)據(jù)推算，我們可以得出禹門口提水東擴(kuò)工程中黃土地基濕陷等級為Ⅱ類的施工地域可以采用PCCP管道。禹門口提水東擴(kuò)工程中運用的PCCP管道直徑的不同，也直接影響著其對地基變形的適應(yīng)能力。

4 濕陷性地基處理措施分析

濕陷性黃土地層對工程的施工要求較高，我們也可以從相關(guān)文件表述中發(fā)現(xiàn)這一點，在《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中，明確表明了對濕陷性黃土地地下管道和其他相關(guān)施工的土墊層標(biāo)準(zhǔn)，指出其在施工的過程中必須達(dá)到150mm到300mm之間，如果是大型的壓力管道或其他建筑都應(yīng)該設(shè)定300mm以上的土墊層。根據(jù)表5的試驗結(jié)果，結(jié)合相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗分析，我們可以針對管道沿線的土質(zhì)和PCCP管道的特性進(jìn)一步得出施工的可行性分析，爭取節(jié)省投資，使得工程取得最優(yōu)施工效果。

5 結(jié)論

通過對山西省禹門口提水東擴(kuò)工程中濕陷性黃土場地的深入分析和研究，得出了北莊村和南唐村的土質(zhì)結(jié)果，將北莊村場地定義為了自重濕陷性黃土Ⅱ級；將南唐村場地定義為了非自重濕陷性黃土Ⅰ級。將這兩處的分析結(jié)果運用到工程的設(shè)計過程中進(jìn)行參考，得出禹門口提水東擴(kuò)工程輸水管線可以使用能夠適應(yīng)黃土濕陷帶來的土質(zhì)變化的PCCP管道，從而有效保障工程全線的安全性和穩(wěn)定性。與此同時，在使用PCCP管進(jìn)行管道鋪設(shè)的過程中，還應(yīng)該根據(jù)土質(zhì)的差別將管道厚度等進(jìn)行調(diào)整，這種對濕陷性黃土地基的調(diào)整也可以有效的節(jié)省了工程施工過程中的灰土回填量，約可節(jié)省8萬m3?！?/p>

表4 現(xiàn)場試坑浸水試驗沉降量數(shù)據(jù)匯總表

表5 現(xiàn)場載荷試驗成果表（單線法）

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