山西省萬(wàn)家寨引黃工程濕陷性黃土壩基處理方法實(shí)踐

高勝利

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 濕陷性黃土分布特點(diǎn)及危害

由《中國(guó)濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)略圖》可以看出，地處黃土高原的山西境內(nèi)，濕陷性黃土分布十分廣泛。汾河河谷地多屬非自重濕陷性黃土，山麓堆積地多屬自重濕陷性黃土。主要區(qū)域分布是:晉東南地區(qū)、晉中平原多屬Ⅰ級(jí)輕微濕陷區(qū)；晉西北、呂梁山區(qū)多屬Ⅱ級(jí)中等濕陷區(qū)；晉南平原、呂梁山間谷地多屬Ⅲ級(jí)嚴(yán)重濕陷區(qū)。

山西地區(qū)土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，壓縮性高。黃土砂粒含量一般在17%～25%、粉粒含量一般在55%～65%、黏粒含量一般在18%～20%，多年平均降雨量約在370～680mm，而蒸發(fā)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)降雨量。由于土體自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和低含水率及高孔隙率，導(dǎo)致土體遇水時(shí)，強(qiáng)度突然下降產(chǎn)生濕陷，山西地區(qū)濕陷性黃土層厚度多為2～16m。因此在省內(nèi)濕陷性黃土場(chǎng)地上建設(shè)水利工程，應(yīng)根據(jù)建筑物的特點(diǎn)、地基受水浸濕的可能性和使用期間對(duì)不均勻沉降敏感的程度，采取合理的地基處理措施，防止地基濕陷對(duì)建筑物產(chǎn)生危害。

2 萬(wàn)家寨引黃工程實(shí)踐實(shí)例

新中國(guó)成立以來(lái)，山西省陸續(xù)建設(shè)大中型水庫(kù)60余座，小型水庫(kù)近700座，其中大部分承建于新中國(guó)成立初期的中小型水庫(kù)存在壩體和壩基的滲透破壞問(wèn)題，而水庫(kù)大壩壩基的濕陷性沉降變形是引發(fā)上述問(wèn)題的主要原因之一。

濕陷性黃土地基壩基處理的目的主要是通過(guò)消除黃土的濕陷性，提高地基的承載力和減小沉降。山西省近年來(lái)對(duì)濕陷性黃土地區(qū)壩基處理已有深入的研究，并積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)值得借鑒學(xué)習(xí)。

山西省萬(wàn)家寨引黃工程由萬(wàn)家寨水利樞紐、總干線、南干線、聯(lián)接段和北干線組成。其中聯(lián)接段有呼延水庫(kù)1座，北干線有大梁水庫(kù)、耿莊水庫(kù)和金沙灘水庫(kù)等3座，壩基均筑于濕陷性黃土地基上，對(duì)濕陷性黃土壩基均做了有效的處理，大壩建成后壩基穩(wěn)定運(yùn)行良好。

1）呼延水庫(kù)：半挖半填土石壩，環(huán)形布置，壩軸線長(zhǎng)度1440m，最大壩高34m。

壩基所涉及地層由新到老為：人工堆積Qs，厚度10～13m；第四系全新統(tǒng)洪積層，巖性主要為礫類(lèi)土、卵石混合土層、低液限黏土層，分布于人工堆積（Qs）層之下，厚約 8～17m；第四系上更新統(tǒng)坡洪積低液限黏土，夾少量礫類(lèi)土、卵石混合土層，層厚10m左右，層底位于地表以下7～30m；第四系中更新統(tǒng)洪積低液限黏土，夾礫類(lèi)土、卵石混合土層，在整個(gè)壩址區(qū)地基中均有分布。

在壩體填筑前將人工棄渣Qs全部清除后，對(duì)壩基進(jìn)行強(qiáng)夯處理，要求消除濕陷深度7～8.5m，單擊夯擊能采用 4000kN·m/6 000kN·m。

2）大梁水庫(kù)：主壩最大壩高26m，壩頂長(zhǎng)度為1145m，黃土心墻砂殼壩。

大梁水庫(kù)主壩座落在濕陷性黃土地基上，壩基由30～100m厚的土層組成，淺層25m內(nèi)為第四系上更新統(tǒng)沖洪積物，以黃土狀亞砂土為主，表層17m內(nèi)土質(zhì)疏松、孔隙大，干密度小，屬中等壓縮和中等非自重濕陷性黃土。壩基沉降計(jì)算結(jié)果表明，在壩體自重作用下，未經(jīng)處理的壩基土體將產(chǎn)生較大的壓縮和濕陷變形。由于壩基土層分布和壩體荷載的不均勻，勢(shì)必產(chǎn)生不均勻沉陷，造成主壩裂縫，危及安全運(yùn)用。在對(duì)壩基處理方法作了大量的分析研究工作后，最終采取了挖槽換土、加強(qiáng)碾壓的處理措施，將壩基心墻部位開(kāi)挖基槽后回填黃土，按筑壩要求碾壓。

3）耿莊水庫(kù)：半挖半填土石壩，環(huán)形雙庫(kù)布置，壩軸線長(zhǎng)度3600m，最大壩高10m。

根據(jù)地基殘余濕陷量小于等于100mm時(shí)需要處理深度為0.5～6.0m，確定對(duì)壩基土的濕陷性以及不均勻變形采用強(qiáng)夯法處理，處理深度6m。強(qiáng)夯的單擊夯擊能采用4000kN·m。強(qiáng)夯完成后對(duì)整個(gè)壩底進(jìn)行了整平、碾壓，然后筑壩。

4）金沙灘水庫(kù)：半挖半填土石壩，環(huán)形布置，壩軸線長(zhǎng)度4000m，最大壩高17m。

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，選用錐柱擠密樁來(lái)消除壩基濕陷性。樁內(nèi)填土采用素土即庫(kù)區(qū)開(kāi)挖土，樁徑400mm，梅花形布置，樁距因地基類(lèi)型不同而不同。非自重Ⅰ級(jí)濕陷性場(chǎng)地樁距1.4m；非自重Ⅱ級(jí)、自重Ⅱ級(jí)濕陷性場(chǎng)地樁距1.2m；自重Ⅲ級(jí)濕陷性場(chǎng)地樁距1.0m。根據(jù)濕陷等級(jí)分區(qū)，最終單根樁長(zhǎng)控制在4.0～10.0m之間。

3 處置方法特點(diǎn)及比較

根據(jù)國(guó)內(nèi)大量實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，目前消除壩基黃土濕陷性常用的方法有：換填法、擠密樁法、強(qiáng)夯法及預(yù)浸水法等。根據(jù)引黃工程實(shí)施實(shí)踐，有以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)值得借鑒：

1）換填法：理論來(lái)說(shuō)，對(duì)于消除基底以下1～3m黃土的濕陷性，局部處理時(shí)優(yōu)勢(shì)比較明顯，大梁水庫(kù)主壩地基處理采用了這種方法。施工前根據(jù)工程特點(diǎn)、壓實(shí)系數(shù)、土料種類(lèi)和施工條件等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，合理確定了土料含水量控制范圍、換填土的每層鋪設(shè)厚度和碾壓遍數(shù)等參數(shù)。

2）擠密樁法：擠密樁法施工設(shè)備簡(jiǎn)單，可以節(jié)省大量挖土工作量，金沙灘水庫(kù)壩基處理采用了這種方法。但在地基土含水量太大或太小時(shí)，不宜采用，適宜地基土的含水量應(yīng)控制在12%～24%之間。地基土含水量過(guò)大時(shí)，沖擊成孔后會(huì)出現(xiàn)縮徑、塌孔現(xiàn)象，地基土含水量過(guò)低時(shí)則會(huì)出現(xiàn)樁管難打、難拔。另外，在施工工藝上，要合理地確定成孔次序和鉆孔密度，避免引起周?chē)馏w的震動(dòng)，造成鄰孔孔壁失穩(wěn)或坍塌。一般情況下成孔順序應(yīng)該是先外圈、后里圈進(jìn)行，同一行列采取間隔跳打的施工方式。已經(jīng)成孔的要做好雨季防護(hù)，并及時(shí)夯填。夯填時(shí)確保填土含水量在最優(yōu)含水率附近，同時(shí)夯錘的落距和夯擊遍數(shù)要與實(shí)驗(yàn)一致。

3）強(qiáng)夯法：強(qiáng)夯法在山西省濕陷性黃土地基壩基處理中應(yīng)用比較廣泛，在公路工程、渠道輸水工程中也有應(yīng)用，呼延水庫(kù)和耿莊水庫(kù)均采用強(qiáng)夯法。強(qiáng)夯前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試夯，根據(jù)試夯結(jié)果確定合適的強(qiáng)夯工藝，確定夯錘質(zhì)量、落距、夯點(diǎn)布置、夯擊次數(shù)和夯擊遍數(shù)等參數(shù)。

根據(jù)兩座水庫(kù)壩基強(qiáng)夯數(shù)據(jù)顯示，強(qiáng)夯處理后，地基土的密實(shí)度影響深度小于濕陷性處理深度。經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯，地基土濕陷性處理深度H范圍內(nèi)土層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，濕陷性消除，從地面算起某一深度Z（Z＜H）內(nèi)地基土的密實(shí)度得到加強(qiáng)，而在濕陷性處理深度H附近土樣檢測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)干密度指標(biāo)并未提高的現(xiàn)象。經(jīng)驗(yàn)表明，土的天然含水率對(duì)強(qiáng)夯法處理至關(guān)重要，適宜的地基土的含水量在10%～25%之間。天然含水量低于10%的土，顆粒間摩擦力大，細(xì)土顆粒很難被填充，且表層堅(jiān)硬，夯擊時(shí)表層土容易松動(dòng)，夯擊能量消耗在表層土上，深部土層不易夯實(shí)。

4）預(yù)浸水法：預(yù)浸水法具有施工簡(jiǎn)單、節(jié)省工程投資的優(yōu)點(diǎn)，適用于處理土層厚度大于10m，自重濕陷量計(jì)算值不大于500mm的黃土地基。利用黃土浸水后產(chǎn)生自重濕陷的特性，在施工前進(jìn)行大面積浸水使土體預(yù)先產(chǎn)生自重濕陷，以消除黃土土層的自重濕陷性。但經(jīng)預(yù)浸法處理后，地基土可能仍具非自重濕陷性。施工于上世紀(jì)60年代的山西文峪河水庫(kù)，壩基曾做預(yù)浸水處理，效果不理想，滲漏嚴(yán)重。引黃工程壩基土多具有非自重濕陷性，故不采用這種處理方法。

根據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)論述和引黃工程的實(shí)踐，對(duì)濕陷性黃土壩基處理的方法可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，見(jiàn)表1。

表1 濕陷性黃土地基壩基處理方法比較

4 結(jié)語(yǔ)

山西省濕陷性黃土面積較大，許多以節(jié)水灌溉、調(diào)蓄為目的的水庫(kù)、調(diào)蓄池均修建于濕陷性黃土場(chǎng)地上，應(yīng)因地制宜，通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后合理選用處理方案。采用換填法、預(yù)浸水法，不同程度存在工作量大、花費(fèi)勞力多、施工現(xiàn)場(chǎng)占地大、工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。近年來(lái)，強(qiáng)夯法與擠密樁法在工程領(lǐng)域有較大的發(fā)展，以其處理濕陷地基速度快、效果好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在全國(guó)濕陷性黃土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用和推廣。