寧夏某人工景觀湖滲透變形淺析及加固處理

王 磊，林經(jīng)寧

(寧夏煤礦設(shè)計研究院有限責任公司，寧夏銀川750021)

1 工程概況

本項目人工景觀湖場地位于寧夏某市工業(yè)園區(qū)緯一路南側(cè)，主要利用緯一路北側(cè)巴泉溝溝谷溝道攔蓄洪水，是一座以灌溉為主，兼有防洪、減災、消防等綜合效益利用為一體的人工景觀湖。其前端1#、2#支溝總匯水面積9.0km2，主河道平均坡降130.1‰。該項目于2014年3月動工興建，2014年6月竣工投入運行，設(shè)計洪水標準為30年一遇洪水進行防洪校核，設(shè)計占地面積8.20hm2，庫容72×104m3，有效蓄水量38×104m3，有效水深6.0m。四周湖岸坡（池壁）采用1∶3的坡率放坡，整個湖底及岸坡做防滲處理，防滲采用一布（600g/mm2長纖維無紡布）一膜（1.5mm厚HDPE防滲膜）的結(jié)構(gòu)。其中：湖底底部（防滲膜下部）增加300mm厚3∶7灰土墊層，其最上層鋪設(shè)大小為1m×1m預制混凝土板；湖岸坡最上層采用六角形預制混凝土板及格賓對整個岸坡進行保護。

該景觀湖北側(cè)沿緯一路與1#、2#支溝交匯處預留2處洪水溢流涵洞（管），管徑均為D2000，管底埋深分別為東側(cè)（2#支溝）路面以下4.3m，西側(cè)（1#支溝）路面以下4.1m，出口設(shè)為八字排放口，以起到消能的作用。東側(cè)垂直慈善大道埋設(shè)溢流涵洞（管），管徑D2000，管底標高為路面以下6.2m，出水經(jīng)2級跌水后，接入慈善大道預留過水涵洞。

2 主要病險情況

該人工景觀湖工程自2014年7月正式投入運行（人工向湖內(nèi)注水）至2015年3月長達9個月的時間里蓄水量達30×104m3，此間未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。2015年4月3日一場短時強降雨導致緯一路北側(cè)2#支溝內(nèi)積水約3萬余方。隨后發(fā)現(xiàn)積水快速消退，并在緯一路路面形成一個長約65m、寬15m的塌陷帶，下沉量約10～50cm，7月份湖東北角岸坡也出現(xiàn)下陷，而慈善大道東側(cè)預留涵管外側(cè)亦有水流滲出，其路面出現(xiàn)一長約40m、寬24m的塌陷帶，下沉量約10～15cm。

險情發(fā)生后，管理單位立即采取停止給該湖注水，并將原有湖水排空等應急措施。湖水排空后，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，湖底東北角局部及東南側(cè)均發(fā)生不同程度的下沉，一般下沉量在5～20cm，影響面積約2.27hm2。為進一步摸清事故原因，現(xiàn)場勘察技術(shù)人員在下沉區(qū)域通過挖掘機大開挖方式對湖底部進行直觀勘驗，發(fā)現(xiàn)局部預制混凝土板（尚未破壞）有空鼓下沉現(xiàn)象，但防滲膜完好無損，3∶7灰土層碾壓密實，干燥，其下部位黃土層含水率較大，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。慈善路下方放水設(shè)施存在沿管涵側(cè)壁滲漏現(xiàn)象。

3 工程區(qū)地質(zhì)特征

為進一步查明蓄水運行后場地地質(zhì)條件的變化情況及湖底和道路塌陷變形的原因，為下一步除險加固設(shè)計提供地質(zhì)資料與建議，甲方委托勘察單位對該湖底和道路塌陷變形區(qū)進行了補充勘察。

3.1 地形地貌

項目區(qū)屬于山前沖洪積低山丘陵區(qū)，總的地勢西北高東南低，相對高差約18.5m，沖溝較為開闊，河床縱比降較小，河谷無深切現(xiàn)象。

3.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本次現(xiàn)場鉆探[1]、原位測試及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，結(jié)合本地區(qū)已有地質(zhì)資料，對勘探深度范圍內(nèi)的巖土層按時代、成因及土性特征劃分為：

①第四系全新統(tǒng)(Qml4)素填土：灰、褐灰、灰黃等色。以粉土為主，夾粉質(zhì)粘土，局部見泥巖碎屑或礫石，緯一路路堤內(nèi)無規(guī)律分布有礫石層。干燥，局部很濕，稍密，為道路修建時回填。該層主分布于溝谷底部、湖底部及緯一路和慈善大道路堤內(nèi)，層厚1.6～15.0m，緯一路與原2#支溝交叉處攔洪壩體回填較厚。

②第四系更新統(tǒng)(Q4al+eol)黃土狀粉土：黃褐—土黃色,稍濕—很濕,土質(zhì)不均勻含礫砂、細砂，具有I級(輕微)非自重濕陷。場地均有分布。

③第四系更新統(tǒng)(Q4al+pl)礫砂：灰褐色及雜色。濕—飽和，稍密，以中細砂為主，含較多礫石，夾碎石，顆粒分選性差。礫石粒徑一般5～20mm，最大粒徑40mm，磨圓度差，含量30%～50%，主要礦物成分以長石為主，含少量云母等暗色礦物，在湖底部分區(qū)域分布。

④古近系(E)泥巖：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中—厚層構(gòu)造。巖芯破碎，多呈短柱狀。風化裂隙不發(fā)育，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該地層區(qū)域分布穩(wěn)定，是良好的隔水層。

3.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和鉆探、坑探揭露，工程區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)有一層地下水，水位埋深為2.31～12.70m，相應高程為1321.59～1332.15m（查看原巖土工程勘察報告資料該場地無地下水分布），為孔隙潛水，賦存于第①人工填土及第②層黃土狀粉土地層中?？辈炱陂g，發(fā)現(xiàn)慈善路下方放水設(shè)施存在沿管涵側(cè)壁滲漏現(xiàn)象，該處水質(zhì)目觀渾濁，并在水流較平緩處的溝底沉積了一層黃色土體顆粒。

由于工程區(qū)屬緩坡丘嶺地區(qū)，地面坡度較大，因此大氣降水主要形成地面坡流匯入北部2#支溝內(nèi)形成季節(jié)性地表水系，后期修建景觀湖改變地表徑流又加上上游壩體（路基）填筑土質(zhì)不均且具中等透水性，大氣降水很容易從地表滲入地下。因此，工程區(qū)的地下水為地表水體垂直入滲補給，并經(jīng)地下徑流向下游排泄，而本次勘察期間地下水為入滲補給尚未向下游排泄完畢而形成。

4 塌陷原因分析

4.1 滲漏變形

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及地質(zhì)資料研究分析，認為景觀

湖滲漏的主要原因：首先，緯一路與2#支溝交匯處預留洪水溢流涵洞（管）設(shè)計標高過高，沒有起到及時將溝內(nèi)匯集的洪水排入景觀湖的作用；其次，緯一路填土路堤及2#支溝溝谷淺表層分布的素填土，層間分散性分布有砂礫石，呈稍密狀態(tài)，具中等透水性；湖底土層為黃土狀粉土為主，土層存在不均勻性，其充填物主要為透水性較好的中砂、細砂層，土中大于5mm的礫石含量高，粘粒含量相對較低，且局部地段分布有礫砂層，土顆粒的孔隙較大，滲透系數(shù)較大，為湖底滲透變形形成良好的通道。因此，在強降雨未到來之前，由于整個景觀湖全部（湖底及岸坡）做防滲處理，故長達9個月的時間里人工注水蓄水量達30×104m3，并無滲漏現(xiàn)象；而強降雨到來后，洪水沿2#支溝溝谷淺表層土體垂直入滲側(cè)向補給，并穿越緯一路路堤向下游排泄，進入砂礫石層對與其接觸的黃土層產(chǎn)生接觸沖刷，并攜帶細粒逸出，造成湖底東北角和東南側(cè)均發(fā)生滲透變形。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，下游排泄口水體渾濁，也證明了湖底土層存在一定程度的管涌滲透破壞，同時這也是引發(fā)湖底下沉變形的原因之一（見圖1）。

4.2 濕陷變形

該景觀湖湖底修建在沖溝內(nèi)，場地由挖山填溝造地經(jīng)人工平整而成，受原始地形控制，已建外圍路面設(shè)計標高高于設(shè)計湖底標高約13～18m，且壩體（路基）下部未做任何隔水和進行濕陷性土層地基處理，導致北側(cè)2#支溝內(nèi)匯集的大量洪水直接沿壩體及湖壁透水層滲透，逐漸侵入湖底，導致湖壁及湖底地基土遇水軟化濕陷、強度下降，出現(xiàn)沉陷變形(查看原巖土工程勘察報告資料該場地原為Ⅱ級非自重濕陷性場地，補充勘察為Ⅰ級非自重濕陷性場地）。

綜上所述，該人工湖2014年6月蓄水初期，湖內(nèi)按設(shè)計要求采用復合土工布+3∶7灰土墊層處理，施工質(zhì)量可靠，隔水效果良好；但2015年4月3日，由于受到強降雨影響，在緯一路北側(cè)2#支溝內(nèi)積蓄了大量洪水，壩體中分布的透水性較強的砂礫層和湖底部未處理的濕陷性土層，造成了地表水體透過壩體并沿著湖壁（底）入滲，引發(fā)了滲透變形和濕陷性黃土遇水軟化沉陷，并且這2種因素綜合作用從而造成此次事故。

5 加固措施建議

針對景觀湖存在的主要問題，本次壩體和湖底加固處理應以防治土體滲透變形為主[2-3]。

圖1 緯一路路基（壩體）及湖底塌陷處斷面示意圖（單位：m）

（1）在緯一路與2#支溝道交叉處路堤（壩體）處建議做粘土水平及斜墻防滲鋪蓋，上沿高度不應低于涵管（洞）頂面標高。填筑鋪蓋施工前必須清基，并對原始坡面土層進行夯實處理，然后用粘土分層填筑壓實，經(jīng)壓實后粘土鋪蓋滲透系數(shù)不應大于10-5cm/s。鋪蓋的合理長度應根據(jù)允許滲漏量及滲透穩(wěn)定性等條件確定，并在坡面砌置片石或混凝土護坡。

在景觀湖東南側(cè)（慈善大道）排水涵洞處設(shè)置反濾體，以防湖底部水體沿湖底滲流將土層中細顆粒帶出（即管涌的發(fā)生），造成湖底的下沉變形。

（2）對景觀湖湖底沉陷處的防護層進行清除，清除至穩(wěn)定層位（泥巖），然后復用該料摻和砂石及石灰，拌合3∶7灰土在接近最優(yōu)含水量條件下重新進行分層碾壓，控制壓實度（λc≥0.95）。然后在其上采用覆設(shè)防滲膜方式進行防滲處理。

（3）在慈善大道東側(cè)溝道、湖下游背水坡（路堤邊坡）坡度較陡，雖然邊坡穩(wěn)定，無變形、滑塌現(xiàn)象，但存在一定安全隱患。建議對該段加寬培厚，以放緩下游坡度，并在此坡腳處增設(shè)排水反濾體。

（4）由于湖底土層已經(jīng)受到浸泡，強度較低，在湖底施工過程中基坑開挖深度較大時，應采取必要的坑壁支護措施，開挖深度有積水時，還應采取必要的降、排水措施。在降、排水過程中應嚴格控制出砂（泥）量，以防止出現(xiàn)其它不良工程地質(zhì)問題。

該工程已按上述方案加固處理，施工順利，經(jīng)一年半的運行效果良好，周邊道路也未再出現(xiàn)塌陷變形現(xiàn)象。

6 事故反思

從上述分析中可知，本項目區(qū)地形地貌、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件并不復雜，前期勘察也基本查明了不良地質(zhì)作用，但設(shè)計過程中僅從人工景觀湖蓄水角度考慮，即：對整個湖底及岸坡做“一布一膜”的防滲處理和設(shè)置洪水溢流涵洞，卻忽略了攔洪壩體的填筑質(zhì)量、壩基及湖底濕陷性土層的處理，給后期攔洪壩的滲流和穩(wěn)定性帶來很大隱患。這其中可能有多種因素影響，特別是建設(shè)單位資金不足、需要減少投資的情況下，但是從本工程事故可以充分證明，嚴格按照相關(guān)規(guī)范、規(guī)程進行設(shè)計是避免類似工程事故的前提和保證。