蓄水池黃土地基濕陷性及邊坡穩(wěn)定處理

賈生瑞，馬 雁，唐仲霞

(1.武威市建筑設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司，甘肅 武威 733000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 甘肅黃土分布

甘肅省黃土分布東起甘、陜省界，西至烏鞘嶺，覆蓋慶陽、平?jīng)觥⑻焖?、定西、白銀、蘭州、臨夏、武威等八個地、市，分布面積約11.3萬km2，占全省面積的24.9%。構(gòu)造上屬鄂爾多斯臺地和祁連褶皺系的交界地段，地域上以六盤山為界，分為隴東黃土高原(1200～1800m)和隴西黃土高原(1200～2500m)。

甘肅境內(nèi)很多區(qū)域的黃土都屬于深厚黃土，黃土層厚度從幾米到數(shù)十米，甚至達(dá)到上百米[1]，深厚黃土在整個甘肅境內(nèi)的分布均很廣泛，而且厚度差異大，對實(shí)際工程建設(shè)會產(chǎn)生較大影響。

2 工程概況

2.1 工程總體概況

黑燕蓄水池屬于引洮供水二期工程的配套項(xiàng)目，位于通渭縣黑燕中學(xué)東南側(cè)陽坡村附近，設(shè)計(jì)池容為30萬m3，為半挖半填的注入式水池型式，主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)南部供水，主要供水對象為鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村，其主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別均為5級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，抗震設(shè)防烈度為8度。工程區(qū)地貌主要為黃土覆蓋的低中山區(qū)，海拔1500～2600m，相對高差一般小于400m。

2.2 地質(zhì)概況

黑燕蓄水池位于隴西黃土高原西部，屬黃土地貌，具體為黃土梁峁臺地，地基巖性主要為洪積黃土狀土和馬蘭黃土，植被不易生長，暴雨相對集中，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，因此地貌形態(tài)較為復(fù)雜。場地濕陷等級為Ⅳ級，可能造成邊坡滑坡的可能性較大。地下水位埋深較大，約25m。根據(jù)GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》及《甘肅省引洮供水二期工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》，黑燕蓄水池一帶的地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反應(yīng)譜特征周期均為0.45s。工程區(qū)活斷層分布較多，且歷史上發(fā)生過大于7級的地震，黑燕蓄水池采用的是半挖半填長方形結(jié)構(gòu)，地震對水庫邊坡穩(wěn)定具有較大的破壞性，整體穩(wěn)定性較差。

3 邊坡穩(wěn)定分析及處理方法

3.1 邊坡穩(wěn)定的影響因素

水池南側(cè)填方邊坡和北側(cè)挖方邊坡的穩(wěn)定會影響其安全運(yùn)行。影響因素主要有兩方面，即內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素主要包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震活動性等。外在因素主要包括自然災(zāi)害和蓄水情況等。

3.1.1內(nèi)在因素

(1)地質(zhì)條件

(2)構(gòu)造運(yùn)動

黑燕蓄水池處于祁連北西向構(gòu)造體系、秦嶺東西向構(gòu)造體系及賀蘭-六盤山南北向構(gòu)造體系的復(fù)合部位。這一帶在加里東期構(gòu)造運(yùn)動表現(xiàn)甚為劇烈，使前震旦系、震旦系、前寒武系地層褶皺成山，奠定了本區(qū)構(gòu)造輪廓；中新生代以來，巨大幅度的斷塊運(yùn)動，使加里東褶皺基底隆升或斷陷，形成了一系列褶皺隆起山地與紅色斷陷盆地。相對隆起的山地基巖大面積裸露，丘陵區(qū)及盆地區(qū)多為黃土和第四系沖洪積物所覆蓋?？傮w來說工程區(qū)構(gòu)造運(yùn)動規(guī)模較大，穩(wěn)定性較差。工程周邊區(qū)域性斷裂特征見表1。

(3)地震活動

黑燕蓄水池工程區(qū)處于青藏高原北部地震區(qū)南北地震帶之蘭州—通渭地震亞帶和和政—武山—天水地震亞帶范圍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有記載以來，發(fā)生過37次大于4.7級的影響到本區(qū)的地震，其中大于6級的地震14次，大于7級的地震6次，大于8級的地震2次。工程區(qū)共發(fā)生破壞性地震7次，其中1920年海原大地震對工程區(qū)的影響烈度達(dá)到了Ⅷ度。黑燕水庫工程區(qū)及周邊歷史地震均發(fā)生在活動性斷裂附近，且成帶分布強(qiáng)度不同。

根據(jù)GB 18306—2015(1∶400萬)工程區(qū)地震動峰值加速度為0.2g(50年超越概率10%)，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s。由于工程區(qū)活斷層分布較多，且歷史上發(fā)生過大于7級的地震，綜合而言工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。

(4)水文條件

3.1.2外在因素

(1)自然災(zāi)害

工程區(qū)不良物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為溝道泥石流、溝道兩側(cè)山體滑坡、蠕滑、沖溝岸坡崩塌以及黃土區(qū)黃土喀斯特地貌等。若附近溝道無排水設(shè)施，則汛期可能對蓄水池造成威脅。

(2)蓄水

表1 區(qū)域性斷裂特征表

隨著蓄水深度的增加，邊坡承受的水壓力逐漸增大，可能對穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞。

3.2 邊坡穩(wěn)定處理

黑燕蓄水池在結(jié)構(gòu)形式上，采用半挖半填形式，迎水面邊坡1∶2.75，不設(shè)馬道，背水面邊坡1∶2.0，在2267.0m高程以下設(shè)排水棱體，排水棱體與水庫邊坡及土質(zhì)地基之間均設(shè)置反濾層。馬蘭黃土可作為防滲填筑土料。最優(yōu)含水率17.3%，最大干密度1.71g/cm3。按0.96壓實(shí)度壓實(shí)后：重度19.5N/cm3，飽和重度20.6N/cm3。抗剪強(qiáng)度C∶50～60kPa，φ：26°～28°，飽和抗剪強(qiáng)度C∶15～19kPa，φ：22～24°，滲透系數(shù)水平(1.1～2.3)×10-6cm/s，滲透系數(shù)垂直(1.3～2.8)×10-6cm/s。池頂以上馬蘭黃土永久邊坡采用1∶1.5。

池壁襯砌措施：池壁自下而上依次為清基+強(qiáng)夯處理(影響深度8m以內(nèi))+10%水泥土墊層厚400mm+復(fù)合土工布(0.5mm 900g/m2)+M10水泥砂漿墊層厚50mm+預(yù)制C20砼塊厚80mm。池堤填筑方式采用震動碾分層碾壓，粘性土料壓實(shí)度不小于98%。考慮黑燕水庫大面積鋪設(shè)土工膜水氣頂托作用，在土工布下部縱橫向設(shè)置直徑100mmPVC排水排氣花管，排氣管上梅花型開孔，孔徑2mm，孔間距環(huán)向22mm，長度方向50mm。排氣管數(shù)量以池底尺寸具體布置，縱橫向各布置5～6排，間距約30m。

4 地基濕陷處理

4.1 常見濕陷性地基處理方法

濕陷性黃土地基的處理方法多種多樣，李春[3]總結(jié)了近年來被廣泛利用并取得一定成效的幾種大厚度黃土地基的處理方法，依次為墊層法、重錘表層夯實(shí)及強(qiáng)夯、擠密樁法、樁基礎(chǔ)、預(yù)浸水法、化學(xué)加固法以及其他如CFG法等。楊校輝[4- 5]等對大厚度濕陷性黃土地基處理深度進(jìn)行了研究并總給出地基處理的臨界深度。黃雪峰等[6- 8]認(rèn)為對于大厚度濕陷性黃土地基預(yù)浸水法、DDC法和擠密樁法為行之有效的方法，并認(rèn)為地基處理時采用整片處理較局部處理效果好，不同地區(qū)因黃土組成成分和厚度的不同，可組合采用不同的方法。張?jiān)ゴǖ萚9]對濕陷性地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。余侃柱[10]針對調(diào)蓄水池濕陷地基處理方法也進(jìn)行了詳細(xì)的對比和研究。

4.2 地基處理方法選擇

池基襯砌防滲措施：池底自下而上依次為清基+強(qiáng)夯處理(影響深度8m以內(nèi))+10%水泥土墊層厚400mm+復(fù)合土工布(0.5mm900g∕m2)+壤土墊層800mm。

5 結(jié)論

(1)濕陷性處理。根據(jù)GB50025—2004要求，蓄水池場地濕陷性黃土層最小處理深度7～13m。應(yīng)盡量挖穿上部馬蘭黃土的強(qiáng)濕陷層及高壓縮性土層，未處理濕陷黃土層剩余濕陷量應(yīng)滿足不大于150mm的要求，換填土層應(yīng)分層夯實(shí)，并做好防滲處理。南部池堤填筑高度大，應(yīng)挖穿上部eolQ32馬蘭黃土，并對原地基土進(jìn)行翻夯處理，填筑體應(yīng)分層填筑，充分壓實(shí)。

(2)邊坡處理。邊坡在2267.0m高程以下設(shè)排水棱體，排水棱體與水庫邊坡及土質(zhì)地基之間都應(yīng)該設(shè)置反濾層。排水棱體既能起到排水的作用，而且當(dāng)水庫地基強(qiáng)度足夠時，還可以起到支撐水庫、增加邊坡穩(wěn)定的作用。

池堤填筑方式采用震動碾分層碾壓，粘性土料壓實(shí)度不小于98%。土工布的鋪設(shè)應(yīng)根據(jù)SL/T225—98《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，在池頂、坡腳處應(yīng)將土工布埋入預(yù)先設(shè)置好的錨固溝，然后回填夯實(shí)。