解析法在黃土浸沒濕陷影響高程中的應(yīng)用

楊金林，閆長斌，劉慶軍，吳國宏

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

小浪底水利樞紐蓄水運(yùn)營后，庫區(qū)水庫浸沒現(xiàn)象十分普遍，加之庫區(qū)黃土具有濕陷性，水庫浸沒后疊加黃土濕陷對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生危害，造成臨庫房屋開裂，甚至倒塌，水庫黃土浸沒濕陷問題已直接威脅到當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全，引起了國家的高度重視。因此，如何合理確定黃土浸沒濕陷影響臨界高程顯得尤其重要，直接關(guān)乎著小浪底庫區(qū)和周邊地區(qū)和諧穩(wěn)定問題[1]。

目前，關(guān)于庫區(qū)浸沒問題研究成果較多[2- 6]，但多采用數(shù)值模擬分析方法或結(jié)合具體工程進(jìn)行分析。水庫浸沒成因復(fù)雜，影響因素較多，尚缺乏系統(tǒng)和全面的理論研究，而對如何確定黃土浸沒濕陷影響臨界高程的研究更是鮮見各刊。為此，本文在系統(tǒng)分析和歸納庫區(qū)浸沒成因的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前研究成果，以規(guī)范為基礎(chǔ)，將解析法應(yīng)用于庫區(qū)黃土浸沒濕陷影響高程確定中，以小浪底水利樞紐垣曲段為背景，考慮實(shí)際工程中影響臨庫建筑物浸沒濕陷影響高程的因素，建立了黃土浸沒濕陷預(yù)測模型，并對受災(zāi)點(diǎn)建筑物浸沒濕陷臨界高程進(jìn)行了預(yù)測，取得了良好的效果。

1 工程概況

研究區(qū)位于垣曲盆地的南部，屬小浪底水利樞紐水庫庫區(qū)低山丘陵區(qū)。1999年水庫蓄水后，隨著水位的不斷升高，該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害日益明顯。尤其是近2年，部分地區(qū)遭受強(qiáng)降雨連襲及庫水位的變化，引起的災(zāi)害危及范圍逐漸擴(kuò)大，影響人數(shù)日益增多，庫周地質(zhì)災(zāi)害問題已直接威脅到當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全。因此，科學(xué)合理確定工程區(qū)浸沒濕陷影響臨界高程至關(guān)重要。針對庫區(qū)地形地質(zhì)及黃土結(jié)構(gòu)復(fù)雜，黃土浸沒濕陷高程界定難度大的問題，本文選擇影響水庫浸沒權(quán)重較高的基礎(chǔ)埋深、有效持力層影響深度、毛細(xì)水上升高度、地下水雍高、水庫正常高水位運(yùn)行高程、濕陷量為5 cm時(shí)的濕陷性黃土厚度等6個(gè)主要影響因素，構(gòu)建了適應(yīng)于小浪底水利樞紐庫區(qū)浸沒濕陷影響臨界高程模型。

研究區(qū)涉及的村(點(diǎn))主要包括古城鎮(zhèn)址、王茅南坡、晁家坡等幾處地災(zāi)點(diǎn)，地貌整體上屬于高緩黃土岸坡，位于黃河支流沇河、亳清河Ⅱ級階地后緣及Ⅲ級階地的前緣，主要為第四系沖洪積層。幾處村子基本地質(zhì)條件相近，基本位于同一地貌單元內(nèi)，即亳清河Ⅱ級階地后緣。為便于研究分析，本文以古城鎮(zhèn)址為例進(jìn)行研究。

2 研究方法

由于建筑物的類型、高度、重要程度不同，基礎(chǔ)埋深也有所不同。一般來說，地基土的臨界埋藏深度Her應(yīng)不小于毛細(xì)水上升高度Hk與基礎(chǔ)(或地下室)砌置深度Z之和[7]，即Her>Hk+Z。對濕陷性黃土地區(qū)，地下水臨界埋深應(yīng)在建筑物地基土有效持力層(不允許發(fā)生濕陷的地基土持力層)以下或有效持力層內(nèi)基底壓力小于黃土的起始濕陷壓力。對于濕陷性黃土地區(qū)，6層(含6層)以下建筑物黃土的總濕陷量≤50 mm時(shí)，在設(shè)計(jì)無需特殊處理[8]。小浪底水利樞紐場址區(qū)濕陷性黃土厚度多在10 m以上。

建筑物的浸沒濕陷分析示意見圖1。圖中，h1為基礎(chǔ)埋深；h2為基底壓縮變形計(jì)算深度，中、低壓縮性土可取附加壓力σz等于上覆土層有效自重壓力Pcz的20%的深度，高壓縮性土層可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力Pcz的10%的深度；h3為毛細(xì)水上升高度；h4為水庫運(yùn)行正常高水位工程所在區(qū)回水位高程；h5為地下水位雍高值；h6為總濕陷量為5 cm時(shí)的濕陷性黃土厚度。

圖1 建筑物浸沒濕陷影響臨界高程確定示意

通過圖1可以確定研究區(qū)建筑物浸沒濕陷影響臨界高程Her計(jì)算公式，即

Her=h1+h2+h3+h4+h5+h6

(1)

3 模型參數(shù)確定

3.1 基礎(chǔ)埋深h1

根據(jù)調(diào)查，受災(zāi)點(diǎn)除古城部分房屋外，均為獨(dú)院2層樓房，磚砌結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深h1一般為0.8～1.0 m。為了安全起見，取h1=1.0 m。

3.2 基礎(chǔ)壓縮層h2

根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》及勘探成果，調(diào)查區(qū)古城鎮(zhèn)址第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)壤土為中壓縮性土(壓縮模量Es1～2=5.62 MPa)，取附加應(yīng)力σz等于上覆土層有效自重壓力Pcz的20%的厚度為壓縮層厚度(σz=0.2Pcz)

(1)基底壓力的確定。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，古城鎮(zhèn)建筑物多數(shù)為獨(dú)院2層樓房，為6層樓房，基礎(chǔ)均為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度B一般為0.8～1.0 m，本文選擇B=1.0 m。調(diào)查區(qū)房屋為磚砌結(jié)構(gòu)，24墻雙面抹灰，尺寸為10.2 m×16.5 m，單層樓高按照3.6 m計(jì)算。因?yàn)榛A(chǔ)長度L>5B，滿足條形基礎(chǔ)計(jì)算原則，按均布荷載條形基礎(chǔ)計(jì)算。房屋的自重主要包括墻體自重P1、樓面荷載P2、屋面荷載P3。參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算2層條形基礎(chǔ)等效荷載為95.3 kN/m，6層為272.6 kN/m。

(2)h2的確定。調(diào)查區(qū)地層巖性為第四系粉質(zhì)壤土，根據(jù)室內(nèi)物理試驗(yàn)，選取粉質(zhì)壤土物理力學(xué)指標(biāo)平均值為本次的計(jì)算數(shù)據(jù)：天然密度ρ=1.8 g/cm3、含水量w=21.5%、孔隙比e=0.857、土體相對密度Gs=2.72。位于地下水位以上時(shí)，計(jì)算得土體的容重γ=18 kN/m3；位于地下水位以下時(shí)，計(jì)算得土體浮容重γ′=9.3 kN/m3。為便于計(jì)算，取浮容重γ′=10 kN/m3。由于調(diào)查區(qū)全新統(tǒng)上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)壤土具有濕陷性，本次計(jì)算均采用地下水位以上土體有效容重γ=18 kN/m3。計(jì)算結(jié)果見表1，2。從表1、2可知，對于條形基礎(chǔ)等效均布荷載為95.3 kN/m的2層建筑物，壓縮變形深度h2=3.8 m；對于條形基礎(chǔ)等效均布荷載為272.6 kN/m的6層建筑物，壓縮變形深度h2=6.5 m。

表1 2層樓房黃土濕陷臨界深度h2計(jì)算

表2 6層樓房黃土濕陷臨界深度h2計(jì)算

3.3 毛細(xì)水上升高度h3

(1)現(xiàn)場測量成果。工程勘測期間，近30 d庫水位高程基本無變化。為了獲得庫周粉質(zhì)壤土毛細(xì)水上升高度，現(xiàn)場對臨庫岸坡毛細(xì)水上升高度進(jìn)行了測量?，F(xiàn)場毛細(xì)水高度測量見圖2。測量成果見表3。從表3可知，毛細(xì)水上升高度最大值為1.68 m。

表3 毛細(xì)水上升高度h3現(xiàn)場測量成果 m

圖2 毛細(xì)水上升高度現(xiàn)場測量

(2)室內(nèi)試驗(yàn)。在各災(zāi)害點(diǎn)附近取粉質(zhì)壤土土樣進(jìn)行毛細(xì)水上升高度的室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可知，室內(nèi)試驗(yàn)毛細(xì)水上升最大高度為1.59 m。

表4 庫區(qū)土樣毛細(xì)管水上升高度試驗(yàn)成果 cm

綜上，區(qū)內(nèi)毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)值最大為1.68 m。但考慮到試驗(yàn)時(shí)間短、水質(zhì)不同等因素，并參考有關(guān)規(guī)范及其他地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，在判定浸沒范圍時(shí)，毛細(xì)水上升高度采用1.8 m。

3.4 回水位高程h4

小浪底水利樞紐水庫正常運(yùn)行(275 m水位)時(shí)，不同距壩里程回水端水位有所抬高，即翹尾巴。根據(jù)資料，調(diào)查區(qū)在正常庫水位運(yùn)行時(shí)，研究區(qū)庫水位高程為276 m。

3.5 地下水位雍高h(yuǎn)5

浸沒問題的判定，需首先對地下水位進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算某一地點(diǎn)的地下水壅高水位涉及的因素眾多，計(jì)算相當(dāng)繁雜。對于無滲入時(shí)均質(zhì)巖層、隔水層底板水平、平緩開闊河谷、含水層均一情形，地下水位壅高計(jì)算剖面示意見圖3[9]。圖3中，y為地下水雍高后各斷面處的含水層厚度；h1、h2為蓄水前各斷面處地下水含水層厚度；H為水庫正常高水位至隔水底板頂面的距離；L為原河水位邊緣斷面的水平距離；L′為水庫水位邊緣至剖面的水平距離。采用下式計(jì)算含水層厚度

(2)

圖3 地下水位壅高計(jì)算剖面示意

古城鎮(zhèn)址民井水位調(diào)查情況見表5。選擇具有代表性的民井進(jìn)行地下水位雍高值計(jì)算，水井水位測量期間水庫庫水位高程為264 m，基巖頂面埋藏高程為230 m，計(jì)算結(jié)果見表6。從表6可知，地下水位雍高最大值為1.01 m，最小值為0.22 m，平均值為0.62 m。

表5 古城鎮(zhèn)址水井水位調(diào)查 m

表6 地下水位雍高計(jì)算結(jié)果

3.6 濕陷量為5 cm時(shí)濕陷性黃土厚度h6

勘察期間，在地災(zāi)點(diǎn)各取6組黃土狀粉質(zhì)壤土與黃土狀粉質(zhì)粘土方塊樣進(jìn)行了黃土濕陷性試驗(yàn)，取樣深度0.9～6.0 m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，濕陷系數(shù)δs范圍為0.015～0.128，平均值大于0.015，為濕陷性黃土。自重濕陷系數(shù)δzs為0.007～0.028，自重濕陷起始壓力為35～112 kPa。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，研究區(qū)主要地災(zāi)點(diǎn)總濕陷量為5 cm時(shí)濕陷性黃土厚度見表7。

表7 濕陷量為5 cm時(shí)濕陷性黃土厚度

4 實(shí)例計(jì)算

根據(jù)表4、5，對于條形基礎(chǔ)等效等布荷載為95.3 kN/m的2層建筑物，h2=3.8 m；對于條形基礎(chǔ)等效均布荷載為272.6 kN/m的6層建筑物，h2=6.5 m。根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果，小浪底水利樞紐正常高水位275 m運(yùn)行后，預(yù)測古城鎮(zhèn)址2層建筑物浸沒濕陷影響臨界高程約為281.65～282.57 m；6層建筑物浸沒濕陷影響臨界高程約為284.27～285.17 m。

峪子等村與古城鎮(zhèn)于同一地貌單元內(nèi)，基本地質(zhì)條件與水位相同。調(diào)查區(qū)峪子村、王茅南坡、晁家坡、寧蕫村、下馬村均為獨(dú)院2層建筑。根據(jù)建立的建筑物浸沒濕陷臨界高程影響模型，預(yù)測受災(zāi)點(diǎn)建筑物浸沒濕陷影響高程，結(jié)果見表8。

表8 臨庫建筑物浸沒影響高程 m

5 結(jié) 語

黃土濕陷地區(qū)建筑物受水庫浸沒濕陷影響臨界高程的預(yù)測受多種因素的影響，是一個(gè)復(fù)雜的問題。本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，選取影響建筑物浸沒濕陷高程的主要影響因素建筑物基礎(chǔ)埋深h1、變形計(jì)算深度h2、毛細(xì)水上升高度h3、地下水雍高h(yuǎn)4、水庫正常高水位運(yùn)行高程h5、總濕陷量為5 cm時(shí)的濕陷性黃土厚度h6等6個(gè)因子，對建筑物浸沒、濕陷高程預(yù)測進(jìn)行了嘗試。從目前預(yù)測結(jié)果分析，預(yù)測結(jié)果較為合理，可為類似庫區(qū)預(yù)測建筑物黃土浸沒濕陷影響高程提供參考。