閣老灣水庫(kù)濕陷性黃土處理方案設(shè)計(jì)

趙 亮

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概況

興縣閣老灣水庫(kù)位于汾河支流南川河中游的康寧鎮(zhèn)閣老灣村西側(cè)30 m，距離興縣縣城約28 km，是一座以防洪、灌溉為主的中型水庫(kù)。水庫(kù)大壩壩址以上河道長(zhǎng)度為26.76 km，控制流域面積169 km2，河道平均縱坡14.27‰。水庫(kù)于1976 年10 月動(dòng)工興建，1982 年基本完成建設(shè)。水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道、泄洪洞和灌溉涵管四部分組成。其中樞紐大壩為水力充填均質(zhì)土壩，最大壩高29 m，總庫(kù)容1 111 萬(wàn)m3。

2 存在的濕陷性問(wèn)題

根據(jù)《閣老灣水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告書(shū)》相關(guān)內(nèi)容，大壩存在以下與濕陷性相關(guān)的問(wèn)題。大壩壩體土結(jié)構(gòu)松散，土質(zhì)不均，壩體右側(cè)部分壩段坐落在濕陷性黃土上。壩基的砂卵石層未進(jìn)行過(guò)防滲處理，大壩右壩肩為Ⅱ等濕陷性場(chǎng)地，且未進(jìn)行過(guò)任何處理。因此，必須針對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行徹底的濕陷性處理，以達(dá)到消除濕陷性，加固基礎(chǔ)，保證水庫(kù)安全運(yùn)行的目的。

3 相關(guān)工程地質(zhì)情況

大壩右壩肩下為第四系上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal）淡黃色低液限黏（粉）土，此處豎井取樣的土體干密度為 1.28～1.52 g/cm3，平均值為 1.39 g/cm3；天然壓縮系數(shù)（av1-2）為 0.08～1.00 MPa-1，平均值為 0.32 MPa-1，判斷具有中等～高度壓縮性；土體取樣濕陷系數(shù)（δs2.0）為0.001～0.060，自重濕陷系數(shù)（δzs）為0.001～0.054，具濕陷性，判斷濕陷土層厚度為5.0～13.0 m。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB 50025-2004，場(chǎng)地自重濕陷量的計(jì)算值Δzs和濕陷量的計(jì)算值Δs分別選用公式（1）、公式（2）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)場(chǎng)地土的自重濕陷量的計(jì)算值Δzs自天然地面算起，濕陷量Δs自基礎(chǔ)底面算起。

式中：δzsi——第i層土的自重濕陷系數(shù)；

δsi——第i層土的濕陷系數(shù)；

hi——第i層土的厚度，mm；

β0——因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)，本區(qū)取0.50；

β——考慮基底下地基土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù)，基底下0～5 m 深度內(nèi)取 1.5，5～10 m 取 1.0，10 m 以下至非濕陷性土層頂面，在自重濕陷性場(chǎng)地，取工程所在區(qū)的β0值0.5。

經(jīng)計(jì)算，地基土自重濕陷量為558.7 mm，濕陷量為722.2 mm，可判斷此場(chǎng)地屬自重濕陷性場(chǎng)地，濕陷等級(jí)為自重Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）。右壩肩探井土樣土層飽和度Sr平均值為35.2，平均含水率W為11.7%，其中3～13.5 m 土層含水率為 7.1%～9.3%。

4 處理的特點(diǎn)及難點(diǎn)

本工程為樞紐除險(xiǎn)加固工程，且工程情況復(fù)雜，故處理該地區(qū)的濕陷性黃土還需考慮以下問(wèn)題：

一是大壩右壩肩基礎(chǔ)濕陷等級(jí)為自重Ⅳ級(jí)，濕陷等級(jí)高，自重濕陷量為558.7 mm，濕陷量巨大，為保證大壩蓄水后安全運(yùn)行，必須完全消除其濕陷性。

二是濕陷土黃土層位于大壩右壩肩壩體之下，消除其濕陷變形影響不可避免地會(huì)影響大壩壩體。處理方案應(yīng)選擇影響較小，可避免危及相鄰壩段安全的方案，且方案需考慮如果出現(xiàn)影響，也可用工程措施進(jìn)行補(bǔ)救。

三是該濕陷性土體影響范圍包含大壩約200 m壩段，范圍大、厚度深，處理方案應(yīng)適應(yīng)大面積施工，并適當(dāng)控制費(fèi)用及工期。

四是在水庫(kù)現(xiàn)有溢洪道右側(cè)有閣老灣村，最近處距離村莊民房距離僅10 m 左右，處理方案應(yīng)充分考慮村莊建筑及村民的安全。

5 常用的濕陷性黃土地基處理方法比較

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50025-2018），濕陷性黃土地基常用處理方法包括：換填法、碾壓法、強(qiáng)夯法（動(dòng)力固結(jié)）、預(yù)浸水法、擠密樁法、注漿法等。

換填法：將基礎(chǔ)底面下部一定范圍內(nèi)的濕陷性黃土土層進(jìn)行挖除，然后以質(zhì)地相對(duì)堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高且具有抗侵蝕性的灰土、素土、砂、石等材料進(jìn)行分層充填，并依靠人工或機(jī)械方式分層進(jìn)行壓實(shí)、振動(dòng)，以達(dá)到要求的密實(shí)度。濕陷性黃土地基壩段長(zhǎng)約200 m、寬約25 m、高約5 m、濕陷土層厚度5～13 m。采用此方法需要拆除壩體、挖除壩基濕陷土層，并重新填筑此段壩體。施工費(fèi)用巨大、方案可行性差。

碾壓法：使用推土機(jī)、壓路機(jī)等碾壓機(jī)械進(jìn)行碾壓施工，利用機(jī)械自重將地基基礎(chǔ)壓實(shí)并加固。此方法多用于基礎(chǔ)淺表地層，該地層濕陷深度為5.0～13.0 m，方案可行性差。

強(qiáng)夯法（動(dòng)力固結(jié)）：采用較大重錘，從高處自由落下，對(duì)較厚的軟土層進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)處理，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，施工速度快。根據(jù)目前經(jīng)驗(yàn)8 000 kN·m 能級(jí)也僅能處理7.5～8.5 m 厚土層，并且振動(dòng)巨大，可能造成大壩整體滑坡、形成大壩壩體裂縫，危及處理壩段及相鄰壩段的安全，同時(shí)對(duì)相鄰村莊產(chǎn)生較大危害，方案可行性差。

預(yù)浸水法：向人工水洼或鉆孔內(nèi)進(jìn)行注水，土體產(chǎn)生濕陷沉降變形，待濕陷沉降變形穩(wěn)定后停止注水，消除黃土的大部分濕陷量。此方法施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是施工過(guò)程中需定時(shí)對(duì)黃土濕陷性進(jìn)行檢測(cè)，直到消除大部分濕陷方可停止浸水，施工工期無(wú)法保證，單獨(dú)使用方案可行性差。

擠密樁法：用振動(dòng)、沖擊或打入套管等方法在地基中成孔，然后向孔中填入填料，采用夯實(shí)、擠壓的方法形成土中樁體，從而達(dá)到加固地基的目的。此處理方法將造成處理壩段及一定范圍相鄰壩段的大壩上下游面松動(dòng)開(kāi)裂。解決方法為在擠密法處理完成后挖除松動(dòng)壩體并進(jìn)行重新填筑，后灌漿封堵壩體裂縫。但該段土層含水率低于擠密樁法有效作用含水率范圍較多，可能在施工過(guò)程中產(chǎn)生擠密效果不明顯，無(wú)法完全消除黃土濕陷性等問(wèn)題，尚需配合其它處理措施。具有一定的可行性。

注漿法：針對(duì)本工程條件，技術(shù)上可采取注漿法中的堿液加固法。其作用機(jī)理為：將氫氧化鈉溶液灌入黃土中后，會(huì)與黃土中堿土金屬陽(yáng)離子發(fā)生置換反應(yīng)，逐步在土粒外殼部位形成一層主要成分為鈉的硅酸鹽及鋁酸鹽的膠膜，此膠膜與土粒周圍鈣離子結(jié)合形成強(qiáng)度高、極難溶解的鈣—堿—硅絡(luò)合物，可使土體牢固粘接在一起，土體因此得到加固。此法多用于面積較小、處理土層厚度不大的建筑基礎(chǔ)。技術(shù)施工難度較大，施工費(fèi)用較高，同時(shí)也缺乏大面積、大深度使用的經(jīng)驗(yàn)?？尚行暂^差。

6 處理方法的選擇

綜合比較以上的方案及本項(xiàng)目的工程特點(diǎn)，采用預(yù)浸水法和素土擠密樁法綜合處理的方案較為合理。

設(shè)計(jì)方案分為兩步實(shí)施，第一步采用人工預(yù)浸水濕潤(rùn)，既可消除部分濕陷性又可以為土層增加含水率，使其達(dá)到擠密樁法合理的含水率范圍，且僅浸水濕潤(rùn)的施工時(shí)間遠(yuǎn)小于全部預(yù)浸水法處理的時(shí)間，浸水工期大大縮短。

處理方法：首先在右壩肩壩頂挖除0.3～0.5 m 厚度土層，設(shè)置淺層水洼，后在水洼底部布置直徑80 mm，間距1～2 m，深度為處理土層厚度3/4 的鉆孔。水洼底部不應(yīng)依常規(guī)設(shè)置砂礫石層，滲水孔內(nèi)更不能填充砂礫，以免形成蜂窩狀滲流通道。其次向水洼內(nèi)逐漸注水，并嚴(yán)格控制其注水量，防止含水率過(guò)高。在浸水后1～3 d 對(duì)地面進(jìn)行晾干，同時(shí)取土樣檢測(cè)其含水率是否滿足素土擠密樁適宜的含水率要求。

第二步進(jìn)行素土擠密樁施工。當(dāng)含水率滿足要求時(shí)，進(jìn)行素土擠密樁施工。施工完畢后對(duì)表層松動(dòng)的壩體應(yīng)挖除重填，對(duì)壩體內(nèi)縫隙采用泥漿灌漿封堵，對(duì)水洼鉆孔必須回填密實(shí)，且孔內(nèi)嚴(yán)禁填充砂礫及小石子，以免在壩體內(nèi)部留存蜂窩狀的滲流通道，危害壩體安全。

在施工前，可先行在大壩上下游壩腳設(shè)置水池，進(jìn)行浸水實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果確定水池布置方案及施工控制參數(shù)。