黃土地區(qū)引調(diào)水線路主要工程地質(zhì)問題及對策

王新華

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001)

黃土地區(qū)引調(diào)水線路主要工程地質(zhì)問題及對策

王新華

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001)

在廣泛收集資料及實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對黃土地區(qū)引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)，論述黃土渠道、隧洞、邊坡和其他渠系建筑物主要工程地質(zhì)問題及處理措施，進(jìn)一步認(rèn)識黃土地區(qū)引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察主要工程地質(zhì)問題。

黃土;引調(diào)水線路;黃土渠道;隧洞;邊坡;渠系建筑物

隨著黃土地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，近年來黃土地區(qū)引調(diào)水線路勘察愈來愈多，國內(nèi)目前尚無黃土地區(qū)引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范，勘察工作無章可循，勘察成果質(zhì)量難以保證。在廣泛收集資料及實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，基于多年黃土地區(qū)的勘察實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對黃土地區(qū)引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)進(jìn)行總結(jié)，以指導(dǎo)黃土地區(qū)引調(diào)水線路工程勘察工作。

1 黃土渠道

1.1 主要工程地質(zhì)問題

1.1.1 渠道滲漏

實(shí)踐證明，即使不存在砂卵石等強(qiáng)透水層的黃土渠道，滲漏量也是可觀的，在隴西及西北內(nèi)陸盆地的新黃土中筑渠，初期通水常有水未達(dá)目的地而渠水全部滲完的情況發(fā)生。陜西關(guān)中使用多年的涇、洛、渭幾個(gè)大型老灌區(qū)，雖然主要渠道已采取了各種防滲措施，其滲漏損失仍達(dá)總引水量的40%～50%。黃土渠道滲漏不僅降低了工程效益，更重要的是可能引起渠道濕陷、渠水通過隱患潛流而造成渠堤串水、渠堤決口和渠基滑移等不良工程地質(zhì)問題。

1.1.2 渠道濕陷變形

渠道通過具有自重濕陷的新黃土或新近堆積的黃土地段，通水后黃土因滲水浸潤而自重濕陷。其主要表現(xiàn)為地表下沉、渠堤裂縫和邊坡塌陷。甘肅永登永進(jìn)渠1號洞以上自重濕陷黃土渠道，通水初期渠底平均下沉0.5～1.0 m，最大濕陷下沉量1.8 m，同時(shí)渠道兩岸黃土產(chǎn)生了坐落式階梯狀下沉。甘肅靖會灌區(qū)總干渠自重濕陷黃土區(qū)，通水7個(gè)月濕陷和裂縫渠段占總渠長60%。在關(guān)中、晉南局部地段，也發(fā)生類似問題。

1.1.3 渠基穩(wěn)定

黃土陡峻斜坡地段的渠道，可能存在渠基和外渠堤的穩(wěn)定問題。主要是指渠基滑移和渠堤決口，在自重濕陷性較敏感的隴西地區(qū)和不敏感的隴東地區(qū)，該類問題同樣存在，只是表現(xiàn)形式與程度不同。隴西地區(qū)黃土渠道渠堤決口問題嚴(yán)重，決口的方式有:① 渠堤局部濕陷沉降過大;② 渠水沿大的濕陷裂縫集中滲流、機(jī)械浸蝕和沖淘;③渠基側(cè)邊坡黃土濕陷坐滑坍陷堵塞渠槽。據(jù)調(diào)研甘肅永登永進(jìn)渠在放水過程中，干渠沿線發(fā)生大小決口600多處(次)。隴東地區(qū)黃土渠堤主要是渠水沿著渠槽和渠堤下的黃土洞穴、黃土構(gòu)造裂隙、滑坡裂隙等隱患的集中滲流造成渠堤侵蝕潰決。

1.1.4 黃土高邊坡穩(wěn)定

渠道通過原邊黃土高邊坡，如果設(shè)計(jì)施工不當(dāng)，可能在渠道運(yùn)行中，甚至在施工過程中失穩(wěn)破壞。其破壞的方式一般為崩塌。在暴雨、地震等因素參與下，可能發(fā)生滑坡。傍山渠道，也可能發(fā)生泥石流。黃土高邊坡的失穩(wěn)破壞，規(guī)模小的塌滑土體可掩埋渠槽，影響渠道正常通水，大規(guī)模的則可能毀掉該段渠道，造成更嚴(yán)重?fù)p失。

1.2 工程處理措施

對黃土渠道嚴(yán)重的滲漏和濕陷變形，要進(jìn)行認(rèn)真的工程處理，渠道才能安全通水使用。

1.2.1 黃土濕陷性處理

非自重濕陷黃土渠道地基處理基本程序:①開挖渠道，同時(shí)處理已查明的洞穴隱患和泉水;②試通水，處理試通水中發(fā)現(xiàn)的隱患;③防滲、防沖襯砌，④正式通水使用。

自重濕陷黃土渠道地基處理基本程序:①小斷面渠道開挖，同時(shí)處理已出現(xiàn)的黃土洞穴、裂隙;② 渠槽泡水，使黃土預(yù)先濕陷;③ 按渠道設(shè)計(jì)斷面施工，對Ⅱ級非自重濕陷黃土渠道及Ⅲ級自重濕陷黃土渠道采用原土翻夯1 m，加厚0.3 m的3:7灰土，對Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷黃土渠道，地基處理措施是原土翻夯1.5～2 m，鋪設(shè)厚0.5 m的3:7灰土⑤防滲防沖襯砌;⑥正式通水使用。

1.2.2 黃土洞穴隱患處理

據(jù)陜西寶雞峽引渭灌溉工程經(jīng)驗(yàn)，黃土渠道及其附近的黃土潛蝕洞穴、崖洞、古墓等重要隱患，必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行回填處理。

1.2.3 渠基泉水處理

渠道附近的泉水露頭與渠道的安全穩(wěn)定有密切關(guān)系。根據(jù)泉水出露情況可采取泉眼導(dǎo)流、分層排水、反濾排水、明溝排水、打排水孔(洞)排水等措施。

1.2.4 渠基裂隙處理

濕陷變形渠道的裂隙處理，主要采用翻土夯實(shí)，予以封閉。

2 黃土隧洞穩(wěn)定問題

隧洞是水利工程和其他工程經(jīng)常采用的建筑物形式，在黃土塬邊和梁峁溝壑區(qū)，常以隧洞繞避，它既能減少深挖高填，回避高邊坡問題，縮短線路，管理養(yǎng)護(hù)方便，又有較好的隱蔽條件和抗震性能，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，往往是比較經(jīng)濟(jì)、安全的線路方案。

黃土隧洞的變形與否及穩(wěn)定程度主要取決于黃土的強(qiáng)度及其能否發(fā)揮其強(qiáng)度效應(yīng)，而此與土性、含水量、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、施工方法和支護(hù)形式等有關(guān)。就土性而言，黃土為中高壓縮性、弱透水性土，洞進(jìn)出口段黃土一般具中強(qiáng)濕陷性，黃土在干燥狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度，隧洞有較好的穩(wěn)定性，而遇水可能濕陷，強(qiáng)度迅速降低，垮塌破壞;黃土隨含水量的增高其強(qiáng)度有明顯降低，當(dāng)含水量達(dá)到25%時(shí)，隧洞的穩(wěn)定性顯著降低。

2.1 飽和黃土隧洞穩(wěn)定問題

飽和黃土隧洞施工難度大，在地下水作用下，隧洞穩(wěn)定性差，常在頂拱發(fā)生塌方、邊墻發(fā)生滑動、墻腳流土(泥)、底板鼓出等變形破壞現(xiàn)象，破壞嚴(yán)重時(shí)，可造成流土(泥)堵塞隧洞、塌方冒頂至地表，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡，致使工程無法進(jìn)行。

當(dāng)飽和土隧洞施工開挖后，洞室土體處于臨空狀態(tài)，土體應(yīng)力發(fā)生變化，以至于松弛，變形，在其強(qiáng)度因“水”飽和而降低的同時(shí)，在動水壓力作用下，而發(fā)生的滲透破壞為主的變形形式。洞室開挖后，地下水流態(tài)發(fā)生突然變化，洞室外圍水體由原來較為平靜狀態(tài)而轉(zhuǎn)為向洞室排泄，其水力坡降驟然提高許多倍，在過大動水壓力作用下，土體結(jié)構(gòu)受到破壞，強(qiáng)度損失，發(fā)生變形破壞。

飽和土較一般自然下的非飽和土(W為10%～20%)抗剪強(qiáng)度降低30% ～50%，特別是凝聚力(c)值可降低近1倍。

根據(jù)洛惠渠5號、黑河少陵塬、馮家山2號等隧洞的施工經(jīng)驗(yàn)，在沒有先進(jìn)機(jī)具的情況下(如使用盾構(gòu)機(jī)施工)，采取排水固結(jié)飽和土隧洞是行之有效的施工方法。

2.2 濕陷性黃土隧洞穩(wěn)定問題

濕陷性黃土隧洞因地基遇水導(dǎo)致隧洞襯砌破壞的實(shí)例不少，如甘肅省西岔電灌工程早期建成的黃土隧洞進(jìn)出口地基最大沉陷量達(dá)80 cm，甘肅省原永登東干渠4號洞出口段洞身下沉60 cm，均是洞身滲水引起地基濕陷。

甘肅省榆中三電工程豆家溝隧洞在濕陷性黃土段設(shè)計(jì)采用洞內(nèi)壁水位以下部分全斷面掛兩層鋼絲網(wǎng)抹400#水泥砂漿厚3 cm，形成剛性防滲層，構(gòu)件與圍巖間回填厚度不小于15 cm的150#砼防水層，環(huán)向砌縫填1:3水泥砂漿。該洞經(jīng)多年運(yùn)行，防滲效果良好。

由工程實(shí)例說明，對濕陷性黃土隧洞一定要采取可靠的防滲措施，防止洞身滲水引起地基濕陷。

3 黃土邊坡

3.1 主要工程地質(zhì)問題

3.1.1 穩(wěn)定邊坡坡比選擇

坡高、坡比和坡型的關(guān)系，在一定的地質(zhì)條件下，總坡比與總坡高必須相適應(yīng)，才能維持穩(wěn)定，因而坡高與坡比是主要矛盾。但坡型選擇不當(dāng)，往往也保證不了邊坡的長期穩(wěn)定。低邊坡可用直線型，中高黃土邊坡一般采用階梯型。有的邊坡太高，在邊坡上適當(dāng)位置設(shè)平臺，有利于排水、養(yǎng)護(hù)和施工。

從陜西省寶雞峽引渭灌溉工程幾十年運(yùn)用情況看:完整人工邊坡單級坡比0.6～0.5，坡高15～25 m ，平臺寬4～6 m，目前邊坡穩(wěn)定性較好;滑坡體黃土狀土邊坡，坡高不超過25 m，單級坡比0.33，小平臺寬2.0 m，絕大部分邊坡目前穩(wěn)定。

3.1.2 邊坡穩(wěn)定分析

1)強(qiáng)度指標(biāo)的選擇

影響強(qiáng)度指標(biāo)可靠性的因素是多方面的，應(yīng)具體選用，盡可能求得合理。

(1)試驗(yàn)儀器:直剪儀試驗(yàn)的精度次于三軸儀試驗(yàn)。但由于直剪試驗(yàn)簡單，強(qiáng)度值較三軸結(jié)果一般偏小，從安全方面考慮，故多采用直剪儀試驗(yàn)結(jié)果。

(2)土樣的代表性:計(jì)算公式一般假定土壤是均質(zhì)的，但黃土常為多層結(jié)構(gòu)，古土壤強(qiáng)度大于黃土，因此，對較高邊坡設(shè)計(jì)，應(yīng)細(xì)致分層取樣，舍去反常值(c＞0.14 MPa，φ﹥35°)按層厚或滑弧長度進(jìn)行加權(quán)平均，土體容重(r)按層厚加權(quán)平均選取。

(3)土壤含水量變化與強(qiáng)度關(guān)系:土壤含水量增加，抗剪強(qiáng)度減小，尤以凝聚力減少劇烈。如寶雞峽資料，野外取樣多在地表內(nèi)1～1.5 m，含水量平均為19%，但坡體內(nèi)部含水量多為22%。在魏家堡打平洞取樣試驗(yàn)比較，含水量由19%增至22%時(shí)，φ值降低4% ～7%，c值降低20% ～30%。

(4)黃土的各向異性問題:試驗(yàn)證明黃土的抗剪強(qiáng)度具有各向異性。在特殊高邊坡中，應(yīng)考慮各向異性的影響，剪切面應(yīng)盡量和最險(xiǎn)滑面方向一致，對于一般邊坡計(jì)算，可以采用水平方向抗剪強(qiáng)度。

(5)關(guān)于峰值問題:試驗(yàn)室所得結(jié)果，一般為峰值強(qiáng)度，坡體滑動面上的抗剪強(qiáng)度均低于峰值強(qiáng)度，因此，在計(jì)算中采用峰值強(qiáng)度是不夠安全的，可按水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范(sl386－2007)條文說明4.4.9提出的方法折減。

2)穩(wěn)定分析方法

黃土邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，滑動面可假定為圓弧，并考慮裂隙的影響，宜采用簡化Bishop法進(jìn)行計(jì)算，其安全系數(shù)應(yīng)滿足水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范(sl386－2007)表3.4.2規(guī)定的要求，否則應(yīng)對邊坡進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)單級坡高超過10m時(shí)，應(yīng)對單級坡作局部穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3.2 邊坡防護(hù)措施

由于黃土的特性及氣候因素的影響，黃土人工邊坡上的剝落、面蝕(或沖刷)及表層滑落等現(xiàn)象，較為普遍，特別是高邊坡坡腳應(yīng)力集中帶，受到應(yīng)力松弛、剝落和沖刷的交替作用，逐漸降低邊坡的穩(wěn)定性，因此，要保障邊坡的長期安全穩(wěn)定，邊坡須采用防護(hù)措施。邊坡的防護(hù)措施主要是排水與護(hù)坡兩方面，但排水措施更為重要。排水主要采用天溝、側(cè)溝和平臺排水溝等措施。坡面防護(hù)根據(jù)氣候環(huán)境采用工程、植物或復(fù)合型生態(tài)防護(hù)技術(shù)。

4 渠系建筑物

4.1 主要工程地質(zhì)問題

渠系建筑物種類繁多，各類建筑物對地基的要求不一定相同，同一地質(zhì)條件可能出現(xiàn)不同的工程地質(zhì)問題。黃土地基的濕陷變形，是渠系建筑物的主要工程地質(zhì)問題。

建筑物對黃土地基有附加荷載，非自重濕陷性黃土在某一荷載下即可濕陷變形，自重濕陷黃土地基的變形更嚴(yán)重。抽水站的廠房和出水池，以及過溝建筑物的地基有不少濕陷破壞的例子，例如甘肅三角城二泵站，出水池濕陷下沉，前后濕陷變形量總計(jì)達(dá)1.5 m。

4.2 建筑物地基處理

濕陷性黃土地基處理，應(yīng)根據(jù)建筑物的類別、場地的濕陷類型、濕陷性黃土的厚度、濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)、濕陷起始壓力沿土層深度的分布，并考慮因地制宜、就地取材、保護(hù)環(huán)境以選用表1中的一種或幾種相結(jié)合的處理方法。地基處理施工前，對已選定的地基處理方法，宜在有代表性的場地上進(jìn)行試驗(yàn)或試驗(yàn)性施工。

表1 濕陷性黃土地基常用的處理方法

5 填方工程

5.1 填方渠道濕陷性評價(jià)問題與處理

渠基黃土濕陷性評價(jià)中，要重視填方段研究，非自重濕陷性渠基，由于填方，自重壓力增大，可能變?yōu)樽灾貪裣菪郧仨氄{(diào)整渠底高程或采取處理措施。

5.2 填方材料(黃土)的勘察與評價(jià)

濕陷性黃土作為填筑料，經(jīng)過開挖、搬運(yùn)擾動，重新回填，有可能已不具備濕陷性，但有的還可能具有濕陷性，其關(guān)鍵在于土料的含水量和壓實(shí)度。當(dāng)含水量合適，壓實(shí)度接近1時(shí)，就不會產(chǎn)生濕陷，否則有可能還存在濕陷。因此，在填方設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這一特性。在土料勘察時(shí)，要重視原狀土的含水量的變化規(guī)律，利用探井詳細(xì)測定其含水量(每m一樣)，并進(jìn)行土料標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，求得最大干密度時(shí)的最優(yōu)含水量。

控制填方干密度是消除濕陷的關(guān)鍵。在不同干密度情況下，可以出現(xiàn)不同的濕陷系數(shù);在同一干密度不同含水量的情況下，也可出現(xiàn)不同的濕陷系數(shù)。只有當(dāng)填料達(dá)到最優(yōu)含水量的情況下，并達(dá)到最大干密度時(shí)，填方才不存在濕陷。根據(jù)陜西濕陷性黃土擊實(shí)干密度和濕陷系數(shù)曲線關(guān)系，當(dāng)土的干密度大于1.55 g/cm3時(shí)，在200～300 kpa壓力下浸水，黃土基本不具濕陷性。

土石壩規(guī)范規(guī)定，壩體含水量一般應(yīng)控制最優(yōu)含水量附近，其上下限偏離最優(yōu)含水量不超過土2% ～3%，就濕陷性黃土填料而言，如含水量相差3%，則其濕陷程度相差可能很大。而且根據(jù)濕陷規(guī)律，高含水量比低含水量好，但較高的含水量有可能因碾壓而形成橡皮土。上述一些特征都是在填方設(shè)計(jì)中應(yīng)予以注意的。

［1］GB50025－2004.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2004.

［2］GB50487－2008.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范.北京:中國計(jì)劃出版社.2009.

［3］濮聲榮.陜西水利工程實(shí)踐.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社.2002.

TV67:TU444

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1004－1184(2012)03－0186－03

2012－01－09

王新華(1963－)，男，陜西大荔人，高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察及技術(shù)管理工作。