南水北調中線工程總干渠濕陷性黃土及其處理

郭育琳

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津　300222)

0　引言

南水北調中線工程是一項特大型長距離跨流域調水工程，工程任務是緩解京、津、華北地區的資源性缺水問題，其供水目標主要是城市，兼顧農業與生態。南水北調中線一期工程總干渠從丹江口水庫陶岔渠首開始，經河南、河北至北京團城湖，全長1 276.4 km。工程以明渠輸水為主，局部采用管(涵)道輸水。總干渠由南向北依次展布于伏牛山、嵩山、太行山山前地帶或山地與平原之間的過渡地帶;該地帶為黃土高原東部的外圍區域，廣泛分布來源于黃土高原的黃土狀土;黃土地基的濕陷變形是總干渠的一個主要工程地質問題。

1　濕陷性黃土分布及特征

1.1　分布

南水北調中線工程總干渠沿線的黃土主要分布在汝河以北的渠段，主要為第四系全新統或上更新統的沖洪積、坡洪積成因的次生黃土，局部為風積成因的原生黃土。據統計，總干渠沿線黃土累計分布長度588.5 km，其中具有濕陷性的黃土渠道總長342.76 km，濕陷等級以弱—中等為主，濕陷深度一般<5 m，最深約8 m，一般不具自重濕陷性。總干渠沿線濕陷性黃土在空間上的分布很不均勻，無論在水平方向還是垂直方向上都具有較大的隨機性(表1)。

1.2　特征

黃河以南黃土按成因可分為風成黃土、次生黃土。該區域黃土顆粒組成中砂粒含量一般為25%～30%，粉粒含量一般為60%～65%，粘粒含量為10%左右。黃土的天然含水率較低，干密度較大，呈中等—低壓縮性，土體力學強度較高。濕陷系數0.005～0.060，多屬弱—中等濕陷性，濕陷起始壓力一般>50 kPa，且一般為非自重濕陷性黃土。黃河以北黃土主要為沖洪積、坡洪積的次生黃土。該區域黃土顆粒組成中粉粒含量一般為60%～80%，粘粒含量為14%～25%，局部含有細礫。相比于黃河以南的黃土，天然含水率較高，干密度相近，壓縮性較高，一般為高壓縮性土。濕陷系數0.005～0.087，多屬弱—中等濕陷性，局部具強濕陷性，濕陷起始壓力一般在35～200 kPa之間，局部夾有自重濕陷性黃土[1]。

表1　總干渠濕陷性黃土分布

2　處理措施

黃土濕陷性是指在自重壓力或外荷作用下，受水浸濕后，土中水溶鹽被溶解或軟化，土體結構迅速破壞，并發生顯著附加下沉的現象。黃土地基的濕陷性取決于黃土本身的特性、荷載、水等三個方面的因素。因此，主要通過以下三個途徑對濕陷性黃土地基進行處理：一是破壞黃土原有結構，消除地基黃土的全部或部分濕陷性;處理方法包括預浸水法、強夯法、墊層法、擠密樁法等。二是通過采取防滲措施，避免地基黃土浸水產生濕陷;通常采用的防滲措施包括混凝土襯砌、土工膜防滲等。三是通過結構措施減小黃土地基承受的荷載，達到減弱濕陷的目的，處理方法包括各類樁基礎[2]。

2.1　墊層法

將建筑物基底以下濕陷性土層全部或部分挖除，然后以水泥土、灰土或素土分層回填夯實。當僅要求消除基底下濕陷性黃土濕陷量時，宜采用素土墊層進行處理；當同時要求提高墊層土的承載力及增強水穩性時，宜采用灰土墊層或水泥土墊層處理。

2.2　強夯法(強夯、重夯)

通過重錘的自由下落，對土體進行強力夯實，以提高其強度，降低壓縮性。強夯法處理的有效深度與單位夯擊能有關，一般可達到6～8 m。

2.3　擠密法

采用擠土成孔或非擠土成孔方式在地基中成孔，并分層填料，夯實或夯擴成樁，從而使得樁間土性能得到改良。孔內填料一般采用用素土或灰土，必要時可采用強度高的水泥土。

2.4　預浸水法

在建筑物修筑前，先將地基充分浸水，使其在自重作用下發生濕陷，改善土層結構和基本特性，以達到消除其自重濕陷性的目的。

當濕陷性黃土厚度大，上述地基處理措施不能滿足建筑物要求時，可以采用樁基礎。

水是黃土產生濕陷的必要條件，因此，做好建筑物基礎的隔水層，使濕陷性黃土地基無法浸水，就可以達到避免地基濕陷的目的。常用的隔水材料有灰土、油氈、土工膜以及混凝土襯砌等。

在水利工程中，通常采用兩種或多種處理措施聯合運用，以避免地基濕陷帶來的危害。如渠道地基在進行強夯、擠密處理之后，再采用混凝土襯砌或土工膜進行防滲等。

3　地基處理

3.1　處理原則

按照挖填情況，總干渠分為挖方段、半挖半填段和填方段，因此濕陷性黃土地基的處理原則是不同的：

(1)挖方渠段由于沒有附加應力，當黃土屬非自重濕陷性黃土時，不需要對黃土濕陷性進行處理；當黃土屬自重濕陷性黃土時，需進行處理。

(2)半挖半填渠段與填方段當自重應力和附加應力之和小于濕陷起始壓力時，不需要對黃土濕陷性進行處理；當自重應力和附加應力之和大于濕陷起始壓力時，計算濕陷量，若濕陷量>50 mm，需進行處理，否則不處理。

3.2　措施選擇

總干渠線路長，濕陷性黃土分布不連續，厚度變化較大，在選擇處理措施時除了要考慮各種方法的適用性，還需考慮相鄰渠段施工的連續性，避免在較短的渠段內交叉采用多種處理方法。預浸水法施工周期長，耗水量大，而總干渠沿線水源困難，且總干渠黃土地基大多屬非自重濕陷性，因此，預浸水法不適用于總干渠的地基處理；墊層法、擠密土法以及強夯法均適用于總干渠的地基處理。通過對上述三種處理措施進行比較，墊層法與擠密法造價較高，而強夯法費用相對較低，施工簡單，且總干渠濕陷性黃土厚度多<5 m，最大深度約8 m，恰好處于強夯法的有效處理深度范圍內。因此，采用強夯法對總干渠濕陷性黃土地基進行處理是合適的。

根據不同的地基情況確定具體的夯實方法：對自重濕陷性黃土地基上的挖方渠段采用強夯法進行處理；對渠底、渠堤下濕陷性黃土厚度在1～2.5 m之間的地基，采用重夯法進行處理；對于地基附加應力與上覆土層飽和自重壓力之和大于黃土濕陷起始壓力的所有濕陷性土層進行消除濕陷性處理深度的計算，計算處理深度>2.5 m的渠段采用強夯法進行處理；計算處理深度<2.5 m的渠段，采用重夯法進行處理。

3.3　地基處理

強夯法夯錘重20 t，單擊夯擊能為3 000 kN·m，夯擊點采用梅花形布置，間距為5 m。夯擊共進行3遍，每個夯擊點每遍夯擊10次，最后一遍為滿堂夯，兩遍間歇時間為7-12 d。為了保證有效處理深度，在半挖半填渠段，首先清除渠基表土，然后再進行強夯施工。

重夯法夯錘重3 t，單擊夯擊能為180 kN·m，夯擊點連續布置，夯擊共進行3遍，每個夯擊點累計夯擊12次。

在靠近村莊的渠段，在夯實邊緣處開挖減震溝，以減少強夯施工時振動對附近民房、建筑物及人畜的影響。減震溝底寬1 m，深3 m。

為了檢測地基處理效果，在處理后的地基中取樣進行了干密度和濕陷性試驗。表2為總干渠安陽段地基處理前后黃土干密度及濕陷系數的變化情況。檢測結果顯示，經過強夯或重夯處理后的黃土密實度程度均有很大提高，消除了地基中黃土的濕陷性，達到了地基處理的目的。

表2　地基處理前后黃土的干密度及濕陷系數

4　結語

南水北調中線工程總干渠沿線濕陷性黃土分布廣泛，濕陷等級一般為弱—中等濕陷性，局部具有強濕陷性，大部分為非自重濕陷性黃土。綜合考慮渠道地基濕陷性黃土的厚度、濕陷等級以及各種處理方法的適用性等因素，采用強夯法對渠道濕陷性黃土地基進行處理是合適的。處理后的地基土層密實程度得到很大提高，濕陷性完全消除，達到了地基處理的目的。

參考文獻：

[1]楊計申，李德群，邊建峰，等.南水北調中線工程特殊性巖土地質環境與環境地質概論[M].鄭州：黃河水利出版社，2009.

[2]GB50025—2004,濕陷性黃土地區建筑規范[S].