某水利樞紐區多年凍土工程地質性質及地基基礎設計研究

劉秀寶

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130012)

某水利樞紐區多年凍土工程地質性質及地基基礎設計研究

劉秀寶

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130012)

以某水利樞紐多年凍土為例,在工程地質勘察的基礎上,結合凍土土工試驗和地溫觀測數據,分析工程區多年凍土的分布范圍和特征、凍脹性、融沉性、熱學性質等主要的工程地質問題,并提出了相應的地基基礎設計方案。

水利樞紐;多年凍土;凍脹性;融沉性;熱學性質;地溫觀測;凍害;地基基礎設計

某水利樞紐工程位于內蒙古自治區呼倫貝爾市牙克石市免渡河鎮以東約30 km處,是一座以防洪、森林防火、供水為主,兼顧發電等綜合利用的水利樞紐工程,水庫總庫容8 887萬m3,大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,壩頂高程為755.8 m,最大壩高為19.80 m。在水庫左壩肩壩基開挖過程中,位于壩軸線樁號K0+065～K0+200 m兩側各100 m寬度范圍內挖掘機取土困難,出現打滑跡象,部分地段挖出的土方中含小冰塊,工程區有多年凍土分布。多年凍土是指凍結狀態持續2年以上的土層(土壤、土、巖石),可分為高海拔多年凍土和高緯度多年凍土兩種類型[1]。凍土的工程地質性質主要受含冰量的控制,而含冰量與溫度有關,所以凍土是一種具溫度敏感性且性質很不穩定的土體[2]。水庫蓄水后,多年凍土層溫度升高,將導致凍土層融化,壩基地層將產生不均勻沉降,過大的不均勻沉降極易導致瀝青混凝土心墻變形和壩體開裂,影響水庫運行。故對多年凍土的工程地質性質作出評價和建議,這對工程的整體運營和安全是至關重要的。

1 多年凍土分布特征及地層巖性

1.1 分布特征

工程區地理位置為東經120°30′～122°00′,北緯48°50′～49°30′,為高緯度島狀多年凍土分布區。本區季節性標準凍土深度3 m,季節性凍土層和多年凍土層之間分布1～2 m的非凍結土層,季節凍結層的凍結深度小于多年凍土上限,為不銜接多年凍土[3]。

多年凍土的分布介于壩軸線K0+065～K0+200 m之間,最大厚度約10.20 m,凍土上限埋深為1.20～7.50 m,上限高程為731.49～737.67 m;凍土下限埋深為4.20～14.00 m,下限高程為725.45～737.07 m,且島狀多年凍土水平向外邊界多呈不規則分布;沿河流上、下游延伸范圍超出壩基。沿壩軸線多年凍土分布情況見圖1。

1.2 地層巖性

勘察深度范圍內分布3種巖性多年凍土,分述如下。

圖1 沿壩軸線多年凍土上下限深度變化曲線圖Fig.1 Change curve of upper and lower depth of permafrost along the axis of the dam

2 多年凍土工程地質性質及評價

多年凍土的工程地質性質主要為凍脹性、融沉性和熱學性質,三者直接影響到水庫的整體運營和安全。根據凍土的物理力學性質及熱學性質試驗,得出凍土的塑限、總含水率、凍脹率、融化下沉系數、骨架比熱、凍結狀態導熱系數等參數。依據ZK18孔和ZK20孔地溫觀測試驗數據,得出研究區多年凍土層地溫特征,各多年凍土層主要物理力學及熱學參數值見表1,地溫觀測曲線見圖2、圖3。根據表1試驗數據并結合地溫觀測數據對研究區多年凍土的凍脹性、融沉性和熱學性質進行分析。

2.1 凍脹性

多年凍土層的凍脹類別為弱凍脹—凍脹,凍脹等級為Ⅱ-Ⅲ級,凍脹性較強。本區標準季節性凍土深度為3.0 m,個別地段凍結深度>3.0 m,冬季時砂礫石壩體自壩頂以下3.0 m范圍內處于凍結狀態,季節性凍土層對鋼筋混凝土護板和壩體內砂礫石層產生凍脹力,不利于護板和壩體的穩定。瀝青混凝土心墻在凍脹力作用下受到水平向的推力和向下的摩擦力,心墻易產生拉裂和彎曲變形,極易導致水庫潰壩。

圖2 ZK18孔地溫觀測曲線Fig.2 Geothermometers observation curve of ZK18 hole

圖3 ZK20孔地溫觀測曲線Fig.3 Geothermometers observation curve of ZK20 hole

表1 多年凍土層主要物理力學及熱學參數值表

2.2 融沉性

多年凍土層的融沉類別為弱融沉—融沉,融沉等級為Ⅱ-Ⅲ級。經初步估算,勘察區內多年凍土層最大融化下沉量為16.5 cm,沿壩軸線融沉量變化曲線見圖4。

工程區內多年凍土層的厚度不均,總含水率各異,其融沉系數大小不一,多年凍土層融化后,壩基地層將產生不均勻沉降,過大的不均勻沉降極易導致瀝青混凝土心墻變形和壩體開裂。融化的土體將使心墻表面受到豎直向下的負摩阻力作用,加速心墻變形破壞;融化的多年凍土層力學強度大幅降低,凍土融化面將演變成壩基中的軟弱結構面,在滲透水流的作用下壩基沿軟弱結構面滑動,導致壩基失穩,影響水庫的正常運行。

圖4 沿壩軸線多年凍土融沉量變化曲線圖Fig.4 Change curve of thaw settlement and consolidation of frozen ground along the axis of the dam

2.3 熱學性質

根據凍土試驗資料和地溫觀測數據,并結合呼倫貝爾地區區域地溫資料,工程區凍土層為高溫多年凍土,凍土原狀土樣導熱系數隨著含水率的增加而增大,尤其在黏性土中更為顯著。凍土骨架比熱與顆粒粗細有關:顆粒越細,骨架比熱越大。

工程區凍土具溫度敏感性,在地溫和環境溫度較高時具強烈流變性,瞬時強度遠遠高于長期強度,是一種極不穩定的土體。水庫蓄水后,多年凍土層的熱平衡狀態被打破,凍土層融化,對工程建設不利。

3 多年凍土地基處理措施及基礎設計方案

3.1 地基處理措施

工程區多年凍土層為不銜接島狀多年凍土,具高緯度,低海拔,地溫大多高于-1℃[4],不穩定、地勢低洼處多年凍土更為發育,熱穩定性差[5],活動層土體凍脹性強及地面敏感性等特點,屬極不穩定帶,場區的穩定性和適用性較差。建議設計方對島狀多年凍土融沉變形給建筑物造成的影響進行分析計算,并采取相應的處理措施,必要時,可考慮將建筑物地基內的多年凍土予以全部挖除。且在多年凍土層開挖過程中采取適當措施,防止開挖邊坡失穩破壞。各多年凍土層開挖坡比建議采用值見表2。

表2 多年凍土層開挖坡比建議采用值

3.2 地基基礎設計方案

(1) 在壩基基礎設計時,對壩基及壩體可采取預留沉降量的措施來控制砂礫石壩的不均勻沉降和變形,并將建筑物地基內的多年凍土予以全部挖除。

(2) 可在鋼筋混凝土護板上間隔適當距離設置貫通的橫縫和縱縫,減小凍脹力對于壩體和護板的影響。

(3) 在壩基開挖邊界處設置一定高度的擋墻,并與壩面鋼筋混凝土護板相連接,擋墻深入穩定地層適當深度,防止多年凍土融化后,由于土體抗剪強度降低引發壩體滑坡的發生。

(4) 可將瀝青混凝土心墻兩側采用干燥砂礫石換填,換填厚度>3～5倍心墻厚度,消除凍脹性和融沉性對瀝青混凝土心墻的影響。

4 結語

(1) 不銜接島狀多年凍土對工程建筑物的主要影響為融沉變形,經初步估算,勘察區內多年凍土層最大融化下沉量為16.5 cm。由于島狀多年凍土層厚度不一,融沉系數各異,在其分布范圍內最終融化下沉量也大小不一。

(2) 對島狀多年凍土融沉變形給建筑物造成的影響進行分析計算,并采取相應的處理措施,必要時,可考慮將建筑物地基內的多年凍土予以全部挖除。且在多年凍土層開挖過程中采取適當措施,防止開挖邊坡失穩破壞。

(3) 凍土具溫度敏感性,在地溫和環境溫度較高時具強烈流變性。水庫蓄水后,多年凍土層的熱平衡狀態被打破,凍土層融化,對工程建設不利。

(4) 可采取適當的地基基礎設計方案,消除多年凍土的凍害對建筑物的影響。

[1] 李靜,盛煜,陳繼,等.大通河源區多年凍土的地溫特征及其影響因素分析[J].地理科學進展,2011(7):827-836.

[2] 王芳.博牙高速公路島狀多年凍土地區路基沉降處治技術研究[D].西安:長安大學,2011.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.凍土工程地質勘察規范:GB50324—2014[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[4] 殷玲,吳寶安,方明偉.呼倫貝爾多年凍土區工程地質特征[J].呼倫貝爾學院學報,2013(10):109-110.

[5] 楊永鵬,程東幸,伏慧霞.東北大興安嶺多年凍土區工程地質特征及評價[J].工程地質學報,2008,16(5):659-660.

(責任編輯：陳文寶)

Research on Permafrost Engineering Geological Properties andFoundation Design Schemes in a Hydro Project Area

LIU Xiubao

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Changchun,Jilin130012)

In this paper,taking a hydro project in permafrost area as an example,based on the engineering geological investigation,the frozen soil tests and the ground temperature observation data,the distribution and the characteristics of the existing permafrost are studied. The frost heaving,the thawing settlement and thermal property of the permafrost are analyzed. Then,the main engineering geological problems of the study area are pointed out,and corresponding foundation design scheme are proposed.

hydro-junction ; permafrost; frost heaving ; thaw settlement; thermal property; geothermal observation; freezing damage; foundation design

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

劉秀寶(1983-),男,工程師,工程地質專業，從事水利水電工程勘察工作。E-mail:liuxb1019@126.com

TU471.7

A

1671-1211(2016)03-0433-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.043

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1532.038.html 數字出版日期:2016-05-05 15:32