王圪堵水庫左壩肩壩基砂土濕化及壓縮變形分析

楊聚利

（陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000）

王圪堵水庫位于榆林市橫山縣，為無定河中游的水沙控制性水利工程，以供水、攔沙為主，兼顧灌溉、發電和防洪等綜合功能。水庫控制流域面積1.075萬km2，總庫容3.89億m3，屬大（2）型，設計壩型為碾壓均質土壩。樞紐工程由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和壩后電站等建筑物組成。其中，壩基由左壩段沖湖積細砂夾砂質、粉質壤土、河床段沖積細砂和右壩段基巖斜坡構成[2]。

1 地質概況

1.1 地形地貌

王圪堵水庫左壩段為典型的沙漠地貌，由沙丘、沙梁及洼地組成，分布高程1070 m～1090 m。岸坡較為陡峻，自然坡度35°～50°。河谷地形相對開闊，分布高程 1007 m～1009 m，相對高差60 m～80 m。

1.2 地層巖性

左壩段地層主要以第四系上更新統沖湖積（Q31al+l）⑧層細砂為主，灰黃色，石英、長石為主，較均，中密狀，具水平層理，一般厚度0.6 m～30.0 m，夾粉細砂及砂質壤土。粉細砂灰黃色，分選性好，以石英、長石為主，云母次之，較純凈，松散，厚度1.0 m～12.0 m，主要分布于高程1064.0 m以上。砂質壤土，灰～青灰色，以粉粒為主，含粉細砂，不均，稍濕，發育水平層理，厚度一般0.3 m～1.5 m，最大厚度7.50 m，該地層不穩定，局部呈透鏡狀。

下臥侏羅系上統安定組（J3a）砂巖、粉砂巖、泥質砂巖夾泥巖或泥巖夾泥質砂巖：紫紅色、淺灰色、暗紫紅色，薄～中厚層狀，巖面分布高程996.3 m～998.7 m。

1.3 地震及砂土液化

王圪堵水庫壩址區地震峰值加速度0.05 g，特征周期0.35 s，相應地震基本烈度為Ⅵ度。上更新統(Q3)砂土可不考慮液化問題[2]。

1.4 水文地質

左壩段地下水類型為沙漠孔隙潛水，分布于沙漠區下部，含水層為細砂，厚度一般20 m～50 m，水位埋深一般30 m～60 m，出露高程1008.0 m，相對隔水層為下伏基巖。受大氣降水補給，向河谷排泄。

2 左壩肩工程地質評價及建議

左壩肩沖湖積(Q31al+l)細砂壓縮系數av=0.2 MPa-1,具中低壓縮性和中、強透水性。壩體填筑過程中,壓縮變形完成過程快,壩基總體變形不會很大。天然相對密度(Dr=0.28)與規范中對砂料的填筑要求密度(Dr=0.7)相差甚遠；加之壩基砂層厚度變化大，存在差異性變化。對壩基砂土利用時應進行工程處理。其次，壩基第⑧層沖湖積砂土 ρd=1.54 g/cm3，Dr=0.28，J允許=0.15，均存在滲透穩定問題，須進行處理。建議對砂層宜采取強夯振密或振動密實及反濾措施[1]。

3 壩肩壩基工程地質分析

工程于2008年10月開工興建，2010年5月基本完成左壩肩壩基（壩上0+144 m～壩下0+126 m）開挖。揭示壩基巖性為⑧層細砂，局部夾砂質壤土。所揭示地層結構與初步設計階段勘察成果一致。為進一步了解該層在水庫蓄水后的沉降變形特征，為采取相應的措施提供依據，故對壩基砂土層變形問題進行專題研究。方法采用野外密度試驗、室內濕化、天然含水狀態和浸水狀態的壓縮試驗[3]。

3.1 壩基砂土物理力學特性

左壩肩壩基上更新統沖湖積（Q31al+l）⑧層細砂和⑧-1、⑧-2、⑧-3層砂質壤、粉質質壤土呈互層或夾層狀，如圖1。

圖1 左壩肩壩基邊坡工程地質剖面圖

3.2 砂土物理力學指標分析

第四系上更新統沖湖積 (Q3ai+l)⑧層細砂為壩基主要持力層，按分布高程將壩基劃分三個單元進行試驗和統計分析，按高程自上而下分別為1065 m～1040.0 m、1040.0 m～1025.0 m、1025 m～1008 m段。便于敘述以下簡稱為上、中、下段[5]。

野外密度試驗采用環刀法和灌水法平行對比，分別為14組、6組和5組、相對密度各8組。上段ρ=1.70，ω=5.91%，ρd=1.61，Dr=0.42；中段 ρ=1.66，ω=3.13%，ρd=1.61，Dr=0.47；下段 ρd=1.61，ω=2.33%，ρ=1.58，Dr=0.43。各段砂土均為中密狀。

砂土室內顆分試驗每段8組。上段Cu=2.59，值域3.03～1.98，Cc=0.83，值域1.26～0.73，屬級配不良的砂和分土質砂，即粉細砂；中段Cu=3.21，值域3.45～2.17，Cc=0.92，值域1.21～0.87，為級配不良砂。下段 Cu=3.15，值域 4.59～1.74，Cc=1.21，值域1.89～0.81，屬級配不良砂，即中下段為細砂。

濕化采用室內浸水壓縮試驗如表1。

表1 壩基砂土濕化試驗成果匯總

壩基砂土壓縮試驗采用天然含水狀態壓縮和浸水狀態壓縮兩種工況進行對比試驗，兩種狀態的最大壓力均為1200 kPa。當壓力為200 kPa時，上段天然狀態下e=0.853，a1-2=0.24，含水狀態下 e=0.763，a1-2=0.21；中段天然狀態下 e=0.745，a1-2=0.11，含水狀態下e=0.716，a1-2=0.11；下段天然狀態下e=0.794，a1-2=0.10，含水狀態下e=0.776，a1-2=0.11，均具中低壓縮性。

當壓力為400 kPa時，上段天然狀態下e=0.827，a2-4=0.13，含水狀態下e=0.743，a2-4=0.10；中段天然狀態下e=0.732，a2-4=0.062，含水狀態下e=0.704，a2-4=0.057；下段天然狀態下e=0.780，a2-4=0.068，含水狀態下 e=0.766，a2-4=0.050。該級壓力下僅上段砂土具中低壓縮性，中、下地段均為低壓縮性砂土。

壓力為800 kPa時，天然狀態下各段孔隙比分別為0.801、0.717和0.768，壓縮系數分別為0.065、0.038和0.031，浸水狀態下各段孔隙比分別為0.720、0.690和0.754，壓縮系數分別為0.058、0.035和0.030，均為低壓縮性。

壓力為1200 kPa時，上段趨于極限，中段和下段天然狀態孔隙比分別為0.706和0.754，壓縮系數分別為0.027和0.034，浸水狀態下各段孔隙比分別為0.680和0.743，壓縮系數分別為0.026和0.027，均為低壓縮性；

天然含水狀態和浸水狀態各級壓力與孔隙比如表2，e-p曲線如圖1～圖3。

表2 天然和浸水狀態各級壓力與孔隙比變化表

圖1 上段天然含水狀態、浸水狀態下e-p曲線

圖2 中段天然含水狀態、浸水狀態下e-p曲線

圖3 下段天然含水狀態、浸水狀態下e-p曲線

3.3 壩基砂土變形特征

顆分資料顯示，左壩肩壩基砂土中段和下段以細砂為主，局部夾粉細砂薄層。其中上段粉細砂為主，與粉質壤土呈互層狀。

上段砂土 ρ=1.70 g/cm3，ρd=1.61 g/cm3，Dr=0.29～0.53，平均值0.42，Psh=25 kPa，Pc=72 kPa，δzs=0.051、中段砂土 ρ=1.66 g/cm3，ρd=1.61 g/cm3，Dr=0.27～0.56，平均值 Dr=0.47，Psh=77 kPa，Pc=355 kPa，δzs=0.016、下段砂土 ρ=1.61 g/cm3，ρd=1.58 g/cm3，Dr=0.33～0.56，平均值 Dr=0.43，Psh=150 kPa，Pc=811 kPa，δzs=0.009。故而，砂土天然狀態屬中密。中密砂土遇水后，結構會發生變化，即顆粒重新排列，產生相應變形。上覆壓力作用的不同，高程1040 m以下部分的變形更小。

壓縮試驗顯示，上段砂土天然狀態下，壓力在200 kPa時，e=0.853，e-p曲線較平緩，如圖1，砂土具低壓縮性；浸水狀態下，當壓力在200 kPa時，e=0.763，e-p曲線在第一級壓力階段斜率較大，表明孔隙的可壓縮性高，在第二級壓力后趨于平緩，顯示低壓縮性特征。同一壓力下，天然狀態與浸水狀態孔隙比變化較大，天然與浸水兩狀態下其壓縮變形有一定差異。

中段砂土天然狀態下，壓力在200 kPa時，e=0.745，浸水狀態下e=0.716，兩e-p曲線均較平緩，如圖2，e-p曲線在第一級壓力下也顯示較大斜率，表明砂土具可壓縮性。第二級壓力之后，同一壓力天然狀態下與浸水狀態下孔隙比變化較小，其壓縮變形差異不大。

下段砂土天然狀態下，壓力在200 kPa時，e=0.794，浸水狀態下e=0.761，兩e-p曲線均較平緩，如圖3，砂土為低壓縮性。同一壓力天然狀態與浸水狀態下孔隙比變化小，其壓縮變形差異不明顯。

3.4 粉質壤土物理力學指標分析

第四系上更新統沖湖積(Q3ai+l) 粉質壤土在左壩肩各段均有分布，按分段分為⑧-1、⑧-1、⑧-3三層。其中，上段⑧-1層主要布于高程1050 m以上，與細砂層呈互層狀，相變較大，層厚0.3～1.5 m，最大厚度7.5 m。砂粒含量32.1%，粉粒含量62.4%，粘粒含量5.5%，塑性指數Ip≤10，為含砂低液限粉土。e=0.720，Es=16.76 kPa，a1-2=0.11，c=20 kPa，φ=25.9°；

中段⑧-2層粉質壤土主要布于高程1028.9m，層厚2.3m。砂粒含量6.9%，粉粒含量大于76.6%，粘粒含量16.5%，Ip=13.1，為含砂低液限粉土。e=0.671，Es=18.86 kPa，a1-2=0.090，c=27kPa，φ=25.8°；

下段⑧-3層粉質壤土分布高程1016.0 m，層厚1.2 m。⑧-3層砂粒含量約16.0%，粉粒含量65.6%，粘粒含量18.5%，Ip=15.3，為地液限黏土。e=0.651，Es=11.97 kPa，a1-2=0.17，c=58 kPa，φ=23.7°。

三層粉質壤土均屬低壓縮性土層，且為相對隔水地層，工程地質性能較好。

4 壩基砂土濕化、壓縮變形分析

4.1 壩基砂土濕化變形

砂土濕化變形是指砂土從天然狀態浸水后，即使沒有外荷載，松弛的顆粒結構重新排列，引起變形和應力改變，從而降低強度，在外荷載作用下會產生不均勻沉降或拉裂。壩基砂土存在濕化變形，對填筑體變形、穩定、開裂和滲透破壞都有較大影響。

4.2 壩基砂土壓縮變形

壩基砂土天然狀態下屬中密，含水量自上而下逐漸減小，與該段互層的砂質壤土有關。結合不同狀態及壓力下孔隙比變化曲線綜合分析，三個單元天然狀態和浸水狀態下壓縮變形具規律性。①上段砂土ρd=1.52 g/cm3～1.60 g/cm3，Dr=0.29～0.53，天然狀態下呈稍密～中密，兩種狀態均具有中高壓縮性。由天然狀態至飽水狀態過程具明顯的濕化變形和壓縮 變形。②中段砂土 ρd=1.46 g/cm3～1.62 g/cm3，Dr=0.36～0.56，天然狀態下為中密。浸水后壓縮變形量較小。③下段砂土 ρd=1.56 g/cm3～1.59 g/cm3，Dr=0.33～0.56，天然狀態下為中密。浸水后壓縮變形不明顯。④壩基自河床至高程1040 m，隨高程抬高，干密度和相對密度逐漸減小，壓縮性增大，具濕化變形量增加的特點。

通過上述分析，左壩段壩基砂土存在一定的濕化變形，進行處理后方可作為壩基利用。

5 結語

第四系上更新統沖湖積(Q3al+l)砂土在無定河以北廣泛出露，也是該地區最常見的巖土層，該土層作為建筑物地基，存在一定的濕化變形問題。本地區地震基本烈度為Ⅵ度，可不考慮液化。因此，針對建筑物特征，對地基土進行分析評價，采用適當的加密措施（如水墜法或加水碾壓）后，可進行充分利用，是非常經濟的。