寧夏某人工景觀湖滲透變形淺析及加固處理

王 磊，林經寧

(寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏銀川750021)

1 工程概況

本項目人工景觀湖場地位于寧夏某市工業園區緯一路南側，主要利用緯一路北側巴泉溝溝谷溝道攔蓄洪水，是一座以灌溉為主，兼有防洪、減災、消防等綜合效益利用為一體的人工景觀湖。其前端1#、2#支溝總匯水面積9.0km2，主河道平均坡降130.1‰。該項目于2014年3月動工興建，2014年6月竣工投入運行，設計洪水標準為30年一遇洪水進行防洪校核，設計占地面積8.20hm2，庫容72×104m3，有效蓄水量38×104m3，有效水深6.0m。四周湖岸坡（池壁）采用1∶3的坡率放坡，整個湖底及岸坡做防滲處理，防滲采用一布（600g/mm2長纖維無紡布）一膜（1.5mm厚HDPE防滲膜）的結構。其中：湖底底部（防滲膜下部）增加300mm厚3∶7灰土墊層，其最上層鋪設大小為1m×1m預制混凝土板；湖岸坡最上層采用六角形預制混凝土板及格賓對整個岸坡進行保護。

該景觀湖北側沿緯一路與1#、2#支溝交匯處預留2處洪水溢流涵洞（管），管徑均為D2000，管底埋深分別為東側（2#支溝）路面以下4.3m，西側（1#支溝）路面以下4.1m，出口設為八字排放口，以起到消能的作用。東側垂直慈善大道埋設溢流涵洞（管），管徑D2000，管底標高為路面以下6.2m，出水經2級跌水后，接入慈善大道預留過水涵洞。

2 主要病險情況

該人工景觀湖工程自2014年7月正式投入運行（人工向湖內注水）至2015年3月長達9個月的時間里蓄水量達30×104m3，此間未發現滲漏現象。2015年4月3日一場短時強降雨導致緯一路北側2#支溝內積水約3萬余方。隨后發現積水快速消退，并在緯一路路面形成一個長約65m、寬15m的塌陷帶，下沉量約10～50cm，7月份湖東北角岸坡也出現下陷，而慈善大道東側預留涵管外側亦有水流滲出，其路面出現一長約40m、寬24m的塌陷帶，下沉量約10～15cm。

險情發生后，管理單位立即采取停止給該湖注水，并將原有湖水排空等應急措施。湖水排空后，經現場調查，湖底東北角局部及東南側均發生不同程度的下沉，一般下沉量在5～20cm，影響面積約2.27hm2。為進一步摸清事故原因，現場勘察技術人員在下沉區域通過挖掘機大開挖方式對湖底部進行直觀勘驗，發現局部預制混凝土板（尚未破壞）有空鼓下沉現象，但防滲膜完好無損，3∶7灰土層碾壓密實，干燥，其下部位黃土層含水率較大，出現軟化現象。慈善路下方放水設施存在沿管涵側壁滲漏現象。

3 工程區地質特征

為進一步查明蓄水運行后場地地質條件的變化情況及湖底和道路塌陷變形的原因，為下一步除險加固設計提供地質資料與建議，甲方委托勘察單位對該湖底和道路塌陷變形區進行了補充勘察。

3.1 地形地貌

項目區屬于山前沖洪積低山丘陵區，總的地勢西北高東南低，相對高差約18.5m，沖溝較為開闊，河床縱比降較小，河谷無深切現象。

3.2 工程地質條件

根據本次現場鉆探[1]、原位測試及室內土工試驗結果，結合本地區已有地質資料，對勘探深度范圍內的巖土層按時代、成因及土性特征劃分為：

①第四系全新統(Qml4)素填土：灰、褐灰、灰黃等色。以粉土為主，夾粉質粘土，局部見泥巖碎屑或礫石，緯一路路堤內無規律分布有礫石層。干燥，局部很濕，稍密，為道路修建時回填。該層主分布于溝谷底部、湖底部及緯一路和慈善大道路堤內，層厚1.6～15.0m，緯一路與原2#支溝交叉處攔洪壩體回填較厚。

②第四系更新統(Q4al+eol)黃土狀粉土：黃褐—土黃色,稍濕—很濕,土質不均勻含礫砂、細砂，具有I級(輕微)非自重濕陷。場地均有分布。

③第四系更新統(Q4al+pl)礫砂：灰褐色及雜色。濕—飽和，稍密，以中細砂為主，含較多礫石，夾碎石，顆粒分選性差。礫石粒徑一般5～20mm，最大粒徑40mm，磨圓度差，含量30%～50%，主要礦物成分以長石為主，含少量云母等暗色礦物，在湖底部分區域分布。

④古近系(E)泥巖：泥質結構，中—厚層構造。巖芯破碎，多呈短柱狀。風化裂隙不發育，根據區域地質資料，該地層區域分布穩定，是良好的隔水層。

3.3 水文地質條件

根據現場調查和鉆探、坑探揭露，工程區在勘探深度范圍內有一層地下水，水位埋深為2.31～12.70m，相應高程為1321.59～1332.15m（查看原巖土工程勘察報告資料該場地無地下水分布），為孔隙潛水，賦存于第①人工填土及第②層黃土狀粉土地層中。勘察期間，發現慈善路下方放水設施存在沿管涵側壁滲漏現象，該處水質目觀渾濁，并在水流較平緩處的溝底沉積了一層黃色土體顆粒。

由于工程區屬緩坡丘嶺地區，地面坡度較大，因此大氣降水主要形成地面坡流匯入北部2#支溝內形成季節性地表水系，后期修建景觀湖改變地表徑流又加上上游壩體（路基）填筑土質不均且具中等透水性，大氣降水很容易從地表滲入地下。因此，工程區的地下水為地表水體垂直入滲補給，并經地下徑流向下游排泄，而本次勘察期間地下水為入滲補給尚未向下游排泄完畢而形成。

4 塌陷原因分析

4.1 滲漏變形

根據現場調查及地質資料研究分析，認為景觀

湖滲漏的主要原因：首先，緯一路與2#支溝交匯處預留洪水溢流涵洞（管）設計標高過高，沒有起到及時將溝內匯集的洪水排入景觀湖的作用；其次，緯一路填土路堤及2#支溝溝谷淺表層分布的素填土，層間分散性分布有砂礫石，呈稍密狀態，具中等透水性；湖底土層為黃土狀粉土為主，土層存在不均勻性，其充填物主要為透水性較好的中砂、細砂層，土中大于5mm的礫石含量高，粘粒含量相對較低，且局部地段分布有礫砂層，土顆粒的孔隙較大，滲透系數較大，為湖底滲透變形形成良好的通道。因此，在強降雨未到來之前，由于整個景觀湖全部（湖底及岸坡）做防滲處理，故長達9個月的時間里人工注水蓄水量達30×104m3，并無滲漏現象；而強降雨到來后，洪水沿2#支溝溝谷淺表層土體垂直入滲側向補給，并穿越緯一路路堤向下游排泄，進入砂礫石層對與其接觸的黃土層產生接觸沖刷，并攜帶細粒逸出，造成湖底東北角和東南側均發生滲透變形。據現場調查，下游排泄口水體渾濁，也證明了湖底土層存在一定程度的管涌滲透破壞，同時這也是引發湖底下沉變形的原因之一（見圖1）。

4.2 濕陷變形

該景觀湖湖底修建在沖溝內，場地由挖山填溝造地經人工平整而成，受原始地形控制，已建外圍路面設計標高高于設計湖底標高約13～18m，且壩體（路基）下部未做任何隔水和進行濕陷性土層地基處理，導致北側2#支溝內匯集的大量洪水直接沿壩體及湖壁透水層滲透，逐漸侵入湖底，導致湖壁及湖底地基土遇水軟化濕陷、強度下降，出現沉陷變形(查看原巖土工程勘察報告資料該場地原為Ⅱ級非自重濕陷性場地，補充勘察為Ⅰ級非自重濕陷性場地）。

綜上所述，該人工湖2014年6月蓄水初期，湖內按設計要求采用復合土工布+3∶7灰土墊層處理，施工質量可靠，隔水效果良好；但2015年4月3日，由于受到強降雨影響，在緯一路北側2#支溝內積蓄了大量洪水，壩體中分布的透水性較強的砂礫層和湖底部未處理的濕陷性土層，造成了地表水體透過壩體并沿著湖壁（底）入滲，引發了滲透變形和濕陷性黃土遇水軟化沉陷，并且這2種因素綜合作用從而造成此次事故。

5 加固措施建議

針對景觀湖存在的主要問題，本次壩體和湖底加固處理應以防治土體滲透變形為主[2-3]。

圖1 緯一路路基（壩體）及湖底塌陷處斷面示意圖（單位：m）

（1）在緯一路與2#支溝道交叉處路堤（壩體）處建議做粘土水平及斜墻防滲鋪蓋，上沿高度不應低于涵管（洞）頂面標高。填筑鋪蓋施工前必須清基，并對原始坡面土層進行夯實處理，然后用粘土分層填筑壓實，經壓實后粘土鋪蓋滲透系數不應大于10-5cm/s。鋪蓋的合理長度應根據允許滲漏量及滲透穩定性等條件確定，并在坡面砌置片石或混凝土護坡。

在景觀湖東南側（慈善大道）排水涵洞處設置反濾體，以防湖底部水體沿湖底滲流將土層中細顆粒帶出（即管涌的發生），造成湖底的下沉變形。

（2）對景觀湖湖底沉陷處的防護層進行清除，清除至穩定層位（泥巖），然后復用該料摻和砂石及石灰，拌合3∶7灰土在接近最優含水量條件下重新進行分層碾壓，控制壓實度（λc≥0.95）。然后在其上采用覆設防滲膜方式進行防滲處理。

（3）在慈善大道東側溝道、湖下游背水坡（路堤邊坡）坡度較陡，雖然邊坡穩定，無變形、滑塌現象，但存在一定安全隱患。建議對該段加寬培厚，以放緩下游坡度，并在此坡腳處增設排水反濾體。

（4）由于湖底土層已經受到浸泡，強度較低，在湖底施工過程中基坑開挖深度較大時，應采取必要的坑壁支護措施，開挖深度有積水時，還應采取必要的降、排水措施。在降、排水過程中應嚴格控制出砂（泥）量，以防止出現其它不良工程地質問題。

該工程已按上述方案加固處理，施工順利，經一年半的運行效果良好，周邊道路也未再出現塌陷變形現象。

6 事故反思

從上述分析中可知，本項目區地形地貌、工程地質和水文地質條件并不復雜，前期勘察也基本查明了不良地質作用，但設計過程中僅從人工景觀湖蓄水角度考慮，即：對整個湖底及岸坡做“一布一膜”的防滲處理和設置洪水溢流涵洞，卻忽略了攔洪壩體的填筑質量、壩基及湖底濕陷性土層的處理，給后期攔洪壩的滲流和穩定性帶來很大隱患。這其中可能有多種因素影響，特別是建設單位資金不足、需要減少投資的情況下，但是從本工程事故可以充分證明，嚴格按照相關規范、規程進行設計是避免類似工程事故的前提和保證。