深厚濕陷性黃土地基注入式水庫設計探討

程彥文

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅蘭州730000)

1 工程概況

蘭州新區趙家鋪水庫工程位于蘭州新區緯一路以南，南繞城快速路以北，經二十四路以東。工程區西距中川機場約7 km，南距蘭州市區約65 km，東南距皋蘭縣城約25 km。根據蘭州新區總體規劃，該區域為蘭州新區區域中心服務組團發展區，工程所在地大部分區域已經完成土地平整，交通條件便利。本工程建設的主要任務是通過工程的建設實施，以達到收集利用蘭州新區中通道雨水一期工程服務范圍輸送的雨水，并承接部分中水資源，為新區中、東部1.79萬畝荒山綠化灌溉提供水源，提高蘭州新區非常規水資源的利用效率和效益。

本工程為Ⅳ等小(一)型工程，主要由引水工程(包括引水閘、引水暗渠等)和水庫工程(包括圍壩、水庫進水口、供水和放空管等)兩部分組成，水庫總庫容為115萬m3，調節庫容為105萬m3，采用全庫盆鋪設復合土工膜防滲。

2 濕陷性黃土地質條件及處理措施

2.1 地質條件

本工程地處蘭州新區秦王川盆地東南側的黃土低中山丘陵區，出露的地層屬第四系不同成因的松散堆(沉)積物，主要為馬蘭黃土及洪積黃土狀土。工程區大地構造上位于祁連褶皺系中祁連隆起帶的東段，構造單元屬永登～河口新生代凹陷帶東側的次級構造單元—中川隱伏基底隆起帶。由于蘭州新區城市建設的不斷推進，庫址區目前基本已完成土地平整，場地較平坦開闊，地面高程為1920 m～1935 m。庫址區內未發現區域性斷裂通過，地下水埋深大于40 m，對本工程無影響。工程區內物理地質現象不發育，未見滑坡、泥石流、崩塌等不良地質現象。場地表層為人工堆積素填土，結構松散～稍密，厚度0.5 m～25 m不等；下部在原溝道部位為plQ41黃土狀土，稍濕，土質均一，結構稍密～中密，厚10 m～15 m。在原山體地帶為plQ31洪積黃土狀土，結構中密，厚度大于15 m，局部還殘留有eolQ32馬蘭黃土，結構稍密～中密，厚度3 m～10 m；底部為plQ31洪積砂礫碎石，青灰色，級配不良，泥質含量高，局部夾有中細砂及粉質粘土透鏡體，結構密實，厚度3 m～5 m。下伏新近系中新統含礫砂巖夾粉砂質泥巖。

構成水庫地基的土層主要為人工堆積(Q4S)素填土和洪積(plQ31)黃土狀土。根據室內物理力學性質試驗，其成果如下：

(1)素填土(Q4S)：砂粒含量1.3%～8.5%，粉粒含量70.9%～81.4%，粘粒含量13.6%～23.5%，孔隙率46.3%～56.6%，孔隙比0.86～1.30，干密度1.18 g/cm3～1.46 g/cm3，含水量5.6%～10.7%，稍濕，結構稍密～中密。液限24.2%～27.5%，液性指數-0.31～-0.86，塑限13.3%～16.4%，塑性指數10.2～11.9，屬低液限重粉質黏土。飽和抗剪強度內摩擦角11.4°～13.6°，凝聚力10.5 kPa～15.3 kPa，原狀抗剪強度內摩擦角21.1°～28.3°，凝聚力34 kPa～52.3 kPa，滲透系數(1.02～1.37)×10-5cm/s，壓縮系數0.308 MPa-1～1.642 MPa-1，濕陷系數0.015～0.066，自重濕陷系數0.002～0.089，土層具中～高壓縮性，自重輕微～中等濕陷性。

(2)黃土狀土(plQ31)：砂粒含量1.3%～15%，粉粒含量68%～85.4%，粘粒含量7.9%～30.4%，孔隙率45.7%～51.3%，孔隙比0.84～1.05，干密度1.32 g/cm3～1.48 g/cm3，含水量5.2%～108%，稍濕，結構稍密～中密。液限24.7%～28.3%，液性指數-1.15～-0.10，塑限13.5%～16.4%，塑性指數9.1～12.9，屬低液限重粉質黏土。飽和快剪強度內摩擦角11.3°～13.4°，凝聚力3.5 kPa～17.7 kPa，原狀快剪強度內摩擦角21.6°～24.8°，凝聚力29.4 kPa～74.6 kPa，滲透系數(0.812～1.02)×10-5cm/s，壓縮系數0.12 MPa-1～0.40 MPa-1，濕陷系數0.003～0.060，自重濕陷系數0.005～0.064，土層具中等壓縮性，自重輕微～中等濕陷性。

本工程水庫地基土層均具有濕陷性，且為自重濕陷性場地，存在的主要工程地質問題是濕陷變形及不均勻沉降。濕陷性土層厚度在原溝道部位由于填土厚度較大，加之原溝道濕陷性土層，其濕陷性土層厚度達30 m～35 m；在原山體部位由于土地平整對山體進行挖除，其濕陷性土層厚度相應減小，在10 m～30 m之間，由西南向北東濕陷性土層由厚變薄。根據《濕陷性黃土地區建筑標準》，原溝道部位場地地基濕陷等級為Ⅳ級，原山體部位場地地基濕陷等級為Ⅱ級～Ⅳ級。水庫各部位的濕陷量計算及濕陷類別、地基濕陷等級劃分見表1。

表1 濕陷性分析評價表

2.2 地基處理措施

本工程地基需處理濕陷性土層厚度較大，常規處理方法中除預浸水法外，均無法全部去除土層深處的濕陷性，但受庫址區附近建筑物的限制以及需較長浸水期，無法采用預浸水法。因此，在水庫設計時采用僅消除地基部分濕陷性的措施。

根據《濕陷性黃土地區建筑標準》，建筑類別按乙類考慮，消除地基部分濕陷量的最小處理深度不應小于濕陷性土層的2/3，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量，不應大于150 mm[1]。在滿足處理深度和剩余濕陷量要求時，原溝道部位地基處理深度需至地面下26 m～31 m，剩余濕陷量為126 mm～142.5 mm；原山體部位地基處理深度需至地面以下5 m～26 m，其剩余濕陷量約為126 mm。

根據甘肅省地方標準《大厚度濕陷性黃土場地工程處理技術規程》，乙類建筑基礎下地基處理厚度不小于15 m，地基處理后的剩余濕陷量計算值為364.2 mm～366.3 mm，當剩余濕陷量大于《濕陷性黃土地區建筑標準》6.1.4條和6.1.5條規定的剩余濕陷量的2倍時，應通過專門論證采取措施[2]。

在經過多方考慮各項因素，并反復研究后決定采用水泥土墊層、原土翻夯和強夯相結合的綜合處理措施，即在開挖建基面上首先采用高能級的強夯，處理深度需達到10 m以上，然后設2.5 m厚的原土翻夯層，其上再設0.5 m厚的10%水泥土墊層。通過計算庫盆及壩基從地面向下開挖的深度，再疊加地基處理的深度，基本可滿足上述規范要求的低限值。同時在建筑物設計時也采取了盡量減小壩高和蓄水深度以減少上部荷載、采用全庫盆土工膜防滲以減少滲漏的結構措施，用以配合相應的地基處理。

3 注入式水庫設計方案

3.1 水庫平面布置

本工程庫址區四周鄰近蘭州新區規劃道路，水庫圍壩壩頂高程不宜超過鄰近道路路面高程過多，同時結合庫址區中部地形凹陷形狀，為使工程挖填方量盡可能平衡，采用半挖半填方式形成庫盆，平面上采用呈圓角不規則多邊形的圍壩方案。

水庫長(東西向)約550 m，水庫寬(南北向)約520 m。水庫占地面積約430畝。水庫總庫容為115萬m3，調節庫容為105萬m3，死庫容為10萬m3。水庫圍壩的壩高為8.8 m，壩頂寬度為6 m，壩頂高程為1925.5 m，水庫正常蓄水位為1923.5 m，死水位為1918 m，庫底高程為1917.5 m，水庫最大水深為6 m。

水庫西北側壩段設置水庫進水口，引水暗渠穿壩體后設消力池進入水庫。消力池前段為擴散段，池底坡度為1∶3，長度為10 m，后接池身段，底板高程1915.50 m。消力池長16 m，池寬12 m，池深2.6 m，底板厚度65 cm，采用C25現澆混凝土結構。水庫南側壩段設供水放空管，管道采用壩下埋管的形式，管道內徑為1 m，進口設混凝土圓形進水池，進水池內徑4 m，池底高程1915.20 m，池頂高程1918.00 m。供水放空管采用鋼管，管道進口中心線高程1915.90 m，管道穿壩段設50 cm厚外包混凝土，管道穿壩后設岔管，岔管前后均設置檢修控制閥室，一支接入后續配套供水工程，另一支用于水庫放空，放空管末端伸入新區中通道雨水二期工程暗渠，放空管總長1 km。水庫西側壩段設6 m寬入庫檢修道路。

3.2 水庫防滲結構和圍壩斷面

本工程采用全庫盆土工膜防滲設計，庫底自50 cm厚的10%水泥土墊層上鋪設兩布一膜復合土工膜，土工膜上層設5 cm厚的M10砂漿墊層和25 cm厚的現澆C25混凝土板，大壩上游面防滲結構自50 cm厚的10%水泥土墊層以上分別為兩布一膜復合土工膜、5 cm厚的M10砂漿墊層和15 cm厚的現澆C25混凝土板護坡。

水庫圍壩為土壩，壩頂寬度為6 m，壩頂路面采用采用15 cm厚的現澆C20混凝土路面。上游壩坡坡比為1∶2.75，采用C25現澆混凝土板護坡，水平向每隔4 m，垂直水平向每隔6 m設伸縮縫，縫內填聚氯乙烯膠泥和閉孔泡沫板。大壩下游壩坡坡比1∶1.8，采用生態格賓植草護坡。

本工程壩體填筑料的設計在綜合考慮施工方法、工程造價等情況后，采用開挖土料，碾壓填筑料壓實度控制指標為壓實度不小于96%，采用分段碾壓，接茬搭接處為臺階狀或階梯狀，分層碾壓交錯楔接[3]。

4 結語

在趙家鋪水庫的設計工作中，充分考慮地形地質、施工條件、工期、投資等因素，在深厚濕陷性黃土地基的處理上采取水泥土墊層、原土翻夯和強夯相結合的綜合處理措施；在水庫的設計上采取半挖半填方式和復合土工膜全庫盆防滲結構。通過以上各項措施的實施，可有效提高本工程水庫的安全保障度。