解析法在黃土浸沒濕陷影響高程中的應用

楊金林，閆長斌，劉慶軍，吳國宏

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引 言

小浪底水利樞紐蓄水運營后，庫區水庫浸沒現象十分普遍，加之庫區黃土具有濕陷性，水庫浸沒后疊加黃土濕陷對建筑物基礎產生危害，造成臨庫房屋開裂，甚至倒塌，水庫黃土浸沒濕陷問題已直接威脅到當地群眾的生命財產安全，引起了國家的高度重視。因此，如何合理確定黃土浸沒濕陷影響臨界高程顯得尤其重要，直接關乎著小浪底庫區和周邊地區和諧穩定問題[1]。

目前，關于庫區浸沒問題研究成果較多[2- 6]，但多采用數值模擬分析方法或結合具體工程進行分析。水庫浸沒成因復雜，影響因素較多，尚缺乏系統和全面的理論研究，而對如何確定黃土浸沒濕陷影響臨界高程的研究更是鮮見各刊。為此，本文在系統分析和歸納庫區浸沒成因的基礎上，結合目前研究成果，以規范為基礎，將解析法應用于庫區黃土浸沒濕陷影響高程確定中，以小浪底水利樞紐垣曲段為背景，考慮實際工程中影響臨庫建筑物浸沒濕陷影響高程的因素，建立了黃土浸沒濕陷預測模型，并對受災點建筑物浸沒濕陷臨界高程進行了預測，取得了良好的效果。

1 工程概況

研究區位于垣曲盆地的南部，屬小浪底水利樞紐水庫庫區低山丘陵區。1999年水庫蓄水后，隨著水位的不斷升高，該區地質災害日益明顯。尤其是近2年，部分地區遭受強降雨連襲及庫水位的變化，引起的災害危及范圍逐漸擴大，影響人數日益增多，庫周地質災害問題已直接威脅到當地群眾的生命財產安全。因此，科學合理確定工程區浸沒濕陷影響臨界高程至關重要。針對庫區地形地質及黃土結構復雜，黃土浸沒濕陷高程界定難度大的問題，本文選擇影響水庫浸沒權重較高的基礎埋深、有效持力層影響深度、毛細水上升高度、地下水雍高、水庫正常高水位運行高程、濕陷量為5 cm時的濕陷性黃土厚度等6個主要影響因素，構建了適應于小浪底水利樞紐庫區浸沒濕陷影響臨界高程模型。

研究區涉及的村(點)主要包括古城鎮址、王茅南坡、晁家坡等幾處地災點，地貌整體上屬于高緩黃土岸坡，位于黃河支流沇河、亳清河Ⅱ級階地后緣及Ⅲ級階地的前緣，主要為第四系沖洪積層。幾處村子基本地質條件相近，基本位于同一地貌單元內，即亳清河Ⅱ級階地后緣。為便于研究分析，本文以古城鎮址為例進行研究。

2 研究方法

由于建筑物的類型、高度、重要程度不同，基礎埋深也有所不同。一般來說，地基土的臨界埋藏深度Her應不小于毛細水上升高度Hk與基礎(或地下室)砌置深度Z之和[7]，即Her>Hk+Z。對濕陷性黃土地區，地下水臨界埋深應在建筑物地基土有效持力層(不允許發生濕陷的地基土持力層)以下或有效持力層內基底壓力小于黃土的起始濕陷壓力。對于濕陷性黃土地區，6層(含6層)以下建筑物黃土的總濕陷量≤50 mm時，在設計無需特殊處理[8]。小浪底水利樞紐場址區濕陷性黃土厚度多在10 m以上。

建筑物的浸沒濕陷分析示意見圖1。圖中，h1為基礎埋深；h2為基底壓縮變形計算深度，中、低壓縮性土可取附加壓力σz等于上覆土層有效自重壓力Pcz的20%的深度，高壓縮性土層可取附加壓力等于上覆土層有效自重壓力Pcz的10%的深度；h3為毛細水上升高度；h4為水庫運行正常高水位工程所在區回水位高程；h5為地下水位雍高值；h6為總濕陷量為5 cm時的濕陷性黃土厚度。

圖1 建筑物浸沒濕陷影響臨界高程確定示意

通過圖1可以確定研究區建筑物浸沒濕陷影響臨界高程Her計算公式，即

Her=h1+h2+h3+h4+h5+h6

(1)

3 模型參數確定

3.1 基礎埋深h1

根據調查，受災點除古城部分房屋外，均為獨院2層樓房，磚砌結構，基礎埋深h1一般為0.8～1.0 m。為了安全起見，取h1=1.0 m。

3.2 基礎壓縮層h2

根據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》及勘探成果，調查區古城鎮址第四系上更新統沖洪積粉質壤土為中壓縮性土(壓縮模量Es1～2=5.62 MPa)，取附加應力σz等于上覆土層有效自重壓力Pcz的20%的厚度為壓縮層厚度(σz=0.2Pcz)

(1)基底壓力的確定。根據現場調查，古城鎮建筑物多數為獨院2層樓房，為6層樓房，基礎均為條形基礎，基礎寬度B一般為0.8～1.0 m，本文選擇B=1.0 m。調查區房屋為磚砌結構，24墻雙面抹灰，尺寸為10.2 m×16.5 m，單層樓高按照3.6 m計算。因為基礎長度L>5B，滿足條形基礎計算原則，按均布荷載條形基礎計算。房屋的自重主要包括墻體自重P1、樓面荷載P2、屋面荷載P3。參考GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》計算2層條形基礎等效荷載為95.3 kN/m，6層為272.6 kN/m。

(2)h2的確定。調查區地層巖性為第四系粉質壤土，根據室內物理試驗，選取粉質壤土物理力學指標平均值為本次的計算數據：天然密度ρ=1.8 g/cm3、含水量w=21.5%、孔隙比e=0.857、土體相對密度Gs=2.72。位于地下水位以上時，計算得土體的容重γ=18 kN/m3；位于地下水位以下時，計算得土體浮容重γ′=9.3 kN/m3。為便于計算，取浮容重γ′=10 kN/m3。由于調查區全新統上更新統沖洪積粉質壤土具有濕陷性，本次計算均采用地下水位以上土體有效容重γ=18 kN/m3。計算結果見表1，2。從表1、2可知，對于條形基礎等效均布荷載為95.3 kN/m的2層建筑物，壓縮變形深度h2=3.8 m；對于條形基礎等效均布荷載為272.6 kN/m的6層建筑物，壓縮變形深度h2=6.5 m。

表1 2層樓房黃土濕陷臨界深度h2計算

表2 6層樓房黃土濕陷臨界深度h2計算

3.3 毛細水上升高度h3

(1)現場測量成果。工程勘測期間，近30 d庫水位高程基本無變化。為了獲得庫周粉質壤土毛細水上升高度，現場對臨庫岸坡毛細水上升高度進行了測量。現場毛細水高度測量見圖2。測量成果見表3。從表3可知，毛細水上升高度最大值為1.68 m。

表3 毛細水上升高度h3現場測量成果 m

圖2 毛細水上升高度現場測量

(2)室內試驗。在各災害點附近取粉質壤土土樣進行毛細水上升高度的室內試驗。試驗結果見表4。從表4可知，室內試驗毛細水上升最大高度為1.59 m。

表4 庫區土樣毛細管水上升高度試驗成果 cm

綜上，區內毛細水上升高度試驗值最大為1.68 m。但考慮到試驗時間短、水質不同等因素，并參考有關規范及其他地區工程經驗，在判定浸沒范圍時，毛細水上升高度采用1.8 m。

3.4 回水位高程h4

小浪底水利樞紐水庫正常運行(275 m水位)時，不同距壩里程回水端水位有所抬高，即翹尾巴。根據資料，調查區在正常庫水位運行時，研究區庫水位高程為276 m。

3.5 地下水位雍高h5

浸沒問題的判定，需首先對地下水位進行計算。計算某一地點的地下水壅高水位涉及的因素眾多，計算相當繁雜。對于無滲入時均質巖層、隔水層底板水平、平緩開闊河谷、含水層均一情形，地下水位壅高計算剖面示意見圖3[9]。圖3中，y為地下水雍高后各斷面處的含水層厚度；h1、h2為蓄水前各斷面處地下水含水層厚度；H為水庫正常高水位至隔水底板頂面的距離；L為原河水位邊緣斷面的水平距離；L′為水庫水位邊緣至剖面的水平距離。采用下式計算含水層厚度

(2)

圖3 地下水位壅高計算剖面示意

古城鎮址民井水位調查情況見表5。選擇具有代表性的民井進行地下水位雍高值計算，水井水位測量期間水庫庫水位高程為264 m，基巖頂面埋藏高程為230 m，計算結果見表6。從表6可知，地下水位雍高最大值為1.01 m，最小值為0.22 m，平均值為0.62 m。

表5 古城鎮址水井水位調查 m

表6 地下水位雍高計算結果

3.6 濕陷量為5 cm時濕陷性黃土厚度h6

勘察期間，在地災點各取6組黃土狀粉質壤土與黃土狀粉質粘土方塊樣進行了黃土濕陷性試驗，取樣深度0.9～6.0 m。根據試驗結果，濕陷系數δs范圍為0.015～0.128，平均值大于0.015，為濕陷性黃土。自重濕陷系數δzs為0.007～0.028，自重濕陷起始壓力為35～112 kPa。根據室內試驗，研究區主要地災點總濕陷量為5 cm時濕陷性黃土厚度見表7。

表7 濕陷量為5 cm時濕陷性黃土厚度

4 實例計算

根據表4、5，對于條形基礎等效等布荷載為95.3 kN/m的2層建筑物，h2=3.8 m；對于條形基礎等效均布荷載為272.6 kN/m的6層建筑物，h2=6.5 m。根據式(1)計算結果，小浪底水利樞紐正常高水位275 m運行后，預測古城鎮址2層建筑物浸沒濕陷影響臨界高程約為281.65～282.57 m；6層建筑物浸沒濕陷影響臨界高程約為284.27～285.17 m。

峪子等村與古城鎮于同一地貌單元內，基本地質條件與水位相同。調查區峪子村、王茅南坡、晁家坡、寧蕫村、下馬村均為獨院2層建筑。根據建立的建筑物浸沒濕陷臨界高程影響模型，預測受災點建筑物浸沒濕陷影響高程，結果見表8。

表8 臨庫建筑物浸沒影響高程 m

5 結 語

黃土濕陷地區建筑物受水庫浸沒濕陷影響臨界高程的預測受多種因素的影響，是一個復雜的問題。本文結合現場實際，選取影響建筑物浸沒濕陷高程的主要影響因素建筑物基礎埋深h1、變形計算深度h2、毛細水上升高度h3、地下水雍高h4、水庫正常高水位運行高程h5、總濕陷量為5 cm時的濕陷性黃土厚度h6等6個因子，對建筑物浸沒、濕陷高程預測進行了嘗試。從目前預測結果分析，預測結果較為合理，可為類似庫區預測建筑物黃土浸沒濕陷影響高程提供參考。