淺析地質環境軟結構變化對建設期水利工程影響

王樹奎　張建全　邢海鵬

摘要：水利工程建設期周期較長，在建設過程中不可避免地會存在冬季施工和汛期行洪情況。構（建）筑物施工過程中冬季凍脹，汛期工程水毀問題較為普遍，不利影響主要表現為漸進性的地質環境變化。凍脹破壞主要與含水量、地層巖性、氣溫和受力條件等因素密切相關，改善其中一個因素，便可起到防治凍脹的效果。汛期集中降水，改變了初始滲流場，水在土體內的孔隙中運動產生滲透力，改變土體的力學性質，地下潛流的水力坡度，對地質結構、構造薄弱環節施加附加應力，隨水流易產生流土或管涌運移，導致構（建）筑物基土變形破壞。建設過程中偶遇的外部環境改變，導致的場區地質環境軟結構變化，對水利工程施工帶來很大困擾。本文針對建設過程中遇到的問題進行簡要分析與說明，希望對相似工程起到一定的幫助和借鑒。

關鍵詞：地質環境??軟結構??建設期 ?水利工程

水利工程建設對社會發展發揮著積極作用，產生了巨大的經濟效益、社會效益和生態環境效益，除害興利是水利水電工程的本質。但同時在一定程度上影響、改變了地質環境。在工程建設期，工程處于未完工狀態，效益未能發揮，地質環境已發生改變，不同工況環境下，易對工程本身和周邊環境造成不同程度影響。下文以豫東灌區工程建設為例，分析建設期遭遇極端天氣情況下，地質環境變化對工程的影響。

1?地質背景

1.1 地形地貌

灌區絕大部分地區屬黃淮沖積平原，少部分屬黃河漫灘。西北高東南低，大部地形平坦，局部地段受河流切割影響，微地形起伏較大，具有明顯的坡、平、洼。西北高程約80～85m，東南部地面高程約40m，地面坡降為1/3000～1/8000^[1]。

1.2 地層巖性

灌區內第四系松散沉積物厚度分布不均，沉積厚度100～500m。第四系由沖積、洪沖積及冰水沉積形成，其巖性主要由粉質壤土、粉質粘土及粘土夾數層砂層（粉細砂、中細砂或中粗砂），具有“上細下粗”或“粗細互層”，上疏松、松散，下致密、密實的沉積特點。第四系全新統地層由粉質壤土和粉細砂組成，粉質壤土一般多屬中等至高壓縮性、軟至中硬土，土體強度較低;砂壤土和粉細砂結構松散至稍密，抗沖刷能力差。

1.3 地質構造

場區位于華北準地臺（Ⅰ）之黃淮海坳陷區（Ⅰ2）中南部，區域新構造分區屬豫皖隆起坳陷區。本區主體構造線方向為近東西向或北西向。第四紀，本區西部逐漸結束了盆地沉陷階段，開始返回上升，晚更新世末期以來，本區基本上處于抬升狀態，東部則繼續沉降，反映在地貌形態和沉積物厚度上都有明顯的差異性，其沉積物的變化規律是隆起區薄，坳陷區厚。對通許—太康隆起而言又呈西部較薄而東部較厚的特征，地貌表現為西部呈堆積—侵蝕的條形崗地，東部則為地形平坦以堆積作用為主的平原。

1.4 水文地質條件

本區屬半干旱、半濕潤的大陸性季風氣候區，四季分明，冬季干燥寒冷，夏季潮濕，雨量集中。多年平均降水量672mm，7～9月約占全年降水量的55%;在空間分布有自西北向東南降水量逐漸增多的特點，場區內主要河流對灌區水文地質有明顯影響。

淺層地下水主要類型為第四系松散層孔隙潛水，局部具微承壓性。第四系全新統或上更新統的粉細砂、中細砂是構成淺層地下水的主要含水層，含水層厚度分布不均，由北部的30.0m厚向東南逐漸變薄為10.0m左右。淺層地下水自西北向東南方向流動，地下水流向總體與地形傾向一致。中、重粉質壤土一般具微至弱透水性，輕粉質壤土具中等透水性，砂壤土和粉細砂具中等至強透水性^[2]。

場區內輕粉質壤土、輕壤土毛細上升高度為2.82m，砂壤土1.85m，中、重粉質壤土為1.80m，大氣降水在砂性土與粘性土接觸面易形成上層滯水，場區標準凍土深度一般不大于0.5m。

1.5 工程地質問題

場區地層巖性主要由第四系全新統粉質粘土、粉質壤土及粉細砂組成。地質結構主要為砂性土、粘性土均一結構，粘砂雙層及粘砂多層結構。上部地層多為黃河近期沖積形成，均為新近沉積層，地層較軟弱，整體強度較低;少粘性土和粉細砂，具中等至強透水性，抗沖刷、抗滲透能力差。

場區西北部區域地震動峰值加速度為0.10～0.15g，相當于地震基本烈度Ⅶ度，第四系全新統少粘性土及砂層多呈松散～稍密狀，地下水埋深較淺，存在地震液化問題。

地下水一般低于渠底板，工程運行時，存在滲漏及滲透變形穩定問題。地層巖性主要為少粘性土，抗沖刷能力差，在側向水壓力作用下，易造成邊坡失穩，存在沖刷和邊坡穩定問題。

近年來地下水埋深存在較大的波動，地下水位具動態變化特征，年變幅一般為3～5m，且受引黃渠水及大氣降水影響，易造成沿渠附近地下水較淺，多存在施工降排水問題^[3-6]。

2 地質環境變化對工程的影響

2.1 地溫場地質環境條件的變化

土體的含水量是引起凍脹的主要因素，土體中的含水量不大時，土中水結成冰，只是降低土體孔隙率;當含水量超過一定的界限時，產生土體膨脹，土凍結體積增大才能引起建基面基土隆起及凍脹力，這個含水量定義為起始凍脹含水量。在開放系統中，土體的凍脹性不僅與起始凍脹含水量有關，也與外界補給水源關系密切。場區實測地下水位埋深一般為6.0～8.0m，部分地下水位埋深8.0～10.0m，局部大于12m。渠系工程多以半挖半填、全挖方為主，地下水一般位于渠底以下2.0m，地下水位距離凍結峰面大于臨界深度，地下水對凍結層無顯著影響，但建設期養護水和防塵治理水對基土的含水率影響較大。

渠線工程各部位受到日照及遮陰程度隨工程走向和斷面型式的不同存在有很大差異，且土體的凍結深度與日照條件和遮陰程度密切相關。灌區地形西北高東南低，地下水流向總體與地形傾向一致，灌區渠道多以南北和近東西布置為主。渠道由于走向、坡度不同，各斷面上受的日照、風速等不盡相同。東西走同的渠道，其陽坡所受日照的時間比陰坡長、強度比陰坡大，且地溫高于陰坡。渠道在風的作用下，其渠坡中、下部溫度要高于渠頂溫度，但渠頂比坡中、下部受到日照時間長，在風的作用下，蒸發較強，致使含水量小，所以凍脹量不大或無凍脹。受外部環境原因影響（大氣降水、養護灑水和防塵治理）渠道中、下部和渠底含水量大，凍脹量隨凍深的加大而增加，凍害較嚴重。

場區地層巖性主要由第四系全新統粉質粘土、粉質壤土及粉細砂組成。在自然條件下，凍脹性的分類，粒徑小于0.075mm的含量不大于10%的粗粒土為非凍脹性土;細粒土及粒徑小于0.075mm的含量大于10%的粗粒土為凍脹性土。同等條件下，不同巖性的凍脹量以粉質粘土、壤土、砂壤土、粘土、砂土逐次減少。邊坡地質結構主要為砂性土、粘性土均一結構、粘砂多層及粘砂多層結構。不同巖性土層凍脹程度的差異，易引起不均勻凍脹，在凍結期土層表面形成凍土的負壓區，使得水分遷移到凍結鋒面形成冰夾層，使土體體積增大并膨脹。基土表層膨脹變形受到限制，就會產生較大的凍脹力，凍脹力方向與冰晶增長方向基本一致，垂直于凍結鋒面且凍脹變形方向垂直于渠坡。

2.2 滲流場地質環境條件變化

根據杜布依方程式h2 1-h2 2=2kqL;式中q為滲流單寬流量;k為土層滲透系數;h1，h2為浸潤面在兩個截面處與不透水底板的高差;L為兩個截面間的距離。可知兩平行斷面之間等勢線分布為近垂直地面勻勻分布，無壓滲流浸潤線為拋物線形式。基于杜布依方程，岸坡滲流臨界坡降小于岸坡滲流出逸坡降，有地下水滲流出逸時滲流是不穩定的。根據渠道坡面上的滲流坡降的實際分布，可判斷出坡面是否發生滲流破壞。

自然大氣降水可造成地下水位上升或形成上層滯水，影響初始滲流場，在重力作用下，向零勢面運動，形成地下滲流。在滲流過程中，水自下而上流動，則動水壓力與重力方向相反，減小了土粒之間的壓力，當動水壓力等于土的浮重度時，理論上土粒處于懸浮狀態，它將隨滲流水一起運動，造成邊坡破壞失穩。

地下水徑流受地形地貌、補給來源和含水層巖性控制，灌區大部分地區地形平坦，平原區淺層地下水沿黃河故道全新統含水層自西北向東南流動，地下水流向總體與地形傾向一致，水力坡降一般為l/3000～l/4000，靠近上游處約1/2500，下游1/5000。灌區地層巖性為第四系松散沖積層，下游地區地下水水力坡度較上游為小，巖性較上游細，因而地下水流出量較流入量小，由于地下水流速很緩，所以地下水逕流排泄量很弱。

工程區內溝道、渠道為非完整切割淺層含水層，地下水和地表水作用關系隨大氣降水量的變化相互補給。汛期降水集中，使非飽和土層飽和，雨水滲入土體顆粒之間，使土的含水量增加，進而引起土的飽和度變大;土的粘聚力與飽和度關系曲線分布形式可視為正態分布，隨飽和度增加粘聚力降低，土體基質吸力喪失。當降雨強度大于土層的入滲能力時，雨水未能全部入滲土體，導致地表積水，根據地形地勢易形成坡面流，對土質邊坡產生侵蝕，水流對坡面松散物進行沖刷，破壞坡面表面形狀;場區地面不平整，水流匯集于低凹地，超過了蓄水能力后易形成線狀流和溝狀流，造成溝、渠道邊坡失穩及破壞。降雨入滲條件下，邊坡安全系數變化規律總體是先減小后增大，變化主要發生在降雨前期滲流場變化明顯時段，最小安全系數大概率發生在降雨停止時刻，汛期降雨歷時長，降雨強度大，安全系數達最小值的時間越長，安全系數最小值越小，不利于邊坡穩定。

2.3 地質環境軟結構變化對工程造成的不利影響

（1）土層含水率高，渠基土含水率是渠道混凝土襯砌凍害的決定因素，在負氣溫天氣下，在土壤凍結過程中，使土體表層與深層冷暖面溫差變大，地下水將通過毛細管作用持續移向凍結面，凍結源不斷將未凍區域水分遷移冰凝層，造成凍脹。渠道混凝土襯砌板屬薄壁輕型剛性結構，雖具有較強的抗壓強度，但抗拉、抗折強度低，適應拉伸變形和不均勻變形的能力差，當土體凍脹量達到一定程度，混凝土面板內應力超出允許承載力，會產生開裂破壞。冬季期間，受持續低溫冷空氣影響，溫度場發生較大變化，渠道混凝土面板產生裂縫，裂縫出現的位置一般位于東西向渠右岸（陰坡），具有一定的普遍性和規律性，一般位于距渠坡腳1～2m的位置，裂縫寬度部分超過1mm。

（2）汛期集中降水，改變了初始滲流場，土體水流會向渠道岸坡臨空面排泄，會加劇土體物理化學風化作用，改變土體內部的裂隙度，水在土體內的孔隙中運動產生滲透力，改變土體的力學性質，地下潛流的水力坡度，對地質結構、構造薄弱環節施加附加應力，當滲透力達到一定強度時，土體結構遭到破壞，隨水流產生流土或管涌運移，導致地面、基礎面變形，危及基礎、渠道邊坡穩定。由于場區地層巖性多以少粘性土為主，抗沖刷能力差，汛期過后，渠道沿線水毀問題較嚴重。

3?結論和建議

（1）灌區屬松散覆蓋黃淮沖積平原，因多次受歷史上洪水沖淤，場區分布薄層軟土層較廣泛但不連續，軟土稍發育。地質結構屬粘砂雙層或粘砂多層結構特征，具上細下粗的沉積規律。灌區地層巖性變化大、相變頻繁，中、重粉質壤土具微至弱透水性，砂壤土和輕粉質壤土多具中等透水性，粉細砂多具中等至強透水性;整體上上部地層結構松散，抗沖刷能力差，土體強度低，對于水工建筑物地基處理應予以重視。

（2）渠道開挖增大了與空氣接觸面積，寒冷季節改變了場區地溫場，溫度驟降是渠道襯砌面板開裂的根本原因。豫東平原為溫和地區，可對渠道襯砌面板采取防凍措施;同時，加強建基面基土施工控制，有效控制渠基土含水率，也能有效預防凍脹影響。

（3）根據場區天氣條件、水文地質條件，分析場區實時的滲流場對構（建）筑物的不利影響，設計與施工應注意地質環境軟結構變化，施工中可能造成的工程風險，應加強防范并采取相應的處理措施。

參考文獻

[1]曹瑞，程春田，申建建，等.考慮蓄水期棄水風險的水庫長期發電調度方法[J].水利學報，2021，52（10）：1193-1203.

[2]曹瑞，申建建，程春田，等.梯級水庫群汛前消落控制多目標優化方法[J].中國電機工程學報，2019，39（12）：3465-3475.

[3]幸福河研究課題組.幸福河內涵要義及指標體系探析[J].中國水利，2020（23）：1-4.

[4]趙進勇，彭文啟，丁洋，等.流域視角下的城鄉河湖水環境治理“三全三可”策略及案例分析[J].中國水利，2020（23）：9-13.

[5]王金南.黃河流域生態保護和高質量發展戰略思考[J].環境保護，2020，48（Z1）：18-21.

[6]彭文啟.新時期水生態系統保護與修復的新思路[J].中國水利，2019（17）：25-30.

作者簡介：王樹奎（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向為水利水電工程。張建全（1974—），男，本科，高級工程師，水利水電工程。邢海鵬（1978—），男，本科，高組工程師，水利水電工程