黃河下游裂隙黏土工程地質特性與危害分析

王保慶，曹俊強，歐釗元

（濟南市水利建筑勘測設計研究院有限公司，山東 濟南 250101）

近年來，為解決山東城市供水、生態用水短缺問題，山東省陸續建設了一大批平原水庫調蓄工程。這些工程多坐落在黃河下游沖積平原區，由于初期對裂隙黏土認識不足，地基土出現了滲漏和滲透變形、不均勻沉降、抗滑穩定、次生鹽漬化等問題，直接影響了工程效益的正常發揮，甚至危及工程安全。

1 裂隙黏土的工程特性

裂隙黏土中的礦物就其晶格構造形態及顆粒粗細程度，可分為粗礦物（碎屑礦物）與黏土礦物兩類。粗礦物多集中在0.1～0.01 mm 的粒徑中，一般裂隙黏土中粗礦物的含量很少，大于0.01 mm的粒徑成分含量小于5%～8%，且以石英為主，因此粗礦物的成分，對裂隙黏土的特性，不起關鍵作用；黏粒含量多在32%～56%之間，個別有高達65%以上者，黏土礦物是裂隙黏土的主要組成部分，也是影響裂隙黏土活性的最活躍的部分。根據資料分析，裂隙黏土的主要礦物成分為伊利石、伊利石～綠泥石混層礦物、高嶺石以及蛭石等，他們的親水性、吸附性和離子交換容量強弱，控制著裂隙黏土的工程特性。

20 世紀80 年代中期，有學者已注意到裂隙黏土裂隙發育問題，也逐漸了解裂隙對工程產生的極為有害的影響，認識到了裂隙黏土并不是均質和各向同性的連續介質，不能用通常的理論和認識去看待和解決裂隙黏土的工程地質問題。大量的資料和實踐證明，裂隙的存在、發生、發展與裂隙黏土的地基穩定關系極為密切。

據基坑開挖斷面資料統計分析，裂隙黏土的裂隙發育以垂直方向為主，一般平面上呈不規則的多邊形網狀發育，裂隙發育密度1～3 條/dm2，發育深度較淺，一般深20～40 cm，裂隙張開寬度0.3～5.0 cm。受當時沉積環境影響，裂隙有的無充填、有的充填或半充填，充填物均為后期黃河泛濫攜帶的砂壤土、粉砂等。裂隙發育空間上的不均勻性、充填的緊密不一性，決定其明顯存在各向異性的特點，因此不同方向上的強度會有差異，作為建筑物地基會出現不均勻沉降變形、抗滑穩定能力差、易產生震陷等工程地質問題。

經大量試驗數據統計分析，發現裂隙黏土具有低容重、低抗剪強度、低承載力，高含水量、高液限、高壓縮性等工程特性，兼有分散土、膨脹土和軟弱黏性土的工程特征。其液性限度范圍值41.3%～55.6%，塑性指數范圍值19.8%～26.3%，屬于高塑性土；干容重值范圍值1.21～1.53 g/cm3，液性指數IL 范圍值0.28～0.98；具有較低的力學強度，三軸不固結不排水剪（UU）內摩擦角范圍值3.5°～9.5°、凝聚力范圍值7.7～26.4 kPa，地基承載力范圍值80～110 kPa；壓縮系數a1～2范圍值0.38～0.65 MPa-1，壓縮模量Es1-2范圍值3.2～5.5 MPa，屬中等～高壓縮性土，標貫擊數N 范圍值2～6 擊（地下水以下一般小于4 擊），根據有關規范提出的標準，其在飽水狀態下屬于軟弱黏性土的范疇。

2 工程危害實例

2.1 壩基滲透穩定的危害

裂隙黏土中的裂隙呈網狀發育，裂隙發育寬度和充填情況縱向和橫向上變化大、不均一，透水性差別大。裂隙既具有儲水功能，同時又起到串通上下層水力聯系的功能。野外水文地質試驗成果表明，裂隙較為發育者滲透系數可達0.22～17.3 m/d，屬中等透水性，透水性強度與中細砂、中粗砂相近；不發育者一般小于0.05 m/d，屬弱透水層，透水性強度與一般黏性土相近。裂隙黏土中的裂隙一般充填或半充填有砂壤土、粉土顆粒，很小的水頭就極易沿裂隙產生“沖蝕型管涌”滲透破壞，研究表明裂隙黏土在出口無保護條件下的允許比降值一般0.07～0.15。

1）SDZ 水庫。SDZ 水庫是在黃泛沖積平原較早修建的大型供水工程，1989 年9 月開工建設。水庫為平原圍堤式水庫，壩長8.93 km，水庫面積4.77 km2，設計最大蓄水深5.5 m，最大壩高7.5 m，總庫容3 120 萬m3。當時缺乏對裂隙黏土的認識，水庫截滲型式上游采用的預留50 m 天然鋪蓋，壩基采用黏土截滲齒槽。截滲齒槽是在壩軸線下游側平行壩軸線挖一條寬度1.5～2.0 m，深度0.3～0.5 m 齒槽（深度以深入裂隙黏土層0.10 m控制），槽內回填透水性微弱的黏土層。

1991 年6 月水庫蓄水，歷史最高蓄水位22.65 m（設計蓄水位23.00 m）。1995 年3 月發現水庫南壩導滲溝和界溝內有大量泉眼，并伴有渾水、砂沸和流土，而且滲漏量漸增，發展趨勢不斷加快，情況十分危急，有潰壩的可能。此時壩后出逸比降不超過0.10，按一般工程經驗判斷，著實令人費解。隨后對管涌滲水位置進行了開挖，開挖發現，在導滲溝樁號2+350～2+800 段450 m 范圍內發現338 個泉眼，在界溝內2+650～2+800 段250 m 范圍內發現117 個泉眼，一般管涌孔口直徑10 cm 左右，個別達70 cm。出現了滲流沿裂隙黏土中的裂隙流動過程中，先將裂隙中充填的粉土、砂壤土顆粒沖走，再不斷沖蝕裂隙周邊黏土碎片顆粒（裂隙黏土的分散性造成其抗沖蝕能力更差）現象，造成裂隙寬度不斷加大，滲透系數也在不斷增大，形成管孔狀集中滲水通道即沖蝕型管涌。

事后分析認為，SDZ 水庫由于缺乏工程經驗，把裂隙黏土視為一般性黏土，想當然地認為其為良好的相對隔水層，壩基截滲齒槽入裂隙黏土層0.10 m 作為截滲深度控制；錯誤地認為裂隙黏土抗滲穩定能力和抗沖蝕能力應該較強，壩后截滲溝邊坡亦未設鋪墊土工布反濾層。這些錯誤的工程處理方式是壩基產生滲漏和滲透破壞的主要原因。

根據SDZ 水庫工程裂隙黏土分布特點，設計對水庫南壩導滲溝和界溝出現滲透破壞段采用高噴截滲墻對壩基進行了截滲處理，截滲墻沿壩軸線布置，截滲帷幕插入相對隔水層1.0 m，孔距1.8 m，采用20°角擺噴，折線連接，分兩序隔孔施工。每孔噴射軸線與壩軸線夾角20°，折線夾角140°。每孔噴射完工后，在原孔進行靜壓灌漿，直到液面不再下沉為止。并重新對截滲溝內坡做反濾層。施工中當整個板墻帷幕形成后，翻砂冒水現象全部消失，壩基滲流處于穩定狀態。1996 年處理后至今水庫一直運行良好。

2）QS 沉沙調渠。QS 沉沙條渠南側鄰近黃河，為有利于沉砂，平面形態上呈S 形，圍堤總長6.8 km，最大堤高7 m，上游段蓄水深度3 m 左右。沉沙工程擔負著年處理泥沙91 萬m3的任務。

受投資限制，并考慮條渠運用特點，條渠堤基未進行防滲處理。為減輕條渠運用對附近農田、村莊的浸沒影響，圍堤外設有截滲溝，上游段截滲溝未進行襯砌處理。1999 年12 月13 日沉沙條渠正式投入使用，一開始蓄水截滲溝內就滲水明顯，有冒氣泡現象。水位到3 m 深左右，上游壩段截滲溝內發生了嚴重的滲透變形，出現了數十處泉涌和沙沸現象，裂隙黏土碎片和粉砂顆粒沿管涌通道隨水流帶出，呈蟻窩狀，直徑3～12 cm，形成險情。建設單位立即停止蓄水，調運機械設備在堤前投放土袋、堤后填土壓重搶險，暫時緩解了險情。隨后，重新對截滲溝進行了滲流控制施工處理，鋪設砂礫石土工布反濾層，反濾層貼坡依次是土工布、8 cm 厚的細砂、8 cm 厚的粗砂及石子，表面為塊石平扣。目前條渠運行狀況良好。

以上兩工程的滲透破壞均與壩基淺部分布的裂隙黏土及夾層砂壤土、粉土有關。在水頭較小的情況下，初期沿裂隙黏土中的裂隙產生了沖蝕管涌型滲透破壞，最初將裂隙中充填的砂壤土、粉土隨水流帶走，隨后帶動其它土層的沖蝕破壞。

2.2 壩基穩定的危害

裂隙黏土一般具有軟弱黏性土的特征。實踐表明，即便目前處于地下水位以上的裂隙黏土層尚處于可塑乃至硬塑狀態，一般經受1～3 個月的浸泡后，含水量增大，土體飽和膨脹松軟，其強度明顯降低，仍最終表現出軟弱黏性土的特征，研究表明，裂隙黏土受水浸泡軟化后，抗剪強度可降低50%以上，標貫擊數可降低2～3 擊。這是水利工程勘察設計者必須高度關注的問題。裂隙黏土較低的抗剪強度和高壓縮性的工程特征，可能存在壩基抗滑穩定和不均勻沉降問題。

現以GDE 水庫為例，說明分析裂隙黏土引起的大壩滑動問題。GDE 水庫位于黃河三角洲地區，為平原圍堤式均質碾壓式土壩，地面高程3.0 m 左右。水庫設計庫容1 120 萬m3，圍壩長6 258 m，最大壩高10 m，壩坡1∶2.5～1∶3.0。

1）大壩塌滑過程。GDE 水庫1993 年4 月開工興建，7 月7 日18 時許，南壩3+760～4+00（壩高最大壩段），壩長240 m 壩段，當壩頂填筑至10.5 m 高程（壩高9 m）時，壩體出現明顯裂縫，18時55 分至19 時30 分壩體出現較大沉降。3+880～3+950 壩長70 m 壩體背水側發生滑坡，壩腳外近30 m 范圍內地面出現隆起現象。7 月8日下午壩體沉降、滑坡基本穩定下來?；麦w后緣為一月牙形裂縫，寬度10 cm 多，滑坡體后緣頂面與臨水側沉降壩體頂面平均低落0.50 m，其中3+920 斷面最大高差0.85～1.00 m。戧臺沉降及滑坡累計，低于填筑高程0.41 m，壩后肩水平位移0.61 m，壩腳最大水平位移1.38 m?；嘣匦螢楦G場取土水坑，滑坡發生后，坑底及附近地面向上隆起，池水后退，表面呈疊瓦狀，在坑塘中7 月7 日所插標志，7 月8 日5 時向壩外方向傾倒。據施工人員回憶，壩體急劇沉降前半個月，事故壩段10～20 m 灘地，地面濕，有一層水膜，并有滲水排出。事故發生后水泡滲水現象持續10余天。

該壩段15 m 深度內，地層分布情況如下：埋深0.0～5.1 m 為松散淺灰色砂壤土夾數層棕紅色軟塑～流塑狀裂隙黏土軟弱夾層，裂隙黏土厚度0.5～6 cm，局部30～40 cm；埋深5.1～8.3 m 為灰色流塑狀淤泥質壤土；8.3～12.5 m 淺灰色砂壤土；12.5～15.0 m 淺灰～深灰色流塑狀淤泥質壤土。

2）大壩塌滑原因分析。該段壩體塌滑主要有以下原因：

一是該段工程地質條件差，存在引起淺部滑動軟弱夾層裂隙黏土和淤泥質壤土層，上部壩基土的承載能力僅為70～100 kPa。裂隙黏土軟弱夾層干密度1.12g/cm3，飽和快剪強度凝聚力4.3 kPa，內摩擦角4.8°，三軸固結不排水剪有效強度凝聚力5.0 kPa，內摩擦角6.8°；下伏淤泥質壤土略高于裂隙黏土抗剪強度，飽和快剪強度凝聚力6.0 kPa，內摩擦角4.2°，三軸固結不排水剪總強度凝聚力15.0 kPa，內摩擦角10.5°，有效強度黏聚力12.0 kPa，內摩擦角12.5°。

二是該段地勢低洼，地下水埋深小于0.5 m，壩基土長期浸泡在水中軟化，強度降低。

三是施工排水措施不力，未建立施工排水系統，采用邊降水邊清基回填施工方式。未能有效降低施工區地下水位，壩基土始終處于飽和狀態。

四是壩體填筑速率過快，自4 月26 日至7月7 日壩高即填至9 m，最大月上壩速率達5 m，且壩高愈大，筑壩速率愈快，遠超過一般軟土壩基筑壩速率每天10 cm 的限度。造成壩基土孔隙水壓力難以及時消散，壩基土的強度難以隨壩高的增加而提高。

五是壩體填筑質量存在問題。在沉降段壩體抽取40 組原狀土樣，有8 組低于設計干密度要求，其平均值為1.52 g/cm3，最小值為1.48 g/cm3，合格率僅為80%；填筑土巖性混雜，壩體內夾雜的裂隙黏土未經任何處理，呈塊狀；土料中含有大量葦根，局部夾腐殖土。

滑坡發生后，在此壩段壩后壩基進行了槽探。槽探資料顯示，頂板高程1.79～1.94 m 存在裂隙黏土軟弱層。裂隙黏土上覆的砂壤土松散，以下砂壤土0.1～0.2 m 具大孔隙或蟲孔，孔洞呈水平排列，長軸扁平，在裂隙黏土不連續部位，孔洞厚度增加。該現象說明，砂壤土在壩體自重作用下，壓縮固結排水，而此時裂隙黏土層局部起隔水作用，致使缺失裂隙黏土部位集中排水；裂隙黏土底部孔隙水壓力增大，自身飽水軟化，形成軟弱結構面。

3 結 語

裂隙黏土的礦物成分、顆粒組成，以及特有的裂隙構造，使其具較多的區別于一般黏土的工程特性，且因與水的相互作用，使其潛在著復雜多樣化的工程地質與水文地質特性，比如較強的透水性和較低的抗滲穩定能力，同時兼有分散土、膨脹土和軟弱黏性土的特征。這些特性給水利工程帶來較大的危害。隨著在黃河下游沖積平原地區大量建設水利工程項目，水利工程師們已經基本摸清了裂隙黏土存在的主要工程地質問題，在解決地基土抗滲穩定、抗滑穩定、不均勻沉降等方面都有了較成熟且有針對性的工程處理措施。