南水北调中线工程总干渠湿陷性黄土及其处理

郭育琳

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津　300222)

0　引言

南水北调中线工程是一项特大型长距离跨流域调水工程，工程任务是缓解京、津、华北地区的资源性缺水问题，其供水目标主要是城市，兼顾农业与生态。南水北调中线一期工程总干渠从丹江口水库陶岔渠首开始，经河南、河北至北京团城湖，全长1 276.4 km。工程以明渠输水为主，局部采用管(涵)道输水。总干渠由南向北依次展布于伏牛山、嵩山、太行山山前地带或山地与平原之间的过渡地带;该地带为黄土高原东部的外围区域，广泛分布来源于黄土高原的黄土状土;黄土地基的湿陷变形是总干渠的一个主要工程地质问题。

1　湿陷性黄土分布及特征

1.1　分布

南水北调中线工程总干渠沿线的黄土主要分布在汝河以北的渠段，主要为第四系全新统或上更新统的冲洪积、坡洪积成因的次生黄土，局部为风积成因的原生黄土。据统计，总干渠沿线黄土累计分布长度588.5 km，其中具有湿陷性的黄土渠道总长342.76 km，湿陷等级以弱—中等为主，湿陷深度一般<5 m，最深约8 m，一般不具自重湿陷性。总干渠沿线湿陷性黄土在空间上的分布很不均匀，无论在水平方向还是垂直方向上都具有较大的随机性(表1)。

1.2　特征

黄河以南黄土按成因可分为风成黄土、次生黄土。该区域黄土颗粒组成中砂粒含量一般为25%～30%，粉粒含量一般为60%～65%，粘粒含量为10%左右。黄土的天然含水率较低，干密度较大，呈中等—低压缩性，土体力学强度较高。湿陷系数0.005～0.060，多属弱—中等湿陷性，湿陷起始压力一般>50 kPa，且一般为非自重湿陷性黄土。黄河以北黄土主要为冲洪积、坡洪积的次生黄土。该区域黄土颗粒组成中粉粒含量一般为60%～80%，粘粒含量为14%～25%，局部含有细砾。相比于黄河以南的黄土，天然含水率较高，干密度相近，压缩性较高，一般为高压缩性土。湿陷系数0.005～0.087，多属弱—中等湿陷性，局部具强湿陷性，湿陷起始压力一般在35～200 kPa之间，局部夹有自重湿陷性黄土[1]。

表1　总干渠湿陷性黄土分布

2　处理措施

黄土湿陷性是指在自重压力或外荷作用下，受水浸湿后，土中水溶盐被溶解或软化，土体结构迅速破坏，并发生显著附加下沉的现象。黄土地基的湿陷性取决于黄土本身的特性、荷载、水等三个方面的因素。因此，主要通过以下三个途径对湿陷性黄土地基进行处理：一是破坏黄土原有结构，消除地基黄土的全部或部分湿陷性;处理方法包括预浸水法、强夯法、垫层法、挤密桩法等。二是通过采取防渗措施，避免地基黄土浸水产生湿陷;通常采用的防渗措施包括混凝土衬砌、土工膜防渗等。三是通过结构措施减小黄土地基承受的荷载，达到减弱湿陷的目的，处理方法包括各类桩基础[2]。

2.1　垫层法

将建筑物基底以下湿陷性土层全部或部分挖除，然后以水泥土、灰土或素土分层回填夯实。当仅要求消除基底下湿陷性黄土湿陷量时，宜采用素土垫层进行处理；当同时要求提高垫层土的承载力及增强水稳性时，宜采用灰土垫层或水泥土垫层处理。

2.2　强夯法(强夯、重夯)

通过重锤的自由下落，对土体进行强力夯实，以提高其强度，降低压缩性。强夯法处理的有效深度与单位夯击能有关，一般可达到6～8 m。

2.3　挤密法

采用挤土成孔或非挤土成孔方式在地基中成孔，并分层填料，夯实或夯扩成桩，从而使得桩间土性能得到改良。孔内填料一般采用用素土或灰土，必要时可采用强度高的水泥土。

2.4　预浸水法

在建筑物修筑前，先将地基充分浸水，使其在自重作用下发生湿陷，改善土层结构和基本特性，以达到消除其自重湿陷性的目的。

当湿陷性黄土厚度大，上述地基处理措施不能满足建筑物要求时，可以采用桩基础。

水是黄土产生湿陷的必要条件，因此，做好建筑物基础的隔水层，使湿陷性黄土地基无法浸水，就可以达到避免地基湿陷的目的。常用的隔水材料有灰土、油毡、土工膜以及混凝土衬砌等。

在水利工程中，通常采用两种或多种处理措施联合运用，以避免地基湿陷带来的危害。如渠道地基在进行强夯、挤密处理之后，再采用混凝土衬砌或土工膜进行防渗等。

3　地基处理

3.1　处理原则

按照挖填情况，总干渠分为挖方段、半挖半填段和填方段，因此湿陷性黄土地基的处理原则是不同的：

(1)挖方渠段由于没有附加应力，当黄土属非自重湿陷性黄土时，不需要对黄土湿陷性进行处理；当黄土属自重湿陷性黄土时，需进行处理。

(2)半挖半填渠段与填方段当自重应力和附加应力之和小于湿陷起始压力时，不需要对黄土湿陷性进行处理；当自重应力和附加应力之和大于湿陷起始压力时，计算湿陷量，若湿陷量>50 mm，需进行处理，否则不处理。

3.2　措施选择

总干渠线路长，湿陷性黄土分布不连续，厚度变化较大，在选择处理措施时除了要考虑各种方法的适用性，还需考虑相邻渠段施工的连续性，避免在较短的渠段内交叉采用多种处理方法。预浸水法施工周期长，耗水量大，而总干渠沿线水源困难，且总干渠黄土地基大多属非自重湿陷性，因此，预浸水法不适用于总干渠的地基处理；垫层法、挤密土法以及强夯法均适用于总干渠的地基处理。通过对上述三种处理措施进行比较，垫层法与挤密法造价较高，而强夯法费用相对较低，施工简单，且总干渠湿陷性黄土厚度多<5 m，最大深度约8 m，恰好处于强夯法的有效处理深度范围内。因此，采用强夯法对总干渠湿陷性黄土地基进行处理是合适的。

根据不同的地基情况确定具体的夯实方法：对自重湿陷性黄土地基上的挖方渠段采用强夯法进行处理；对渠底、渠堤下湿陷性黄土厚度在1～2.5 m之间的地基，采用重夯法进行处理；对于地基附加应力与上覆土层饱和自重压力之和大于黄土湿陷起始压力的所有湿陷性土层进行消除湿陷性处理深度的计算，计算处理深度>2.5 m的渠段采用强夯法进行处理；计算处理深度<2.5 m的渠段，采用重夯法进行处理。

3.3　地基处理

强夯法夯锤重20 t，单击夯击能为3 000 kN·m，夯击点采用梅花形布置，间距为5 m。夯击共进行3遍，每个夯击点每遍夯击10次，最后一遍为满堂夯，两遍间歇时间为7-12 d。为了保证有效处理深度，在半挖半填渠段，首先清除渠基表土，然后再进行强夯施工。

重夯法夯锤重3 t，单击夯击能为180 kN·m，夯击点连续布置，夯击共进行3遍，每个夯击点累计夯击12次。

在靠近村庄的渠段，在夯实边缘处开挖减震沟，以减少强夯施工时振动对附近民房、建筑物及人畜的影响。减震沟底宽1 m，深3 m。

为了检测地基处理效果，在处理后的地基中取样进行了干密度和湿陷性试验。表2为总干渠安阳段地基处理前后黄土干密度及湿陷系数的变化情况。检测结果显示，经过强夯或重夯处理后的黄土密实度程度均有很大提高，消除了地基中黄土的湿陷性，达到了地基处理的目的。

表2　地基处理前后黄土的干密度及湿陷系数

4　结语

南水北调中线工程总干渠沿线湿陷性黄土分布广泛，湿陷等级一般为弱—中等湿陷性，局部具有强湿陷性，大部分为非自重湿陷性黄土。综合考虑渠道地基湿陷性黄土的厚度、湿陷等级以及各种处理方法的适用性等因素，采用强夯法对渠道湿陷性黄土地基进行处理是合适的。处理后的地基土层密实程度得到很大提高，湿陷性完全消除，达到了地基处理的目的。

参考文献：

[1]杨计申，李德群，边建峰，等.南水北调中线工程特殊性岩土地质环境与环境地质概论[M].郑州：黄河水利出版社，2009.

[2]GB50025—2004,湿陷性黄土地区建筑规范[S].