北掌水库左坝肩湿陷性处理措施及施工方案

赵秀改

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）

黄土在山西省分布很广，因此在修建土石坝时，经常会遇见黄土地基，湿陷性黄土面积约占黄土分布总面积的60%左右。黄土的典型特性是低含水量、高孔隙率、高碳酸盐，在天然干燥状态下，可承受一定的荷载，且变形量小，遇水后黄土迅速崩解，土体发生显著的沉陷变形，这就是黄土的湿陷性。

黄土湿陷性根据湿陷系数判断。湿陷性黄土分为四类：系数≤0.01，为Ⅰ级（轻微）湿陷性黄土；系数0.01 ～0.02，为Ⅱ级（中等）湿陷性黄土；系数0.02～0.07，为Ⅲ级（严重）湿陷性黄土；系数＞0.07，为Ⅳ级（很严重）湿陷性黄土。

1 工程概况

北掌水库为中部引黄工程调蓄水库，向对竹河流域工农业供水。北掌水库工程坝址位于汾西县对竹河的一级支沟（南掌沟）内。水库总库容465.5 万m3，为小（1）型Ⅳ等工程。枢纽工程主要建筑物有：大坝、导流泄洪洞等。大坝为碾压均质土坝，最大坝高42.2 m，坝顶宽8 m，坝长266.6 m，上游坝坡1∶3；下游坝坡由上到下依次为1∶2.5、1：2.75、1∶3。

2 地质条件

由土工试验及湿陷性计算可知，左坝肩低液限黏土存在湿陷性问题。湿陷性平面分布特征为左岸坡脚（探井3#）附近，为非自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅰ级；左坝肩临坡低液限黏土（探井2#）处为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅳ级；左坝肩岸坡住里低液限黏土（探井1#）为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ级。低液限黏土湿陷土层埋深5～23 m，其下限高程多低于坝顶高程。

3 常用的消除或降低地基湿陷性的处理方法

消除或降低黄土地基的湿陷性，应根据土层厚度、土体性质、湿陷特性、设计要求结合施工条件，通过分析比较选定适宜的处理方法。常用的处理方法有垫层法、预先浸水法、重锤夯实法、强力夯实法及挤密桩法等，其中较为彻底的方法为垫层法。

3.1 垫层法

先将需要处理的湿陷性黄土层全部或部分挖除，待属于湿陷性黄土层挖除后，再另运其它合格土料，经过筛后，在最优含水量状态下分层填筑，并按设计要求碾压密实到要求的干容重。

本工程左坝肩具有湿陷性，面积大，且厚度深，若采用垫层法，则开挖回填量均很大，不经济。

3.2 预先浸水法

在湿陷性黄土地层范围内开挖浸水坑，并向坑内预先加水浸泡，通过浸水减少黄土的湿陷性。浸水坑的边长不得小于湿陷性黄土层的厚度，当浸水坑的面积较大时，可分段进行浸水。为取得良好的效果，需要同时预压，并在预压过程中保持高的含水率。本方法适用于处理湿陷性黄土层厚度大于10 m。浸水前宜通过现场试坑浸水试验确定浸水时间、耗水量和湿陷量等。

本工程采用预先浸水法，浸水周期长，浸水不均匀，难以达到预期效果，且耗水量大，不经济。文峪河水库大坝曾在筑坝前预浸水一个月，但是结果未达到预想的效果，后期蓄水期间不断发生新的沉陷。

3.3 重锤夯实法

重夯法仅对浅层土体进行加固。因为夯板夯击的影响深度很难达到1.5 m 以上，所以使用重锤夯击，只有在黄土厚度小于1～1.5 m，方有效。常用的夯锤质量为2～3 t，锤底面直径为1.2～1.4 m，落距4～6 m。夯击时，地基土宜为最优含水率，可采用接近于0.6 ωL（土的流限），作为最优含水率。当表层黄土的天然含水率低于最优含水率2%时，需进行加水处理。因此，在施工时，土应严格控制地基黄土的含水率。

本工程湿陷土层厚度5～23 m，采用重锤夯实法，不适宜。

3.4 强力夯实法

将重锤从几米至几十米的高处自由落下，对土体进行夯击，使土体中的空隙减少，土体被强制密实，从而减少其压缩性，提高强度。强夯法是对深层土体进行加固，强夯法常采用的夯锤质量10～20 t，锤底面直径为2.3～2.8 m，落距10～20 m。采用强夯法处理湿陷性黄土地基，应首先在施工现场进行试夯或试验性施工。通常根据消除湿陷性黄土层的有效深度确定单位夯击能，单位夯击能大，消除湿陷性黄土层的深度也相应大，但是设备的起吊能力增加太大则不易解决。因此在工程实践中常用的单位夯击能多为1 000～4 000 kN.m，处理有效深度一般为3～7 m。

强力夯实法施工振动影响较大且处理深度较小，而本工程湿陷土层厚度5～23 m，难以达到预期效果，故采用强力夯实法，不适宜。

3.5 素土挤密桩法

素土挤密桩是将地基中黄土挤压成孔，使桩孔间的土体被挤压密实，然后向孔内夯填素土，成桩，桩体与挤密的桩间土体组成形成复合地基，其湿陷性得到全部或部分消除。适用于地下水位以上，处理深度小于5～15 m。本方法不仅施工设备和施工工艺简单，而且可以降低工程造价。

与上述其他方法相比较，素土挤密桩法具有如下优点：

1）素土挤密桩法属于深层加密处理地基的一种方法，既能降低地基土压缩性，又能提高地基承载力；

2）素土挤密桩法与清除翻夯法相比，不需要开挖回填，因而既减少了开挖和回填量，又缩短了工期；

3）素土挤密桩法与夯实法相比，不仅处理深度较深，基础处理效果也较好。

经过上述各种处理方式分析比较，素土挤密桩更适合本工程的施工条件，故选用素土挤密桩方案进行左岸湿限性基础处理。

4 素土挤密桩的施工

挤密孔的孔位宜按正三角形布置，处理深度不大于12 m 时，挤密填料孔直径取0.4 m；大于12 m 时，孔径取0.5 m。桩距取1.2 m，桩排距1.04 m，桩体应分层回填夯实，其压实度不应小于0.97，桩间土平均压实系数不小于0.93。

4.1 施工工艺

施工放线——定孔位——机械就位——打桩成孔——拔管——检查验孔——桩机移位——素土回填——夯实——成桩——试验检测。

4.2 施工方法

进行素土挤密桩施工前，需先清理表层腐殖土，再根据地形开挖成台阶状，为挤密桩施工提供平整的施工场地。

素土挤密桩施工，采用10 t 起重机吊4 t 锥柱锤冲击成孔，成孔达到设计处理深度后，孔内填素土，小型卷扬机吊0.5 t 重锤冲击夯实，达到设计密实度。成孔和回填时，为防止孔之间相互挤压，造成相邻孔径缩孔或振动坍塌，施工时采用隔排隔行，隔一打一的跳打方式，成孔后立回填夯实。孔底在填料前必须夯实，孔内填料采用素土，宜分层回填夯实，其压实系数不宜小于0.97。回填土一般采用过筛的粉质黏土，不得含有有机质物质，且宜保持土料的最优含水率。

素土挤密桩施工前应首先进行生产性试验施工，通过现场试验数据确定相关施工参数。

5 结语

湿陷性黄土地层的处理方法很多，但应因地制宜，合理选择。通过前文比较分析，得出素土挤密桩法的施工机械和工艺都比较简单，处理深度较深，对降低或消除湿陷性效果明显，在消除湿陷性的同时提高了地基土的承载力，且填入桩孔的材料可就地取材，因而造价低。故在湿陷性黄土地区可广泛使用。