湿陷性黄土地区调蓄池基础及防渗处理

万克诚，赵靖伟，李 渤，樊艳欣

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

1 概况

我国幅员辽阔,黄土地区分布广泛,其面积之大、覆盖之厚、成因之复杂等均为世界之最,其中存在湿陷性的黄土占比接近四分之三[1]。湿陷性黄土因其特殊的遇水湿陷、突变性、非连续性等现象,成为湿陷性黄土地区工程建设面临的重点问题。

对于修建于湿陷性黄土地基之上的蓄水建筑物,需格外注意地基土层湿陷性带来的工程问题,如地基遇水浸湿后因湿陷性引起的基础不均匀沉降以及周边渗漏等,是工程中需要解决的重点问题。

某工程位于陕西省渭南地区,项目新建调蓄池一座,总库容231万m3,水域面积约25万m2,为注入式水库,水源取自抽黄灌溉渠道,经沉砂后由输水管道注入调蓄池。工程项目建成后,将为县城居民生活用水、县城周边节水灌溉示范区农田灌溉等提供水源保障。

调蓄池地处渭北黄土台塬,工程区内地势总体西北高东南低,塬面呈台阶状自西北向东南方向展布,场地原始地面高程773 m～755 m,高差约18 m,地表坡比约2%,场地较为平整,地面主要为耕地。调蓄池根据运行水位要求结合地形布置,总体开挖为主,局部填筑,调蓄池最大开挖深度约15 m,库岸最大填筑高度约7 m,最大水深约15 m。

2 工程地质条件

工程区位于渭北一、二级黄土台塬东北部,台塬呈近东西向带状分布。区域地貌由南至北分为渭河冲积平原、一级和二级黄土台塬区,地势西北高东南低。区内出露地层主要为早古生界奥陶系（O）、新生界第三系（N）及第四系（Q）地层。工程区在大地构造单元上,位于鄂尔多斯向斜南部边缘地带。北接陕北黄土高原,南临渭河断陷盆地。

项目调蓄池所处地区揭露地层为第四系黄土层,主要分为三个大层,11个亚层。依次如下：

（1）第一层,①素填土（Q4ml）分布不均,层厚0.6 m～1.1 m,具弱透水性,不宜作为坝基承载力层。

（2）第二层,黄土（Q3）,分为2 个亚层,其中②-1层黄土（Q3eol）,层厚5.4 m～13.5 m；②-2层古土壤（Q3el）,层厚0.3 m～1.5 m。

（3）第三层,黄土（Q2eol）,分为8个亚层,其中③-1层黄土（Q2eol）,层厚1.8 m～9.2 m；③-2层古土壤（Q2el）,层厚0.9 m～3.9 m；③-3层黄土（Q2eol）,层厚0.6 m～5.0 m；③-4层古土壤（Q2el）,层厚1.7 m～3.5 m；③-5层黄土（Q2eol）,层厚3.6 m～6.0 m；③-6层古土壤（Q2el）,层厚1.7 m～4.1 m；③-7层黄土（Q2eol）,层厚4.1 m；③-8层古土壤（Q2el）,层厚约5 m,中间夹厚度约0.7m的黄土层。

依据《规范》[2]对各层土进行了湿陷性计算,计算结果表明：基础主要湿陷性地层为②-1黄土（Q3eol）,场地自重湿陷量Δzs=376.65 mm,场地总湿陷量Δs=920.5 mm,为自重湿陷性黄土场地,场地平均湿陷性等级为Ⅳ级,湿陷性为中等～强烈,需要进行湿陷性处理。

根据工程布置,调蓄池池底及其周边地基主要置于马兰黄土中下部,各层土体具微～弱透水性,需进行调蓄池池底及其周边全范围的防渗处理。

3 黄土基础湿陷性处理

国内相关规范对湿陷性黄土基础处理、或湿陷性黄土作为低坝坝基提出了处理要求,并明确了处理方法。国内研究人员针对类似工程中湿陷性黄土基础的处理也有较为广泛的研究[2～3],主要的处理方法有强夯法、垫层法、挤密法、预浸水法等。强夯法的概念自1975 年引入我国,以其适用性广、处理深度较深、造价低、设备简单、工期短等特点,在湿陷性黄土基础处理中得到了广泛的应用。

本工程调蓄池围坝坝基为湿陷性黄土,参照湿陷性黄土处理相关规范及国内湿陷性黄土基础处理经验,综合考虑本工程需处理面积、工期、投资等情况,采用强夯法对湿陷性黄土地基进行处理。强夯的单位夯击能为4000 kN·m,夯击遍数4 遍,选用的夯锤直径为2.4 m,夯击锤重20 t,落距为20 m。夯点布置按正三角形布置,夯击中心间距5 m,夯点之间的土夯实较均匀。

第一遍：单位夯击能为4000 kN·m,夯击完毕后,用推土机将高出夯坑周围的土推至夯坑内填平,并在第一遍夯点之间布置第二遍夯点。

第二遍：单位夯击能为4000 kN·m,将第二遍夯点及第一遍填平的夯坑同时进行夯击,完毕后,用推土机平整场地。

第三遍：单位夯击能为2000 kN·m,夯点满堂布置,夯击完毕后,用推土机再次平整场地。

第四遍：单位夯击能为1000 kN·m,用轻锤、低落距（4 m～5 m）连续满拍2～3击,将表层土夯实拍平。

夯击全部完毕后,经检验合格,在夯面以上及时铺设3∶7灰土垫层,其压实系数均不小于0.95,防止强夯表层土晒裂或受雨水浸泡。

调蓄池基础强夯处理的范围较大,达24万m2,为保证强夯效果,在场地内选取24 m×26 m的区域进行先期强夯试验,验证夯击试验效果。通过试验,现场试验区基础土层经强夯经处理后,约6 m～7 m深黄土层的湿陷性得以消除,强夯试验结束后7 天,在试验区处理部位挖掘探井,对探井取土进行干密度、压缩系数、湿陷系数等指标测定（图1～图3）。测定结果表明,经强夯处理后,基础黄土层湿陷消除深度可达6 m以上,湿陷性系数均小于0.015。由此可见,设计选用的强夯处理效果较好,强夯处理后的基础满足设计要求。

图1 强夯后干密度与孔深关系

图2 强夯后压缩系数与孔深关系

图3 强夯后湿陷系数与孔深关系

4 调蓄池基础防渗处理

针对黄土基础防渗处理,国内学者也做了广泛的研究[4-5]。

根据地质资料,本工程坝基表层为①层素填土、②-1层黄土（Q3eol）,中部有②-2古土壤（Q3eol）,下部③层黄土状壤土（Q2eol）,地层从新至老共分为三层均为弱透水层,渗透系数小于1×10-4cm/s,因此坝址位置存在微弱透水性。

调蓄池底部高程754.00 m,最高运行水位为768.00 m,最大水深14.00 m,场地现状地下水位埋深约80 m,根据现行规范判断,调蓄池可能存在流土型渗透变形,因此需对库底采取防渗处理措施。

通过试验得出土的比重Gs及天然孔隙率n,经计算可知黄土的临界比降为0.85,水力比降建议值为0.40。本次设计对调蓄池底部采用复合土工膜进行防渗,防渗结构从下至上依次为：3∶7灰土100 cm、复合土工膜防渗层（两布一膜）、瓜片石厚10 cm、混凝土块护底厚10 cm,并且将库底土工膜与坝体上游坡面土工膜连接,形成完整的防渗体系（图4）。

图4 库底及岸坡防渗布置示意图

在设计防渗方案的基础上,对坝体渗透稳定及渗流进行了计算,强夯压实后的黄土渗透系数较小,约为3.82×10-4cm/s,坝体新填筑土体渗透系数为3.89×10-4cm/s。

经计算,调蓄池坝体在各计算工况下逸出点最大渗透坡降均小于坝体填土的允许渗透坡降,最大值为0.207,小于坝体填土允许渗透坡降值0.40。

从渗漏量方面来看,正常蓄水位稳定渗流工况计算出的最大单宽渗漏量最大,为8.72×10-6m3/（s·m）,单宽渗流量约为0.75 m3/d。

由计算可以看出,在设计防渗方案措施下,调蓄池坝体渗透稳定满足规范要求,渗漏量较小。

5 结论

（1）本文在地质勘察的基础上,对工程区场地地基黄土湿陷性做出定性判断,明确地基处理范围和深度。

（2）结合现行规范标准并参考类似工程经验,针对项目区调蓄池基础黄土湿陷性问题,采取强夯法对地基基础进行处理,并选取试验区进行强夯试验,场地基础经强夯后,基础黄土层湿陷消除深度可达6 m以上,湿陷性系数均小于0.015。

（3）地基处理完毕后,采用3∶7灰土、复合土工膜等进行地基防渗处理,并对坝体渗透稳定和收留进行了计算分析,计算结果在可控范围内。