高勝利

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 濕陷性黃土分布特點(diǎn)及危害

由《中國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)略圖》可以看出，地處黃土高原的山西境內(nèi)，濕陷性黃土分布十分廣泛。汾河河谷地多屬非自重濕陷性黃土，山麓堆積地多屬自重濕陷性黃土。主要區(qū)域分布是:晉東南地區(qū)、晉中平原多屬Ⅰ級(jí)輕微濕陷區(qū)；晉西北、呂梁山區(qū)多屬Ⅱ級(jí)中等濕陷區(qū)；晉南平原、呂梁山間谷地多屬Ⅲ級(jí)嚴(yán)重濕陷區(qū)。

山西地區(qū)土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，壓縮性高。黃土砂粒含量一般在17%～25%、粉粒含量一般在55%～65%、黏粒含量一般在18%～20%，多年平均降雨量約在370～680mm，而蒸發(fā)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降雨量。由于土體自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和低含水率及高孔隙率，導(dǎo)致土體遇水時(shí)，強(qiáng)度突然下降產(chǎn)生濕陷，山西地區(qū)濕陷性黃土層厚度多為2～16m。因此在省內(nèi)濕陷性黃土場地上建設(shè)水利工程，應(yīng)根據(jù)建筑物的特點(diǎn)、地基受水浸濕的可能性和使用期間對(duì)不均勻沉降敏感的程度，采取合理的地基處理措施，防止地基濕陷對(duì)建筑物產(chǎn)生危害。

2 萬家寨引黃工程實(shí)踐實(shí)例

新中國成立以來，山西省陸續(xù)建設(shè)大中型水庫60余座，小型水庫近700座，其中大部分承建于新中國成立初期的中小型水庫存在壩體和壩基的滲透破壞問題，而水庫大壩壩基的濕陷性沉降變形是引發(fā)上述問題的主要原因之一。

濕陷性黃土地基壩基處理的目的主要是通過消除黃土的濕陷性，提高地基的承載力和減小沉降。山西省近年來對(duì)濕陷性黃土地區(qū)壩基處理已有深入的研究，并積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)值得借鑒學(xué)習(xí)。

山西省萬家寨引黃工程由萬家寨水利樞紐、總干線、南干線、聯(lián)接段和北干線組成。其中聯(lián)接段有呼延水庫1座，北干線有大梁水庫、耿莊水庫和金沙灘水庫等3座，壩基均筑于濕陷性黃土地基上，對(duì)濕陷性黃土壩基均做了有效的處理，大壩建成后壩基穩(wěn)定運(yùn)行良好。

1）呼延水庫：半挖半填土石壩，環(huán)形布置，壩軸線長度1440m，最大壩高34m。

壩基所涉及地層由新到老為：人工堆積Qs，厚度10～13m；第四系全新統(tǒng)洪積層，巖性主要為礫類土、卵石混合土層、低液限黏土層，分布于人工堆積（Qs）層之下，厚約 8～17m；第四系上更新統(tǒng)坡洪積低液限黏土，夾少量礫類土、卵石混合土層，層厚10m左右，層底位于地表以下7～30m；第四系中更新統(tǒng)洪積低液限黏土，夾礫類土、卵石混合土層，在整個(gè)壩址區(qū)地基中均有分布。

在壩體填筑前將人工棄渣Qs全部清除后，對(duì)壩基進(jìn)行強(qiáng)夯處理，要求消除濕陷深度7～8.5m，單擊夯擊能采用 4000kN·m/6 000kN·m。

2）大梁水庫：主壩最大壩高26m，壩頂長度為1145m，黃土心墻砂殼壩。

大梁水庫主壩座落在濕陷性黃土地基上，壩基由30～100m厚的土層組成，淺層25m內(nèi)為第四系上更新統(tǒng)沖洪積物，以黃土狀亞砂土為主，表層17m內(nèi)土質(zhì)疏松、孔隙大，干密度小，屬中等壓縮和中等非自重濕陷性黃土。壩基沉降計(jì)算結(jié)果表明，在壩體自重作用下，未經(jīng)處理的壩基土體將產(chǎn)生較大的壓縮和濕陷變形。由于壩基土層分布和壩體荷載的不均勻，勢必產(chǎn)生不均勻沉陷，造成主壩裂縫，危及安全運(yùn)用。在對(duì)壩基處理方法作了大量的分析研究工作后，最終采取了挖槽換土、加強(qiáng)碾壓的處理措施，將壩基心墻部位開挖基槽后回填黃土，按筑壩要求碾壓。

3）耿莊水庫：半挖半填土石壩，環(huán)形雙庫布置，壩軸線長度3600m，最大壩高10m。

根據(jù)地基殘余濕陷量小于等于100mm時(shí)需要處理深度為0.5～6.0m，確定對(duì)壩基土的濕陷性以及不均勻變形采用強(qiáng)夯法處理，處理深度6m。強(qiáng)夯的單擊夯擊能采用4000kN·m。強(qiáng)夯完成后對(duì)整個(gè)壩底進(jìn)行了整平、碾壓，然后筑壩。

4）金沙灘水庫：半挖半填土石壩，環(huán)形布置，壩軸線長度4000m，最大壩高17m。

經(jīng)過實(shí)地調(diào)查以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，選用錐柱擠密樁來消除壩基濕陷性。樁內(nèi)填土采用素土即庫區(qū)開挖土，樁徑400mm，梅花形布置，樁距因地基類型不同而不同。非自重Ⅰ級(jí)濕陷性場地樁距1.4m；非自重Ⅱ級(jí)、自重Ⅱ級(jí)濕陷性場地樁距1.2m；自重Ⅲ級(jí)濕陷性場地樁距1.0m。根據(jù)濕陷等級(jí)分區(qū)，最終單根樁長控制在4.0～10.0m之間。

3 處置方法特點(diǎn)及比較

根據(jù)國內(nèi)大量實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，目前消除壩基黃土濕陷性常用的方法有：換填法、擠密樁法、強(qiáng)夯法及預(yù)浸水法等。根據(jù)引黃工程實(shí)施實(shí)踐，有以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)值得借鑒：

1）換填法：理論來說，對(duì)于消除基底以下1～3m黃土的濕陷性，局部處理時(shí)優(yōu)勢比較明顯，大梁水庫主壩地基處理采用了這種方法。施工前根據(jù)工程特點(diǎn)、壓實(shí)系數(shù)、土料種類和施工條件等進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，合理確定了土料含水量控制范圍、換填土的每層鋪設(shè)厚度和碾壓遍數(shù)等參數(shù)。

2）擠密樁法：擠密樁法施工設(shè)備簡單，可以節(jié)省大量挖土工作量，金沙灘水庫壩基處理采用了這種方法。但在地基土含水量太大或太小時(shí)，不宜采用，適宜地基土的含水量應(yīng)控制在12%～24%之間。地基土含水量過大時(shí)，沖擊成孔后會(huì)出現(xiàn)縮徑、塌孔現(xiàn)象，地基土含水量過低時(shí)則會(huì)出現(xiàn)樁管難打、難拔。另外，在施工工藝上，要合理地確定成孔次序和鉆孔密度，避免引起周圍土體的震動(dòng)，造成鄰孔孔壁失穩(wěn)或坍塌。一般情況下成孔順序應(yīng)該是先外圈、后里圈進(jìn)行，同一行列采取間隔跳打的施工方式。已經(jīng)成孔的要做好雨季防護(hù)，并及時(shí)夯填。夯填時(shí)確保填土含水量在最優(yōu)含水率附近，同時(shí)夯錘的落距和夯擊遍數(shù)要與實(shí)驗(yàn)一致。

3）強(qiáng)夯法：強(qiáng)夯法在山西省濕陷性黃土地基壩基處理中應(yīng)用比較廣泛，在公路工程、渠道輸水工程中也有應(yīng)用，呼延水庫和耿莊水庫均采用強(qiáng)夯法。強(qiáng)夯前進(jìn)行現(xiàn)場試夯，根據(jù)試夯結(jié)果確定合適的強(qiáng)夯工藝，確定夯錘質(zhì)量、落距、夯點(diǎn)布置、夯擊次數(shù)和夯擊遍數(shù)等參數(shù)。

根據(jù)兩座水庫壩基強(qiáng)夯數(shù)據(jù)顯示，強(qiáng)夯處理后，地基土的密實(shí)度影響深度小于濕陷性處理深度。經(jīng)過強(qiáng)夯，地基土濕陷性處理深度H范圍內(nèi)土層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，濕陷性消除，從地面算起某一深度Z（Z＜H）內(nèi)地基土的密實(shí)度得到加強(qiáng)，而在濕陷性處理深度H附近土樣檢測結(jié)果會(huì)出現(xiàn)干密度指標(biāo)并未提高的現(xiàn)象。經(jīng)驗(yàn)表明，土的天然含水率對(duì)強(qiáng)夯法處理至關(guān)重要，適宜的地基土的含水量在10%～25%之間。天然含水量低于10%的土，顆粒間摩擦力大，細(xì)土顆粒很難被填充，且表層堅(jiān)硬，夯擊時(shí)表層土容易松動(dòng)，夯擊能量消耗在表層土上，深部土層不易夯實(shí)。

4）預(yù)浸水法：預(yù)浸水法具有施工簡單、節(jié)省工程投資的優(yōu)點(diǎn)，適用于處理土層厚度大于10m，自重濕陷量計(jì)算值不大于500mm的黃土地基。利用黃土浸水后產(chǎn)生自重濕陷的特性，在施工前進(jìn)行大面積浸水使土體預(yù)先產(chǎn)生自重濕陷，以消除黃土土層的自重濕陷性。但經(jīng)預(yù)浸法處理后，地基土可能仍具非自重濕陷性。施工于上世紀(jì)60年代的山西文峪河水庫，壩基曾做預(yù)浸水處理，效果不理想，滲漏嚴(yán)重。引黃工程壩基土多具有非自重濕陷性，故不采用這種處理方法。

根據(jù)國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)論述和引黃工程的實(shí)踐，對(duì)濕陷性黃土壩基處理的方法可以做一個(gè)簡單的比較，見表1。

表1 濕陷性黃土地基壩基處理方法比較

4 結(jié)語

山西省濕陷性黃土面積較大，許多以節(jié)水灌溉、調(diào)蓄為目的的水庫、調(diào)蓄池均修建于濕陷性黃土場地上，應(yīng)因地制宜，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后合理選用處理方案。采用換填法、預(yù)浸水法，不同程度存在工作量大、花費(fèi)勞力多、施工現(xiàn)場占地大、工期長等缺點(diǎn)。近年來，強(qiáng)夯法與擠密樁法在工程領(lǐng)域有較大的發(fā)展，以其處理濕陷地基速度快、效果好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在全國濕陷性黃土地區(qū)得到廣泛應(yīng)用和推廣。