劉秀寶

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130012)

某水利樞紐區(qū)多年凍土工程地質(zhì)性質(zhì)及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

劉秀寶

(中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130012)

以某水利樞紐多年凍土為例,在工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上,結(jié)合凍土土工試驗(yàn)和地溫觀測(cè)數(shù)據(jù),分析工程區(qū)多年凍土的分布范圍和特征、凍脹性、融沉性、熱學(xué)性質(zhì)等主要的工程地質(zhì)問題,并提出了相應(yīng)的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

水利樞紐;多年凍土;凍脹性;融沉性;熱學(xué)性質(zhì);地溫觀測(cè);凍害;地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

某水利樞紐工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市牙克石市免渡河鎮(zhèn)以東約30 km處,是一座以防洪、森林防火、供水為主,兼顧發(fā)電等綜合利用的水利樞紐工程,水庫總庫容8 887萬m3,大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩,壩頂高程為755.8 m,最大壩高為19.80 m。在水庫左壩肩壩基開挖過程中,位于壩軸線樁號(hào)K0+065～K0+200 m兩側(cè)各100 m寬度范圍內(nèi)挖掘機(jī)取土困難,出現(xiàn)打滑跡象,部分地段挖出的土方中含小冰塊,工程區(qū)有多年凍土分布。多年凍土是指凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)2年以上的土層(土壤、土、巖石),可分為高海拔多年凍土和高緯度多年凍土兩種類型[1]。凍土的工程地質(zhì)性質(zhì)主要受含冰量的控制,而含冰量與溫度有關(guān),所以凍土是一種具溫度敏感性且性質(zhì)很不穩(wěn)定的土體[2]。水庫蓄水后,多年凍土層溫度升高,將導(dǎo)致凍土層融化,壩基地層將產(chǎn)生不均勻沉降,過大的不均勻沉降極易導(dǎo)致瀝青混凝土心墻變形和壩體開裂,影響水庫運(yùn)行。故對(duì)多年凍土的工程地質(zhì)性質(zhì)作出評(píng)價(jià)和建議,這對(duì)工程的整體運(yùn)營和安全是至關(guān)重要的。

1 多年凍土分布特征及地層巖性

1.1 分布特征

工程區(qū)地理位置為東經(jīng)120°30′～122°00′,北緯48°50′～49°30′,為高緯度島狀多年凍土分布區(qū)。本區(qū)季節(jié)性標(biāo)準(zhǔn)凍土深度3 m,季節(jié)性凍土層和多年凍土層之間分布1～2 m的非凍結(jié)土層,季節(jié)凍結(jié)層的凍結(jié)深度小于多年凍土上限,為不銜接多年凍土[3]。

多年凍土的分布介于壩軸線K0+065～K0+200 m之間,最大厚度約10.20 m,凍土上限埋深為1.20～7.50 m,上限高程為731.49～737.67 m;凍土下限埋深為4.20～14.00 m,下限高程為725.45～737.07 m,且島狀多年凍土水平向外邊界多呈不規(guī)則分布;沿河流上、下游延伸范圍超出壩基。沿壩軸線多年凍土分布情況見圖1。

1.2 地層巖性

勘察深度范圍內(nèi)分布3種巖性多年凍土,分述如下。

圖1 沿壩軸線多年凍土上下限深度變化曲線圖Fig.1 Change curve of upper and lower depth of permafrost along the axis of the dam

2 多年凍土工程地質(zhì)性質(zhì)及評(píng)價(jià)

多年凍土的工程地質(zhì)性質(zhì)主要為凍脹性、融沉性和熱學(xué)性質(zhì),三者直接影響到水庫的整體運(yùn)營和安全。根據(jù)凍土的物理力學(xué)性質(zhì)及熱學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),得出凍土的塑限、總含水率、凍脹率、融化下沉系數(shù)、骨架比熱、凍結(jié)狀態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。依據(jù)ZK18孔和ZK20孔地溫觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),得出研究區(qū)多年凍土層地溫特征,各多年凍土層主要物理力學(xué)及熱學(xué)參數(shù)值見表1,地溫觀測(cè)曲線見圖2、圖3。根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)多年凍土的凍脹性、融沉性和熱學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。

2.1 凍脹性

多年凍土層的凍脹類別為弱凍脹—凍脹,凍脹等級(jí)為Ⅱ-Ⅲ級(jí),凍脹性較強(qiáng)。本區(qū)標(biāo)準(zhǔn)季節(jié)性凍土深度為3.0 m,個(gè)別地段凍結(jié)深度>3.0 m,冬季時(shí)砂礫石壩體自壩頂以下3.0 m范圍內(nèi)處于凍結(jié)狀態(tài),季節(jié)性凍土層對(duì)鋼筋混凝土護(hù)板和壩體內(nèi)砂礫石層產(chǎn)生凍脹力,不利于護(hù)板和壩體的穩(wěn)定。瀝青混凝土心墻在凍脹力作用下受到水平向的推力和向下的摩擦力,心墻易產(chǎn)生拉裂和彎曲變形,極易導(dǎo)致水庫潰壩。

圖2 ZK18孔地溫觀測(cè)曲線Fig.2 Geothermometers observation curve of ZK18 hole

圖3 ZK20孔地溫觀測(cè)曲線Fig.3 Geothermometers observation curve of ZK20 hole

表1 多年凍土層主要物理力學(xué)及熱學(xué)參數(shù)值表

2.2 融沉性

多年凍土層的融沉類別為弱融沉—融沉,融沉等級(jí)為Ⅱ-Ⅲ級(jí)。經(jīng)初步估算,勘察區(qū)內(nèi)多年凍土層最大融化下沉量為16.5 cm,沿壩軸線融沉量變化曲線見圖4。

工程區(qū)內(nèi)多年凍土層的厚度不均,總含水率各異,其融沉系數(shù)大小不一,多年凍土層融化后,壩基地層將產(chǎn)生不均勻沉降,過大的不均勻沉降極易導(dǎo)致瀝青混凝土心墻變形和壩體開裂。融化的土體將使心墻表面受到豎直向下的負(fù)摩阻力作用,加速心墻變形破壞;融化的多年凍土層力學(xué)強(qiáng)度大幅降低,凍土融化面將演變成壩基中的軟弱結(jié)構(gòu)面,在滲透水流的作用下壩基沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng),導(dǎo)致壩基失穩(wěn),影響水庫的正常運(yùn)行。

圖4 沿壩軸線多年凍土融沉量變化曲線圖Fig.4 Change curve of thaw settlement and consolidation of frozen ground along the axis of the dam

2.3 熱學(xué)性質(zhì)

根據(jù)凍土試驗(yàn)資料和地溫觀測(cè)數(shù)據(jù),并結(jié)合呼倫貝爾地區(qū)區(qū)域地溫資料,工程區(qū)凍土層為高溫多年凍土,凍土原狀土樣導(dǎo)熱系數(shù)隨著含水率的增加而增大,尤其在黏性土中更為顯著。凍土骨架比熱與顆粒粗細(xì)有關(guān):顆粒越細(xì),骨架比熱越大。

工程區(qū)凍土具溫度敏感性,在地溫和環(huán)境溫度較高時(shí)具強(qiáng)烈流變性,瞬時(shí)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于長(zhǎng)期強(qiáng)度,是一種極不穩(wěn)定的土體。水庫蓄水后,多年凍土層的熱平衡狀態(tài)被打破,凍土層融化,對(duì)工程建設(shè)不利。

3 多年凍土地基處理措施及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

3.1 地基處理措施

工程區(qū)多年凍土層為不銜接島狀多年凍土,具高緯度,低海拔,地溫大多高于-1℃[4],不穩(wěn)定、地勢(shì)低洼處多年凍土更為發(fā)育,熱穩(wěn)定性差[5],活動(dòng)層土體凍脹性強(qiáng)及地面敏感性等特點(diǎn),屬極不穩(wěn)定帶,場(chǎng)區(qū)的穩(wěn)定性和適用性較差。建議設(shè)計(jì)方對(duì)島狀多年凍土融沉變形給建筑物造成的影響進(jìn)行分析計(jì)算,并采取相應(yīng)的處理措施,必要時(shí),可考慮將建筑物地基內(nèi)的多年凍土予以全部挖除。且在多年凍土層開挖過程中采取適當(dāng)措施,防止開挖邊坡失穩(wěn)破壞。各多年凍土層開挖坡比建議采用值見表2。

表2 多年凍土層開挖坡比建議采用值

3.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

(1) 在壩基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)壩基及壩體可采取預(yù)留沉降量的措施來控制砂礫石壩的不均勻沉降和變形,并將建筑物地基內(nèi)的多年凍土予以全部挖除。

(2) 可在鋼筋混凝土護(hù)板上間隔適當(dāng)距離設(shè)置貫通的橫縫和縱縫,減小凍脹力對(duì)于壩體和護(hù)板的影響。

(3) 在壩基開挖邊界處設(shè)置一定高度的擋墻,并與壩面鋼筋混凝土護(hù)板相連接,擋墻深入穩(wěn)定地層適當(dāng)深度,防止多年凍土融化后,由于土體抗剪強(qiáng)度降低引發(fā)壩體滑坡的發(fā)生。

(4) 可將瀝青混凝土心墻兩側(cè)采用干燥砂礫石換填,換填厚度>3～5倍心墻厚度,消除凍脹性和融沉性對(duì)瀝青混凝土心墻的影響。

4 結(jié)語

(1) 不銜接島狀多年凍土對(duì)工程建筑物的主要影響為融沉變形,經(jīng)初步估算,勘察區(qū)內(nèi)多年凍土層最大融化下沉量為16.5 cm。由于島狀多年凍土層厚度不一,融沉系數(shù)各異,在其分布范圍內(nèi)最終融化下沉量也大小不一。

(2) 對(duì)島狀多年凍土融沉變形給建筑物造成的影響進(jìn)行分析計(jì)算,并采取相應(yīng)的處理措施,必要時(shí),可考慮將建筑物地基內(nèi)的多年凍土予以全部挖除。且在多年凍土層開挖過程中采取適當(dāng)措施,防止開挖邊坡失穩(wěn)破壞。

(3) 凍土具溫度敏感性,在地溫和環(huán)境溫度較高時(shí)具強(qiáng)烈流變性。水庫蓄水后,多年凍土層的熱平衡狀態(tài)被打破,凍土層融化,對(duì)工程建設(shè)不利。

(4) 可采取適當(dāng)?shù)牡鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)方案,消除多年凍土的凍害對(duì)建筑物的影響。

[1] 李靜,盛煜,陳繼,等.大通河源區(qū)多年凍土的地溫特征及其影響因素分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2011(7):827-836.

[2] 王芳.博牙高速公路島狀多年凍土地區(qū)路基沉降處治技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2011.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB50324—2014[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2014.

[4] 殷玲,吳寶安,方明偉.呼倫貝爾多年凍土區(qū)工程地質(zhì)特征[J].呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報(bào),2013(10):109-110.

[5] 楊永鵬,程?hào)|幸,伏慧霞.東北大興安嶺多年凍土區(qū)工程地質(zhì)特征及評(píng)價(jià)[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,16(5):659-660.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Research on Permafrost Engineering Geological Properties andFoundation Design Schemes in a Hydro Project Area

LIU Xiubao

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Changchun,Jilin130012)

In this paper,taking a hydro project in permafrost area as an example,based on the engineering geological investigation,the frozen soil tests and the ground temperature observation data,the distribution and the characteristics of the existing permafrost are studied. The frost heaving,the thawing settlement and thermal property of the permafrost are analyzed. Then,the main engineering geological problems of the study area are pointed out,and corresponding foundation design scheme are proposed.

hydro-junction ; permafrost; frost heaving ; thaw settlement; thermal property; geothermal observation; freezing damage; foundation design

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

劉秀寶(1983-),男,工程師,工程地質(zhì)專業(yè)，從事水利水電工程勘察工作。E-mail:liuxb1019@126.com

TU471.7

A

1671-1211(2016)03-0433-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.043

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1532.038.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:32