于 為, 李 輝, 陳厚軍

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830002)

伊犁大吉爾尕朗水電站濕陷性黃土工程特性研究

于 為, 李 輝, 陳厚軍

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830002)

通過對某引水式電站引水渠道及前池地基黃土的物理性質(zhì)及濕陷性研究，對物理參數(shù)和濕陷性相關(guān)性進(jìn)行分析，總結(jié)新疆巨厚黃土的工程特性，通過現(xiàn)場地基處理施工的檢驗結(jié)果，對新疆巨厚自重濕陷性黃土處理方法進(jìn)行探討。

黃土;工程特性;濕陷性

新疆區(qū)內(nèi)黃土層主要分布在天山北坡、準(zhǔn)噶爾西部、伊犁、塔城等地,早在上個世紀(jì)中葉,新疆地震局馮先岳通過研究[1]認(rèn)為,新疆黃土的時代為晚更新世,其顆粒成分、化學(xué)成分及礦物成分均與馬蘭黃土相當(dāng),該時代劃分沿用至今。新疆天山褶皺系伊犁地塊內(nèi)中、新生代以來為內(nèi)陸山間坳陷陸相沉積,新構(gòu)造運動特征主要表現(xiàn)為斷塊之間差異性的升降運動。第四紀(jì)以來區(qū)域內(nèi)較發(fā)育的水系沿河兩岸形成了階地地貌,晚更新世干熱氣候環(huán)境下在階地頂面風(fēng)積堆積了厚度70 m左右的黃土層,全新世以來在流水搬運作用下形成了年代更新的次生黃土層。在建的引水式電站位于伊犁特克斯河支流大吉爾尕朗河右岸,引水工程順階地前緣穿越大厚度黃土層,筆者以大吉爾尕朗河谷階地上堆積的上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土為例,對黃土勘探及試驗,系統(tǒng)測試分析黃土的工程地質(zhì)特性,為濕陷性黃土處理提供依據(jù)。

1 工程概況

某引水式電站工程為中型,裝機容量66 MW,設(shè)計發(fā)電流量55.42 m3/s,設(shè)計發(fā)電水頭138.48 m;電站引水渠線長約11 km,沿大吉爾尕朗河右岸階地自東向西延伸,其中K7+800～K10+874位于大厚度的濕陷性黃土層內(nèi);廠址區(qū)位于大吉爾尕朗河右岸,其中前池位于Ⅳ級階地的頂部,基礎(chǔ)下為大厚度濕陷性黃土。

2 黃土基本地質(zhì)條件

2.1 黃土的分布特征

大吉爾尕朗河河谷近東西走向,兩岸共發(fā)育Ⅰ-Ⅵ級階地,階面整體地形平坦開闊,地勢東高西低,黃土細(xì)分為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土及全新統(tǒng)坡洪積次生黃土,上更新統(tǒng)風(fēng)積原生黃土主要分布在Ⅳ、Ⅴ級階地的頂部,厚度30～70 m,自上游往下游厚度逐漸減小;全新統(tǒng)坡洪積次生黃土主要分布在沖溝溝口及Ⅳ、Ⅴ級階地前緣斜坡的坡腳,主要為上更新統(tǒng)原生黃土在外力作用下發(fā)生二次搬運形成,厚度5～10 m。

2.2 勘探取樣

大吉爾尕朗河河谷兩岸階地頂部的黃土由于厚度較大,采用豎井開挖進(jìn)行人工取樣,勘探深度最大僅20 m,施工時存在缺氧問題;采用鉆探手段進(jìn)行孔內(nèi)取樣,樣品受擾動,很難滿足試驗要求。在此項目前期勘察工作中,在階地的前緣斜坡不同高程開挖平硐,并在平硐內(nèi)進(jìn)行豎井開挖取樣,既保證了安全又獲取了合格的原狀試驗樣品,試驗成果為深部黃土處理方案的制定提供了可靠的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.3 黃土的粒度組成

通過對上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土室內(nèi)顆粒分析成果進(jìn)行統(tǒng)計,粒組0.075～2 mm顆粒含量2.0%～14.4%,平均值4.7%;0.005～0.075 mm顆粒含量75.5%～93.6%,平均值84.2%;<0.005 mm顆粒含量2.8%～21.8%,平均值11.1%;不均勻系數(shù)3.5～24,曲率系數(shù)0.9～4.1,液限25.2%～27.8%,塑限15.5%～18.5%,室內(nèi)試驗定名低液限粉土。整體來看,上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土不同深度內(nèi)無明顯的分層,主要由粉粒組成,與中國西北其他地區(qū)相比,粉粒含量偏大,粘粒含量偏小。

3 黃土的工程地質(zhì)特征

3.1 物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果

根據(jù)上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗統(tǒng)計成果(見表1),工程區(qū)黃土的物理力學(xué)特性主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1) 含水量較低,自地表隨深度增加含水量的變化差異較小,天然密度自地表隨深度增加有變大的趨勢,土體的孔隙比隨深度增加有減小的趨勢,與濕陷程度具較強的相關(guān)性。

(2) 壓縮特性與黃土結(jié)構(gòu)相關(guān),土體原始基本單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞時,屬中—低壓縮性土;當(dāng)含水量增大發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞后,屬高壓縮性土。

(3) 工程區(qū)內(nèi)黃土粒組較均一,含鹽量相當(dāng),礦物成分基本相同,抗剪強度主要取決于土的含水量及密實程度。飽和黃土抗剪強度較天然狀態(tài)下抗剪強度中粘聚力下降約1/2,內(nèi)摩擦角下降約1/5。

表)風(fēng)積黃土層物理力學(xué)試驗成果匯總表

3.2 黃土濕陷性特征

黃土多呈灰黃色,多孔隙,土層均一,無層理,見含大小不一的蝸牛殼,白色物多呈星點狀分布,柱狀節(jié)理在局部探坑7～10 m深度中可見,但并不普遍,自階面算起埋深30 m以下土體內(nèi)含姜結(jié)石,分布不均,局部密集。

Ⅳ級階地黃土段引水渠道(K9+300)黃土分布高程1 226～1 187 m,總厚度39 m,其中高程1 226～1 204 m黃土具中等—強烈濕陷性,濕陷起始壓力65～110 kPa;1 204 m以下為輕微—非濕陷性土,濕陷起始壓力185～295 kPa。引水渠道(K10+500)黃土分布高程1 226～1 175 m,總厚度51 m,勘探深度至高程1 190 m,其中高程1 226～1 201 m黃土具中等—強烈濕陷性,濕陷起始壓力52～123 kPa;1 201～1 190為輕微濕陷性土,濕陷起始壓力98～172 kPa。

前池黃土的分布高程在1 214～1 170 m,總厚度44 m,其中高程1 214～1 192 m范圍內(nèi)22 m黃土具中等—強烈濕陷性,濕陷起始壓力50～125 kPa;1 192～1 185 m范圍內(nèi)7 m厚黃土具輕微濕陷,濕陷起始壓力125～200 kPa;1 185～1 170 m為非濕陷性土。

Ⅳ級階地黃土場地建基面以下屬自重濕陷性場地,濕陷等級為Ⅱ(中等)—Ⅲ(嚴(yán)重)。

3.3 滲透特性

3.4 物理參數(shù)與濕陷相關(guān)性分析

建立濕陷性黃土的物理指標(biāo)與濕陷性之間的相關(guān)性,從而通過容易測定的物理性質(zhì)估測其濕陷特征,以供工程應(yīng)用參考。

對大吉爾尕朗河階地上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土275組物理性質(zhì)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行變異性分析:土的物理指標(biāo)中,比重的變異系數(shù)最小,顆粒組成及液、塑限變異系數(shù)較小,說明土體物質(zhì)組成比較均勻,含水量變異系數(shù)最小,孔隙比、干密度變異系數(shù)相對較大。

對土體通過散點圖分析(圖1),天然狀態(tài)下干密度>1.4 g/cm3,為非濕陷性土;干密度<1.4 g/cm3,為濕陷性土;干密度與濕陷程度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖1 黃土濕陷系數(shù)與干密度散點圖Fig.1 Scatter diagram of loess collapsibility and dry density

4 濕陷性黃土工程處理方法探討

濕陷性黃土作為一種特殊性土,其最顯著的特征為在一定條件下具有結(jié)構(gòu)性,在保持其特有的結(jié)構(gòu)時具有較高的強度,同時其又屬于欠壓密土,這種特有的結(jié)構(gòu)特征造成其在低含水量時先期固結(jié)壓力過高,使得超固結(jié)比(OCR)常>1,一般可達(dá)2～3。但遇水結(jié)構(gòu)遭到破壞時發(fā)生濕陷變形,抗剪強度及承載能力均顯著下降,不能滿足建筑物基礎(chǔ)的要求。通常水利工程為臨水工程,在避無可避的工況下,需要研究既能保證工程安全又不失經(jīng)濟性的處理方法,過往的工程經(jīng)驗中有“防”和“治”兩種思路,“防”即采取兩種以上防滲處理措施避免建筑物基礎(chǔ)以下土體發(fā)生滲漏,防止產(chǎn)生濕陷,但在施工質(zhì)量不能很好保證的前提下,“防”不能做到萬無一失,一旦有滲漏,安全隱患依然存在;“治”即采取工程措施,消除或部分消除黃土的濕陷性,即便發(fā)生浸水事件,危害也可以承受。

“防”的優(yōu)點在于經(jīng)濟易行。在本次引水電站建設(shè)的前期勘察設(shè)計階段,針對前池的基礎(chǔ),曾提出自上而下兩布一膜+灰土墊層+強夯的處理方法,兩布一膜和灰土墊層均可發(fā)揮防滲作用,灰土墊層對增加基礎(chǔ)土體承載能力也有作用,另外強夯在消除部分深度內(nèi)黃土濕陷性的同時,其影響范圍內(nèi)黃土的透水性也由中等透水變化為弱—微透水層,這樣即便兩布一膜和灰土發(fā)生滲流,能透過非濕陷土體進(jìn)入下部濕陷土體的水量也不足以破壞下部黃土所特有的結(jié)構(gòu)性,從而發(fā)生工程風(fēng)險。這種前池基礎(chǔ)處理方案最終沒有被采納的原因主要有兩點:①前池位于Ⅳ級階地的前緣,距廠房高差120 m,在不利工況下發(fā)生破壞,影響工程運行的同時危及廠房及壓力管坡;②因前池基礎(chǔ)下部的濕陷性黃土厚度16 m,上部9 m為中等—強烈濕陷性土,下部7 m為微濕陷性土,工程長期運行時存在土體發(fā)生濕陷變形的可能性。最終本工程前池基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,樁端持力層為卵礫石層。另外在鉆孔灌注樁施工前,對場地進(jìn)行強夯處理,消除了部分黃土層的濕陷性,樁側(cè)阻力也得到了加強。

“治”的優(yōu)點在于消除黃土的濕陷性,排除工程隱患,缺點是施工周期長,與“防”的措施相比經(jīng)濟并不占優(yōu)。目前,關(guān)于消除黃土的濕陷性,其主要的工程措施有浸水法及強夯。浸水法因黃土屬于弱透水層,工程實踐表明浸水影響深度較小、耗時且處理效果并不理想,也有采取等距的鉆孔穿透濕陷土層,在孔內(nèi)注水,讓黃土飽和,在自重壓力下沉降穩(wěn)定的做法,該方法施工周期長、工序繁瑣,目前采用也較少;用“強夯法”消除黃土的濕陷性是比較普遍的一種處理方式,強夯方案制定過程中處理深度的確定(用多大的夯能既可以消除濕陷性又經(jīng)濟)是采用強夯處理的重點。

本工程采用“強夯”對引水渠道及前池的濕陷性黃土進(jìn)行處理,分別采用夯擊能8 000 kN·m和7 000 kN·m,夯點間距6 m,呈正三角形布置,進(jìn)行兩遍點夯,一遍滿夯,擬處理深度8 m。通過對夯前及夯后土體物理性質(zhì)進(jìn)行對比分析,采用7 000～8 000 kN·m的夯能對土體進(jìn)行夯實后,土體的壓密程度隨深度增加逐漸減小,從土體孔隙比來看,自起夯面6 m深度內(nèi)孔隙變小幅度較大,減小15%～27%;采用8 000 kN·m和7 000 kN·m基本沒有差異。從濕陷系數(shù)對比,強夯后土體濕陷程度隨孔隙減小而變小,整體也是6 m范圍內(nèi)處理效果明顯,下部土體不能完全消除其濕陷性,有效深度較GB50025—2004[2]中偏小。從滲透系數(shù)對比,夯后土體透水性變小。

對于含水量較低的濕陷性黃土,因其特有的結(jié)構(gòu)性,加大夯能后,土體側(cè)向擠出在起夯面發(fā)生隆起的現(xiàn)象可能變得顯著,垂直方向上的土體壓密效果變化不大,有效處理深度可能不會增大。

5 結(jié)語

(1) 工程區(qū)范圍階地頂部總厚度50 m左右的原生黃土,其濕陷深度在30 m左右,上部20 m為中等—強烈濕陷,下部10 m為輕微濕陷,底部的原生黃土不具濕陷性。新疆伊犁盆地周邊黃土成生的條件相近,本工程分布規(guī)律具有一定的代表性。

(2) 黃土濕陷性與物理指標(biāo)之間具有較好的相關(guān)性,用物理指標(biāo)對黃土的濕陷性進(jìn)行預(yù)測,對工程應(yīng)用和地區(qū)經(jīng)驗的建立具有實際意義。

(3) 濕陷性黃土的處理宜“防治結(jié)合”,經(jīng)濟與安全統(tǒng)籌兼顧,勘探試驗工作的數(shù)量和質(zhì)量是制定科學(xué)合理處理方案的基礎(chǔ)。

(4) 濕陷性黃土天然狀態(tài)下含水量大幅低于最優(yōu)含水率,且由于黃土具有的特殊結(jié)構(gòu)性,采用“強夯”進(jìn)行處理未必是夯能越大影響深度越大。

[1] 新疆地質(zhì)學(xué)會.新疆第四紀(jì)地質(zhì)及冰川地質(zhì)論文選集[C].烏魯木齊:新疆人民出版社,1983.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范:GB50025—2004[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Study on Engineering Characteristics of Collapsible Loess inErgalang Hydropower Station,Ili

YU Wei, LI Hui, CHEN Houjun

(Planning,DesignandResearchInstituteofXinjiangProductionandConstructionCorps,Urumuqi,Xinjiang832000)

Through the study of physical characteristics and collapsibility of diversion channel of diversion power station and forebay foundation loess,the paper analyses the correlation between physical parameters and collapsibility,summarizes engineering characteristics of thick loess.Through test results of foundation treatment,treatment methods of self-weight collapse loess are discussed.

loess; engineering properties; collapsibility

2016-04-22;改回日期:2016-06-01

于為(1974-),男,高級工程師,礦產(chǎn)地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:392339446@qq.com

P642.13+1

A

1671-1211(2016)03-0442-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.045

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.004.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31