王保慶，曹俊強，歐釗元

（濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250101）

近年來，為解決山東城市供水、生態(tài)用水短缺問題，山東省陸續(xù)建設(shè)了一大批平原水庫調(diào)蓄工程。這些工程多坐落在黃河下游沖積平原區(qū)，由于初期對裂隙黏土認(rèn)識不足，地基土出現(xiàn)了滲漏和滲透變形、不均勻沉降、抗滑穩(wěn)定、次生鹽漬化等問題，直接影響了工程效益的正常發(fā)揮，甚至危及工程安全。

1 裂隙黏土的工程特性

裂隙黏土中的礦物就其晶格構(gòu)造形態(tài)及顆粒粗細(xì)程度，可分為粗礦物（碎屑礦物）與黏土礦物兩類。粗礦物多集中在0.1～0.01 mm 的粒徑中，一般裂隙黏土中粗礦物的含量很少，大于0.01 mm的粒徑成分含量小于5%～8%，且以石英為主，因此粗礦物的成分，對裂隙黏土的特性，不起關(guān)鍵作用；黏粒含量多在32%～56%之間，個別有高達(dá)65%以上者，黏土礦物是裂隙黏土的主要組成部分，也是影響裂隙黏土活性的最活躍的部分。根據(jù)資料分析，裂隙黏土的主要礦物成分為伊利石、伊利石～綠泥石混層礦物、高嶺石以及蛭石等，他們的親水性、吸附性和離子交換容量強弱，控制著裂隙黏土的工程特性。

20 世紀(jì)80 年代中期，有學(xué)者已注意到裂隙黏土裂隙發(fā)育問題，也逐漸了解裂隙對工程產(chǎn)生的極為有害的影響，認(rèn)識到了裂隙黏土并不是均質(zhì)和各向同性的連續(xù)介質(zhì)，不能用通常的理論和認(rèn)識去看待和解決裂隙黏土的工程地質(zhì)問題。大量的資料和實踐證明，裂隙的存在、發(fā)生、發(fā)展與裂隙黏土的地基穩(wěn)定關(guān)系極為密切。

據(jù)基坑開挖斷面資料統(tǒng)計分析，裂隙黏土的裂隙發(fā)育以垂直方向為主，一般平面上呈不規(guī)則的多邊形網(wǎng)狀發(fā)育，裂隙發(fā)育密度1～3 條/dm2，發(fā)育深度較淺，一般深20～40 cm，裂隙張開寬度0.3～5.0 cm。受當(dāng)時沉積環(huán)境影響，裂隙有的無充填、有的充填或半充填，充填物均為后期黃河泛濫攜帶的砂壤土、粉砂等。裂隙發(fā)育空間上的不均勻性、充填的緊密不一性，決定其明顯存在各向異性的特點，因此不同方向上的強度會有差異，作為建筑物地基會出現(xiàn)不均勻沉降變形、抗滑穩(wěn)定能力差、易產(chǎn)生震陷等工程地質(zhì)問題。

經(jīng)大量試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)裂隙黏土具有低容重、低抗剪強度、低承載力，高含水量、高液限、高壓縮性等工程特性，兼有分散土、膨脹土和軟弱黏性土的工程特征。其液性限度范圍值41.3%～55.6%，塑性指數(shù)范圍值19.8%～26.3%，屬于高塑性土；干容重值范圍值1.21～1.53 g/cm3，液性指數(shù)IL 范圍值0.28～0.98；具有較低的力學(xué)強度，三軸不固結(jié)不排水剪（UU）內(nèi)摩擦角范圍值3.5°～9.5°、凝聚力范圍值7.7～26.4 kPa，地基承載力范圍值80～110 kPa；壓縮系數(shù)a1～2范圍值0.38～0.65 MPa-1，壓縮模量Es1-2范圍值3.2～5.5 MPa，屬中等～高壓縮性土，標(biāo)貫擊數(shù)N 范圍值2～6 擊（地下水以下一般小于4 擊），根據(jù)有關(guān)規(guī)范提出的標(biāo)準(zhǔn)，其在飽水狀態(tài)下屬于軟弱黏性土的范疇。

2 工程危害實例

2.1 壩基滲透穩(wěn)定的危害

裂隙黏土中的裂隙呈網(wǎng)狀發(fā)育，裂隙發(fā)育寬度和充填情況縱向和橫向上變化大、不均一，透水性差別大。裂隙既具有儲水功能，同時又起到串通上下層水力聯(lián)系的功能。野外水文地質(zhì)試驗成果表明，裂隙較為發(fā)育者滲透系數(shù)可達(dá)0.22～17.3 m/d，屬中等透水性，透水性強度與中細(xì)砂、中粗砂相近；不發(fā)育者一般小于0.05 m/d，屬弱透水層，透水性強度與一般黏性土相近。裂隙黏土中的裂隙一般充填或半充填有砂壤土、粉土顆粒，很小的水頭就極易沿裂隙產(chǎn)生“沖蝕型管涌”滲透破壞，研究表明裂隙黏土在出口無保護條件下的允許比降值一般0.07～0.15。

1）SDZ 水庫。SDZ 水庫是在黃泛沖積平原較早修建的大型供水工程，1989 年9 月開工建設(shè)。水庫為平原圍堤式水庫，壩長8.93 km，水庫面積4.77 km2，設(shè)計最大蓄水深5.5 m，最大壩高7.5 m，總庫容3 120 萬m3。當(dāng)時缺乏對裂隙黏土的認(rèn)識，水庫截滲型式上游采用的預(yù)留50 m 天然鋪蓋，壩基采用黏土截滲齒槽。截滲齒槽是在壩軸線下游側(cè)平行壩軸線挖一條寬度1.5～2.0 m，深度0.3～0.5 m 齒槽（深度以深入裂隙黏土層0.10 m控制），槽內(nèi)回填透水性微弱的黏土層。

1991 年6 月水庫蓄水，歷史最高蓄水位22.65 m（設(shè)計蓄水位23.00 m）。1995 年3 月發(fā)現(xiàn)水庫南壩導(dǎo)滲溝和界溝內(nèi)有大量泉眼，并伴有渾水、砂沸和流土，而且滲漏量漸增，發(fā)展趨勢不斷加快，情況十分危急，有潰壩的可能。此時壩后出逸比降不超過0.10，按一般工程經(jīng)驗判斷，著實令人費解。隨后對管涌滲水位置進行了開挖，開挖發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)滲溝樁號2+350～2+800 段450 m 范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)338 個泉眼，在界溝內(nèi)2+650～2+800 段250 m 范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)117 個泉眼，一般管涌孔口直徑10 cm 左右，個別達(dá)70 cm。出現(xiàn)了滲流沿裂隙黏土中的裂隙流動過程中，先將裂隙中充填的粉土、砂壤土顆粒沖走，再不斷沖蝕裂隙周邊黏土碎片顆粒（裂隙黏土的分散性造成其抗沖蝕能力更差）現(xiàn)象，造成裂隙寬度不斷加大，滲透系數(shù)也在不斷增大，形成管孔狀集中滲水通道即沖蝕型管涌。

事后分析認(rèn)為，SDZ 水庫由于缺乏工程經(jīng)驗，把裂隙黏土視為一般性黏土，想當(dāng)然地認(rèn)為其為良好的相對隔水層，壩基截滲齒槽入裂隙黏土層0.10 m 作為截滲深度控制；錯誤地認(rèn)為裂隙黏土抗?jié)B穩(wěn)定能力和抗沖蝕能力應(yīng)該較強，壩后截滲溝邊坡亦未設(shè)鋪墊土工布反濾層。這些錯誤的工程處理方式是壩基產(chǎn)生滲漏和滲透破壞的主要原因。

根據(jù)SDZ 水庫工程裂隙黏土分布特點，設(shè)計對水庫南壩導(dǎo)滲溝和界溝出現(xiàn)滲透破壞段采用高噴截滲墻對壩基進行了截滲處理，截滲墻沿壩軸線布置，截滲帷幕插入相對隔水層1.0 m，孔距1.8 m，采用20°角擺噴，折線連接，分兩序隔孔施工。每孔噴射軸線與壩軸線夾角20°，折線夾角140°。每孔噴射完工后，在原孔進行靜壓灌漿，直到液面不再下沉為止。并重新對截滲溝內(nèi)坡做反濾層。施工中當(dāng)整個板墻帷幕形成后，翻砂冒水現(xiàn)象全部消失，壩基滲流處于穩(wěn)定狀態(tài)。1996 年處理后至今水庫一直運行良好。

2）QS 沉沙調(diào)渠。QS 沉沙條渠南側(cè)鄰近黃河，為有利于沉砂，平面形態(tài)上呈S 形，圍堤總長6.8 km，最大堤高7 m，上游段蓄水深度3 m 左右。沉沙工程擔(dān)負(fù)著年處理泥沙91 萬m3的任務(wù)。

受投資限制，并考慮條渠運用特點，條渠堤基未進行防滲處理。為減輕條渠運用對附近農(nóng)田、村莊的浸沒影響，圍堤外設(shè)有截滲溝，上游段截滲溝未進行襯砌處理。1999 年12 月13 日沉沙條渠正式投入使用，一開始蓄水截滲溝內(nèi)就滲水明顯，有冒氣泡現(xiàn)象。水位到3 m 深左右，上游壩段截滲溝內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的滲透變形，出現(xiàn)了數(shù)十處泉涌和沙沸現(xiàn)象，裂隙黏土碎片和粉砂顆粒沿管涌通道隨水流帶出，呈蟻窩狀，直徑3～12 cm，形成險情。建設(shè)單位立即停止蓄水，調(diào)運機械設(shè)備在堤前投放土袋、堤后填土壓重?fù)岆U，暫時緩解了險情。隨后，重新對截滲溝進行了滲流控制施工處理，鋪設(shè)砂礫石土工布反濾層，反濾層貼坡依次是土工布、8 cm 厚的細(xì)砂、8 cm 厚的粗砂及石子，表面為塊石平扣。目前條渠運行狀況良好。

以上兩工程的滲透破壞均與壩基淺部分布的裂隙黏土及夾層砂壤土、粉土有關(guān)。在水頭較小的情況下，初期沿裂隙黏土中的裂隙產(chǎn)生了沖蝕管涌型滲透破壞，最初將裂隙中充填的砂壤土、粉土隨水流帶走，隨后帶動其它土層的沖蝕破壞。

2.2 壩基穩(wěn)定的危害

裂隙黏土一般具有軟弱黏性土的特征。實踐表明，即便目前處于地下水位以上的裂隙黏土層尚處于可塑乃至硬塑狀態(tài)，一般經(jīng)受1～3 個月的浸泡后，含水量增大，土體飽和膨脹松軟，其強度明顯降低，仍最終表現(xiàn)出軟弱黏性土的特征，研究表明，裂隙黏土受水浸泡軟化后，抗剪強度可降低50%以上，標(biāo)貫擊數(shù)可降低2～3 擊。這是水利工程勘察設(shè)計者必須高度關(guān)注的問題。裂隙黏土較低的抗剪強度和高壓縮性的工程特征，可能存在壩基抗滑穩(wěn)定和不均勻沉降問題。

現(xiàn)以GDE 水庫為例，說明分析裂隙黏土引起的大壩滑動問題。GDE 水庫位于黃河三角洲地區(qū)，為平原圍堤式均質(zhì)碾壓式土壩，地面高程3.0 m 左右。水庫設(shè)計庫容1 120 萬m3，圍壩長6 258 m，最大壩高10 m，壩坡1∶2.5～1∶3.0。

1）大壩塌滑過程。GDE 水庫1993 年4 月開工興建，7 月7 日18 時許，南壩3+760～4+00（壩高最大壩段），壩長240 m 壩段，當(dāng)壩頂填筑至10.5 m 高程（壩高9 m）時，壩體出現(xiàn)明顯裂縫，18時55 分至19 時30 分壩體出現(xiàn)較大沉降。3+880～3+950 壩長70 m 壩體背水側(cè)發(fā)生滑坡，壩腳外近30 m 范圍內(nèi)地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。7 月8日下午壩體沉降、滑坡基本穩(wěn)定下來?；麦w后緣為一月牙形裂縫，寬度10 cm 多，滑坡體后緣頂面與臨水側(cè)沉降壩體頂面平均低落0.50 m，其中3+920 斷面最大高差0.85～1.00 m。戧臺沉降及滑坡累計，低于填筑高程0.41 m，壩后肩水平位移0.61 m，壩腳最大水平位移1.38 m。滑舌原地形為窯場取土水坑，滑坡發(fā)生后，坑底及附近地面向上隆起，池水后退，表面呈疊瓦狀，在坑塘中7 月7 日所插標(biāo)志，7 月8 日5 時向壩外方向傾倒。據(jù)施工人員回憶，壩體急劇沉降前半個月，事故壩段10～20 m 灘地，地面濕，有一層水膜，并有滲水排出。事故發(fā)生后水泡滲水現(xiàn)象持續(xù)10余天。

該壩段15 m 深度內(nèi)，地層分布情況如下：埋深0.0～5.1 m 為松散淺灰色砂壤土夾數(shù)層棕紅色軟塑～流塑狀裂隙黏土軟弱夾層，裂隙黏土厚度0.5～6 cm，局部30～40 cm；埋深5.1～8.3 m 為灰色流塑狀淤泥質(zhì)壤土；8.3～12.5 m 淺灰色砂壤土；12.5～15.0 m 淺灰～深灰色流塑狀淤泥質(zhì)壤土。

2）大壩塌滑原因分析。該段壩體塌滑主要有以下原因：

一是該段工程地質(zhì)條件差，存在引起淺部滑動軟弱夾層裂隙黏土和淤泥質(zhì)壤土層，上部壩基土的承載能力僅為70～100 kPa。裂隙黏土軟弱夾層干密度1.12g/cm3，飽和快剪強度凝聚力4.3 kPa，內(nèi)摩擦角4.8°，三軸固結(jié)不排水剪有效強度凝聚力5.0 kPa，內(nèi)摩擦角6.8°；下伏淤泥質(zhì)壤土略高于裂隙黏土抗剪強度，飽和快剪強度凝聚力6.0 kPa，內(nèi)摩擦角4.2°，三軸固結(jié)不排水剪總強度凝聚力15.0 kPa，內(nèi)摩擦角10.5°，有效強度黏聚力12.0 kPa，內(nèi)摩擦角12.5°。

二是該段地勢低洼，地下水埋深小于0.5 m，壩基土長期浸泡在水中軟化，強度降低。

三是施工排水措施不力，未建立施工排水系統(tǒng)，采用邊降水邊清基回填施工方式。未能有效降低施工區(qū)地下水位，壩基土始終處于飽和狀態(tài)。

四是壩體填筑速率過快，自4 月26 日至7月7 日壩高即填至9 m，最大月上壩速率達(dá)5 m，且壩高愈大，筑壩速率愈快，遠(yuǎn)超過一般軟土壩基筑壩速率每天10 cm 的限度。造成壩基土孔隙水壓力難以及時消散，壩基土的強度難以隨壩高的增加而提高。

五是壩體填筑質(zhì)量存在問題。在沉降段壩體抽取40 組原狀土樣，有8 組低于設(shè)計干密度要求，其平均值為1.52 g/cm3，最小值為1.48 g/cm3，合格率僅為80%；填筑土巖性混雜，壩體內(nèi)夾雜的裂隙黏土未經(jīng)任何處理，呈塊狀；土料中含有大量葦根，局部夾腐殖土。

滑坡發(fā)生后，在此壩段壩后壩基進行了槽探。槽探資料顯示，頂板高程1.79～1.94 m 存在裂隙黏土軟弱層。裂隙黏土上覆的砂壤土松散，以下砂壤土0.1～0.2 m 具大孔隙或蟲孔，孔洞呈水平排列，長軸扁平，在裂隙黏土不連續(xù)部位，孔洞厚度增加。該現(xiàn)象說明，砂壤土在壩體自重作用下，壓縮固結(jié)排水，而此時裂隙黏土層局部起隔水作用，致使缺失裂隙黏土部位集中排水；裂隙黏土底部孔隙水壓力增大，自身飽水軟化，形成軟弱結(jié)構(gòu)面。

3 結(jié) 語

裂隙黏土的礦物成分、顆粒組成，以及特有的裂隙構(gòu)造，使其具較多的區(qū)別于一般黏土的工程特性，且因與水的相互作用，使其潛在著復(fù)雜多樣化的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)特性，比如較強的透水性和較低的抗?jié)B穩(wěn)定能力，同時兼有分散土、膨脹土和軟弱黏性土的特征。這些特性給水利工程帶來較大的危害。隨著在黃河下游沖積平原地區(qū)大量建設(shè)水利工程項目，水利工程師們已經(jīng)基本摸清了裂隙黏土存在的主要工程地質(zhì)問題，在解決地基土抗?jié)B穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、不均勻沉降等方面都有了較成熟且有針對性的工程處理措施。