禹門口輸水工程濕陷性黃土地質特征分析及處理

王瑞民

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

禹門口提水東擴工程區位于濕陷性黃土工程地質分區的山西—冀北地區IV1亞區北部，即黃土分布區東北部邊緣地帶。工程有66 km長的輸水地段通過濕陷性黃土地區。濕陷性黃土地基的工程地質特征研究是工程建設的基礎，查明濕陷性黃土的厚度及其分布變化規律，確定濕陷性黃土的濕陷類型和地基的濕陷等級，按工程建設的特征需求，對地基進行處理十分必要。

1 工程地質特性

1.1 地貌特征

工程區地處臨汾盆地中部，海拔300～700 m，最高1 200 m。主要分為基巖山區、山前傾斜平原區、洪沖積平原區三個地貌單元。

1.2 地層巖性特征

工程區濕陷性黃土層是更新世以來形成的。地貌特征決定了工程區黃土或黃土狀土成因是以洪積、洪沖積為主。洪積、洪沖積成因黃土或黃土狀土，分選性差，成份復雜，結構疏松，土質不均，有不規則層理，局部與砂層、礫石層透鏡體交互成層，沉積環境決定了黃土層在空間上的不均一性，橫向連續性差，縱向厚度變化大，濕陷性不均一，含有鈣質結核，堆積厚度變化大，濕陷性大。

洪積、洪沖積成因黃土或黃土狀土層以第四系全新統洪沖積（Q4pal）、上更新統洪沖積（Q3pal）、中更新統洪積（Q2pl）堆積物為主，巖性為淡黃、淺紅色低液限粉土、低液限黏土，間夾級配不良砂、級配不良礫、卵石混合土層或透鏡體，濕陷性土層厚度隨地貌單元變化而不同，一般厚度為3.0～18.0 m。

1.3 黃土的物理力學特征

與輸水線路工程地基有關的主要是第四系上更新統沖洪積（Q3pal）、中更新統洪積（Q2pl），通過對500多組土樣試驗資料按深度取平均值進行統計分析可知，埋深越大，土體越密實，土體強度越高，濕陷性越弱。

2 濕陷性

2.1 原因分析

影響黃土濕陷性的因素可歸結為內因和外因兩個方面。內因主要包括土本身的顆粒組成、礦物成分、化學成分、結構特征及含水率，孔隙是產生濕陷的必要條件；外因則主要是水和壓力的作用，黃土狀土的濕陷與否、濕陷量大小與其所受的有效應力之間存在密切關系，不同時代的土在飽和狀態下的結構強度不同。

2.2 土的可溶鹽

黃土中可溶鹽溶解是濕陷產生的充分條件。資料表明，可溶鹽含量并無太大差異，而土的濕陷性強弱程度卻不同，說明可溶鹽的賦存狀態是影響濕陷性的主要因素。在地理位置較高地帶，黃土層較厚，地下水位埋深大，可溶鹽類以固態薄膜狀、鑲嵌狀形式為主，對土粒的膠結作用差，故濕陷性強；在地理位置較低地帶，黃土層厚度薄，地下水位埋深淺，受灌溉等人為因素影響，淋濾作用強，可溶鹽類多呈離子形式存在于土粒間，對土粒的結合力作用強，故濕陷性弱。

3 黃土濕陷性評價

3.1 濕陷性評價

按照《濕陷性黃土地區建筑規范》計算自重濕陷量Δzs和濕陷量Δs。Δzs應自天然地面（當挖、填方的厚度和面積較大時，應自設計地面）算起，向下至非濕陷性黃土層的頂面止，其中自重濕陷系數δzs小于0.015的土層不累計。Δs的計算深度應自設計地基基礎底面（如基底標高不確定時，自地面下1.5 m）算起，在非自重濕陷性黃土場地，累計至基底下10 m（或地基壓縮層）深度止；在自重濕陷性黃土場地，累計至非濕陷性黃土層的頂面止，其中濕陷系數δs（10 m以下為δzs）小于0.015的土層不累計。

針對工程特點，考慮到管道有一定的埋深，管溝開挖深度和寬度較大，對場地的濕陷性黃土評價將按以下要求進行。

濕陷性黃土場地的評價是對各豎井分別按自天然地面算起計算場地自重濕陷量，自天然地面算起計算場地濕陷量，根據計算的場地自重濕陷量及場地濕陷量，判定濕陷性黃土場地的濕陷類型及濕陷等級。

濕陷性黃土地基的評價是對各豎井分別按自設計開挖基礎面算起（自天然地面下3.0 m）計算地基自重濕陷量及地基濕陷量，根據計算的地基自重濕陷量及地基濕陷量，判定濕陷性黃土地基的濕陷類型及濕陷等級。

據計算的自重濕陷量Δzs和濕陷量Δs，判定場地的濕陷類型及地基濕陷等級。

經計算，輸水線路場地自重濕陷量為45.6～655.0 mm，場地濕陷量為 72.0～1457.0 mm，屬（非）自重Ⅰ級（輕微）～IV（很嚴重）濕陷性場地；地基自重濕陷量為 43.2～768.0 mm，濕陷量為 57.0～908.0 mm，屬（非）自重Ⅰ級（輕微）～IV（很嚴重）濕陷性地基；揭露濕陷土層深度為11.0 m，濕陷土層下限深度約16.0 m，基礎以下濕陷土層厚約11.0～12.0 m。其中非自重Ⅰ級（輕微）占16.7%，自重II級（中等）占42.1%，自重III級（嚴重）占34.1%，自重IV級（很嚴重）占7.1%。

3.2 地基強度評價

對工程建設場地評價，必須考慮濕陷性黃土場地的濕陷類型和地基的濕陷等級，特別是對濕陷起始壓力的分析，通過計算分析不同建筑物基礎的實際荷載應力情況，當實際荷載應力大于地基土的濕陷起始壓力，如有滲漏水將會發生濕陷變形，產生不均勻沉陷，破壞建筑物穩定。不同地段濕陷程度及地基沉降變形量的不同，設計時應根據場地的濕陷類型、地基的濕陷等級和場基土的濕陷起始壓力來考慮對地基土層的加固處理措施，以滿足工程建筑的技術要求。

3.3 地基性質變化預測

工程區為干旱、半干旱季風氣候，冬春季節風大雨少，地基土層含水率較低，夏秋季節雨水充沛，工程建筑物地基土必然受到水的浸潤，引起地基土層的含水率變化，濕陷性黃土地基性能也將會發生顯著改變。實踐證明，由于不均勻滲水，不僅會產生不同程度的沉降變形，而且還可能造成地基局部失穩破壞。強調預測工作就是要充分認識到水是濕陷性黃土地基最不利的因素，應對地基采取必要的防滲措施。對輸水管道地基、過溝建筑物地基及邊坡濕陷穩定問題，在設計施工中應加以重視，按相關規定要求進行地基工程處理。

4 濕陷性黃土地基工程處理措施

濕陷性黃土地基工程處理措施應根據其特點和工程要求，因地制宜采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷，保證建筑物的安全和正常運行。在對濕陷性黃土地基不處理或部分消除地基濕陷量的情況下，應采取防水措施和結構措施。

濕陷性黃土地基處理方法很多。如墊層法、擠密法、夯實法、樁基法、預浸水法、單液硅化法和堿液加固法等。工程實踐證明，夯實（強夯）法、擠密法、樁基法等方法，處理濕陷性黃土地基效果好，地基濕陷性處理可靠，一方面能提高地基承載能力，另一方面消除濕陷深度大，可處理濕陷性土層厚度3～15 m。但考慮到輸水管道線路長，基坑開挖深度達3～5 m，寬度約3～5 m，施工場地局限性大，且地面震動大，困難多，工期長，一般情況下不采用。

從地基變形特點及工程要求來看，適宜選擇消除地基部分濕陷量結合防水措施與結構措施相結合的方法。為彌補地基處理的不足，防止建筑物變形破壞，需加強防水措施，必要時采取結構措施。

根據工程特點，采用的PCCP管道是一種安全性能很高的管道，在管道制作和安裝質量保證的前提下可以做到不漏水，按丙類建筑物考慮。由于線路基礎開挖深度多在3 m以上，濕陷量較大的土層已被挖除。對不同級別濕陷性黃土地基擬定以下設計措施：

對所有濕陷性地基采取結構及基本防水措施，管床開挖后，在其上填（夯）筑30～50 cm厚的3:7灰土墊層，然后再鋪筑碎石或粗砂管床。灰土墊層的厚度對于自重濕陷性場地為50 cm，對于非自重濕陷性場地為30 cm。

對嚴重（或很嚴重）濕陷性黃土地基，除進行灰土墊層處理外，還應對基礎面以下濕陷性土層進行夯實（重夯）處理。

管基處理要考慮濕陷起始壓力，若管基上覆荷載與填土飽和自重壓力之和小于濕陷起始壓力，可不予處理。