關于某水電站黃土濕陷性試驗研究

李文濤

（新疆水利水電勘測設計研究院試驗研究所 新疆 昌吉 831100）

1 前言

某渠道通水后，局部渠段發生面板沉降和漏水現象。為查明原因，防止類似事件再次發生或對渠道安全運行造成影響，對渠道濕陷性黃土渠段及類似地質條件的渠道進行重點現場調查復核。

本次試驗針對該工程的濕陷性黃土，沿深度方向對物理、力學性質的變化規律進行研究，并對黃土地基濕陷變形做出評價。

2 黃土基本性質

2.1 顆粒組成及分類

該工程在引水渠線基礎細粒土層17個探坑內，用刻槽法取擾動樣17組，進行了顆粒分析、比重、液限、塑限等物理性試驗。該黃土顆粒粒徑組成主要以粉粒為主，占61.0%～89.5%，粘粒含量為9.0%～21.0%，膠粒含量占5.0%～11.5%。液限為25.8%～27.7%，塑限為16.0%～17.4%，塑性指數在9.3%～11.2%之間。根據《土工試驗規程》（SL237-1999）的規定，按塑性圖分類分別定名為低液限黏土（CL）、低液限粉土（ML）（見表 1）。

2.2 主要化學成分

該工程黃土主要化學成分是SiO2（60.0%～70.0%）、Al2O3（5.5%～7.0%）、Fe2O3（7.0%～9.3%）。黃土的可溶性鹽包括易溶鹽（氯化物鹽類及硫酸鹽）、中溶鹽（石膏CaSO4）和難溶鹽（石灰質CaCO3），易溶鹽類是以硫酸鹽為主，易溶鹽陰離子以SO42-、CL-為主，陽離子以Na+、Ca2+為主。

當水浸入黃土中，使膠結土粒的凝膠變為溶膠部分時，易溶鹽被溶解帶走，黃土骨架顆粒發生位移，形成粒狀架空接觸或半膠結形式，使結合水膜加厚，膠結連接部分被削弱破壞，形成松散的結構形式，因此該段黃土易產生濕陷性變形。

表1 黃土顆粒粒徑組成

2.3 孔隙比

孔隙比是反應黃土的壓縮性、濕陷性力學性質及工程特性的重要指標，一般黃土的孔隙比的大小與上覆土層自重壓力有關。根據試驗資料（見表3）按照《濕陷性黃土地區建筑規范》中“孔隙比為1或以上為強濕陷性黃土，孔隙比小于0.85的黃土一般不具備濕陷性”判定標準，可初步確定該渠線黃土具有濕陷性。

2.4 滲透性

該水電站渠線段黃土滲透系數k20=8.0×10-6cm/s～8.5×10-4cm/s（代表垂直方向的滲透系數），根據《水利水電工程地質勘察規范》GB50287-99巖土滲透性分級規定，可定為中等透水層。由于該段黃土垂直節理發育，并具有大孔隙性，故其透水性要大得多，也是誘發黃土濕陷性的主要因素之一。

2.5 壓縮性

土的壓縮性是指土在荷重作用下，體積壓縮變小的性能，與黃土的孔隙比及特性有關。通常用土的壓縮系數av（MPa-1）和壓縮模量Es（MPa）表示土的壓縮性指標。判定標準如下：av1～3＜0.1MPa-1、Es＞15MPa 時為低壓縮性土，9.52，平均值為 8.99，呈堿性；遇水av1～3是壓力為 100kPa～300kPa時的壓縮系數（MPa-1），下同；0.1MPa-1≤av1～3＜1.0MPa-1、5MPa＜av1～3≤15MPa時為中等壓縮性土；av1～3≥1.0MPa-1、Es≤5MPa 時為高壓縮性土。濕陷性黃土含水量增大，其濕陷性降低而壓縮性增高。當達到飽和后，在荷載作用下土的濕陷性退化而全部轉化為壓縮性。黃土在一定壓力下，浸水后結構迅速破壞而產生顯著附加沉陷變形。由表5可知，在浸水飽和狀態下，該水電站渠線黃土壓縮系 數 av=0.095MPa-1～0.540MPa-1、Es=2.31MPa-1～15.14MPa-1，均屬中等壓縮性黃土，主要原因是黃土在浸水后產生較大的濕陷變形。

表2 黃土化學分析統計表

表3 黃土孔隙比統計表

表4 黃土的滲透性指標

表5 黃土的壓縮性

圖1 黃土濕陷系數與埋深關系曲線圖

3 黃土濕陷變形特征

渠道黃土其厚度一般在距地表0～11m，分不同位置和深度對17個探坑共采取了50組原狀樣。深度由淺到深，黃土濕陷性試驗采用單線法（50kPa、100kPa、200 kPa、300kPa、400kPa壓力下） 測試黃土的濕陷系數δs值及濕陷起始壓力Psh。黃土原狀樣均取自探坑，取樣間距一般按1m控制，5.0m后按2m間距取樣，原狀黃土樣在各級壓力下的濕陷系數匯總見表6。

濕陷性黃土的濕陷程度，可依據GB50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》中濕陷系數δs值判斷，分為下列三種：①當0.015≤δs≤0.03時濕陷性輕微；②當0.03＜δs≤0.07時濕陷性中等；③當δs≥0.07時濕陷性強烈。采用200kPa壓力下的濕陷系數δs=0.015進行黃土濕陷性判別，黃土在0～8m深度內，濕陷系數一般為0.020～0.055，最大達0.109，屬輕微～中等濕陷性。

表6 不同深度下黃土室內濕陷試驗成果匯總表

由此判斷5m以下黃土具有輕微濕陷性。該工程黃土在50kPa、100kPa及200kPa壓力下黃土濕陷系數與埋深的大致關系見圖1（黃土濕陷系數與埋深關系曲線圖）。該工程區渠道沿線黃土濕陷性在8m深度范圍內均具有濕陷性，并有隨埋深增加有減小的規律，并且隨著壓力的增大，濕陷性隨之增強。

4 結論

⑴濕陷變形是在充分浸水飽和情況下產生的，它的大小除了與土體本身密度和結構有關外，主要取決于土的初始含水量和浸水飽和時的作用壓力。

⑵根據《土工試驗規程》（SL237-1999）的規定，按塑性圖分類為低液限粉土（ML），該工程區沿線黃土顆粒組成基本相似，并具有多種孔隙類型，滲透系數在8.0×10-6cm/s～8.5×10-4cm/s之間，屬中等透水地層。

⑶該工程區沿線黃土具有典型黃土特征，主要表現在大孔隙性，以粉粒為主；含有大量鹽類（主要為硫酸鹽），pH值一般在8.20～9.52，平均值為8.99，呈堿性；遇水易溶解帶出形成松散的結構形式，易產生濕陷沉降變形。由于黃土受地形、地貌及成因的影響，其內部有微少裂隙及結構面，使黃土成為不連續的均勻介質，削弱了黃土結構強度，同時裂隙的存在往往成為地表水和地下水的滲流通道，使黃土地基浸水、飽和、降低其強度，并有可能在較高水頭作用下，發生潛勢流土。

⑷該工程區管線和渠道沿線黃土在8m深度范圍內均具有濕陷性，并有隨埋深增加濕陷性減小的規律，并且隨著壓力的增大，濕陷性隨之增強，由此判斷8m以下黃土不排除也具有一定的濕陷性。

本次試驗對黃土濕陷性的研究也只是表面膚淺的認識，今后還需進一步從黃土成因、分布特性、微晶結構、礦物成分以及黃土原位載荷（浸水）試驗著手進行深入研究。充分認識黃土濕陷變形對建筑物的危害性，為今后更好地解決該地區在建項目工程地質問題提供借鑒。陜西水利

[1]GB50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》[S].

[2]工程地質手冊（第四版）[M].中國建筑工業出版社.2007,2.

[3]王永焱,林在貫等．中國黃土的結構特征及物理力學性質[M]．科學出版社.1990.