深厚濕陷性黃土地基注入式水庫設(shè)計探討

程彥文

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000)

1 工程概況

蘭州新區(qū)趙家鋪水庫工程位于蘭州新區(qū)緯一路以南，南繞城快速路以北，經(jīng)二十四路以東。工程區(qū)西距中川機(jī)場約7 km，南距蘭州市區(qū)約65 km，東南距皋蘭縣城約25 km。根據(jù)蘭州新區(qū)總體規(guī)劃，該區(qū)域為蘭州新區(qū)區(qū)域中心服務(wù)組團(tuán)發(fā)展區(qū)，工程所在地大部分區(qū)域已經(jīng)完成土地平整，交通條件便利。本工程建設(shè)的主要任務(wù)是通過工程的建設(shè)實施，以達(dá)到收集利用蘭州新區(qū)中通道雨水一期工程服務(wù)范圍輸送的雨水，并承接部分中水資源，為新區(qū)中、東部1.79萬畝荒山綠化灌溉提供水源，提高蘭州新區(qū)非常規(guī)水資源的利用效率和效益。

本工程為Ⅳ等小(一)型工程，主要由引水工程(包括引水閘、引水暗渠等)和水庫工程(包括圍壩、水庫進(jìn)水口、供水和放空管等)兩部分組成，水庫總庫容為115萬m3，調(diào)節(jié)庫容為105萬m3，采用全庫盆鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲。

2 濕陷性黃土地質(zhì)條件及處理措施

2.1 地質(zhì)條件

本工程地處蘭州新區(qū)秦王川盆地東南側(cè)的黃土低中山丘陵區(qū)，出露的地層屬第四系不同成因的松散堆(沉)積物，主要為馬蘭黃土及洪積黃土狀土。工程區(qū)大地構(gòu)造上位于祁連褶皺系中祁連隆起帶的東段，構(gòu)造單元屬永登～河口新生代凹陷帶東側(cè)的次級構(gòu)造單元—中川隱伏基底隆起帶。由于蘭州新區(qū)城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，庫址區(qū)目前基本已完成土地平整，場地較平坦開闊，地面高程為1920 m～1935 m。庫址區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性斷裂通過，地下水埋深大于40 m，對本工程無影響。工程區(qū)內(nèi)物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，未見滑坡、泥石流、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。場地表層為人工堆積素填土，結(jié)構(gòu)松散～稍密，厚度0.5 m～25 m不等；下部在原溝道部位為plQ41黃土狀土，稍濕，土質(zhì)均一，結(jié)構(gòu)稍密～中密，厚10 m～15 m。在原山體地帶為plQ31洪積黃土狀土，結(jié)構(gòu)中密，厚度大于15 m，局部還殘留有eolQ32馬蘭黃土，結(jié)構(gòu)稍密～中密，厚度3 m～10 m；底部為plQ31洪積砂礫碎石，青灰色，級配不良，泥質(zhì)含量高，局部夾有中細(xì)砂及粉質(zhì)粘土透鏡體，結(jié)構(gòu)密實，厚度3 m～5 m。下伏新近系中新統(tǒng)含礫砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖。

構(gòu)成水庫地基的土層主要為人工堆積(Q4S)素填土和洪積(plQ31)黃土狀土。根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗，其成果如下：

(1)素填土(Q4S)：砂粒含量1.3%～8.5%，粉粒含量70.9%～81.4%，粘粒含量13.6%～23.5%，孔隙率46.3%～56.6%，孔隙比0.86～1.30，干密度1.18 g/cm3～1.46 g/cm3，含水量5.6%～10.7%，稍濕，結(jié)構(gòu)稍密～中密。液限24.2%～27.5%，液性指數(shù)-0.31～-0.86，塑限13.3%～16.4%，塑性指數(shù)10.2～11.9，屬低液限重粉質(zhì)黏土。飽和抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角11.4°～13.6°，凝聚力10.5 kPa～15.3 kPa，原狀抗剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角21.1°～28.3°，凝聚力34 kPa～52.3 kPa，滲透系數(shù)(1.02～1.37)×10-5cm/s，壓縮系數(shù)0.308 MPa-1～1.642 MPa-1，濕陷系數(shù)0.015～0.066，自重濕陷系數(shù)0.002～0.089，土層具中～高壓縮性，自重輕微～中等濕陷性。

(2)黃土狀土(plQ31)：砂粒含量1.3%～15%，粉粒含量68%～85.4%，粘粒含量7.9%～30.4%，孔隙率45.7%～51.3%，孔隙比0.84～1.05，干密度1.32 g/cm3～1.48 g/cm3，含水量5.2%～108%，稍濕，結(jié)構(gòu)稍密～中密。液限24.7%～28.3%，液性指數(shù)-1.15～-0.10，塑限13.5%～16.4%，塑性指數(shù)9.1～12.9，屬低液限重粉質(zhì)黏土。飽和快剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角11.3°～13.4°，凝聚力3.5 kPa～17.7 kPa，原狀快剪強(qiáng)度內(nèi)摩擦角21.6°～24.8°，凝聚力29.4 kPa～74.6 kPa，滲透系數(shù)(0.812～1.02)×10-5cm/s，壓縮系數(shù)0.12 MPa-1～0.40 MPa-1，濕陷系數(shù)0.003～0.060，自重濕陷系數(shù)0.005～0.064，土層具中等壓縮性，自重輕微～中等濕陷性。

本工程水庫地基土層均具有濕陷性，且為自重濕陷性場地，存在的主要工程地質(zhì)問題是濕陷變形及不均勻沉降。濕陷性土層厚度在原溝道部位由于填土厚度較大，加之原溝道濕陷性土層，其濕陷性土層厚度達(dá)30 m～35 m；在原山體部位由于土地平整對山體進(jìn)行挖除，其濕陷性土層厚度相應(yīng)減小，在10 m～30 m之間，由西南向北東濕陷性土層由厚變薄。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》，原溝道部位場地地基濕陷等級為Ⅳ級，原山體部位場地地基濕陷等級為Ⅱ級～Ⅳ級。水庫各部位的濕陷量計算及濕陷類別、地基濕陷等級劃分見表1。

表1 濕陷性分析評價表

2.2 地基處理措施

本工程地基需處理濕陷性土層厚度較大，常規(guī)處理方法中除預(yù)浸水法外，均無法全部去除土層深處的濕陷性，但受庫址區(qū)附近建筑物的限制以及需較長浸水期，無法采用預(yù)浸水法。因此，在水庫設(shè)計時采用僅消除地基部分濕陷性的措施。

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》，建筑類別按乙類考慮，消除地基部分濕陷量的最小處理深度不應(yīng)小于濕陷性土層的2/3，且下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕陷量，不應(yīng)大于150 mm[1]。在滿足處理深度和剩余濕陷量要求時，原溝道部位地基處理深度需至地面下26 m～31 m，剩余濕陷量為126 mm～142.5 mm；原山體部位地基處理深度需至地面以下5 m～26 m，其剩余濕陷量約為126 mm。

根據(jù)甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《大厚度濕陷性黃土場地工程處理技術(shù)規(guī)程》，乙類建筑基礎(chǔ)下地基處理厚度不小于15 m，地基處理后的剩余濕陷量計算值為364.2 mm～366.3 mm，當(dāng)剩余濕陷量大于《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》6.1.4條和6.1.5條規(guī)定的剩余濕陷量的2倍時，應(yīng)通過專門論證采取措施[2]。

在經(jīng)過多方考慮各項因素，并反復(fù)研究后決定采用水泥土墊層、原土翻夯和強(qiáng)夯相結(jié)合的綜合處理措施，即在開挖建基面上首先采用高能級的強(qiáng)夯，處理深度需達(dá)到10 m以上，然后設(shè)2.5 m厚的原土翻夯層，其上再設(shè)0.5 m厚的10%水泥土墊層。通過計算庫盆及壩基從地面向下開挖的深度，再疊加地基處理的深度，基本可滿足上述規(guī)范要求的低限值。同時在建筑物設(shè)計時也采取了盡量減小壩高和蓄水深度以減少上部荷載、采用全庫盆土工膜防滲以減少滲漏的結(jié)構(gòu)措施，用以配合相應(yīng)的地基處理。

3 注入式水庫設(shè)計方案

3.1 水庫平面布置

本工程庫址區(qū)四周鄰近蘭州新區(qū)規(guī)劃道路，水庫圍壩壩頂高程不宜超過鄰近道路路面高程過多，同時結(jié)合庫址區(qū)中部地形凹陷形狀，為使工程挖填方量盡可能平衡，采用半挖半填方式形成庫盆，平面上采用呈圓角不規(guī)則多邊形的圍壩方案。

水庫長(東西向)約550 m，水庫寬(南北向)約520 m。水庫占地面積約430畝。水庫總庫容為115萬m3，調(diào)節(jié)庫容為105萬m3，死庫容為10萬m3。水庫圍壩的壩高為8.8 m，壩頂寬度為6 m，壩頂高程為1925.5 m，水庫正常蓄水位為1923.5 m，死水位為1918 m，庫底高程為1917.5 m，水庫最大水深為6 m。

水庫西北側(cè)壩段設(shè)置水庫進(jìn)水口，引水暗渠穿壩體后設(shè)消力池進(jìn)入水庫。消力池前段為擴(kuò)散段，池底坡度為1∶3，長度為10 m，后接池身段，底板高程1915.50 m。消力池長16 m，池寬12 m，池深2.6 m，底板厚度65 cm，采用C25現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。水庫南側(cè)壩段設(shè)供水放空管，管道采用壩下埋管的形式，管道內(nèi)徑為1 m，進(jìn)口設(shè)混凝土圓形進(jìn)水池，進(jìn)水池內(nèi)徑4 m，池底高程1915.20 m，池頂高程1918.00 m。供水放空管采用鋼管，管道進(jìn)口中心線高程1915.90 m，管道穿壩段設(shè)50 cm厚外包混凝土，管道穿壩后設(shè)岔管，岔管前后均設(shè)置檢修控制閥室，一支接入后續(xù)配套供水工程，另一支用于水庫放空，放空管末端伸入新區(qū)中通道雨水二期工程暗渠，放空管總長1 km。水庫西側(cè)壩段設(shè)6 m寬入庫檢修道路。

3.2 水庫防滲結(jié)構(gòu)和圍壩斷面

本工程采用全庫盆土工膜防滲設(shè)計，庫底自50 cm厚的10%水泥土墊層上鋪設(shè)兩布一膜復(fù)合土工膜，土工膜上層設(shè)5 cm厚的M10砂漿墊層和25 cm厚的現(xiàn)澆C25混凝土板，大壩上游面防滲結(jié)構(gòu)自50 cm厚的10%水泥土墊層以上分別為兩布一膜復(fù)合土工膜、5 cm厚的M10砂漿墊層和15 cm厚的現(xiàn)澆C25混凝土板護(hù)坡。

水庫圍壩為土壩，壩頂寬度為6 m，壩頂路面采用采用15 cm厚的現(xiàn)澆C20混凝土路面。上游壩坡坡比為1∶2.75，采用C25現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，水平向每隔4 m，垂直水平向每隔6 m設(shè)伸縮縫，縫內(nèi)填聚氯乙烯膠泥和閉孔泡沫板。大壩下游壩坡坡比1∶1.8，采用生態(tài)格賓植草護(hù)坡。

本工程壩體填筑料的設(shè)計在綜合考慮施工方法、工程造價等情況后，采用開挖土料，碾壓填筑料壓實度控制指標(biāo)為壓實度不小于96%，采用分段碾壓，接茬搭接處為臺階狀或階梯狀，分層碾壓交錯楔接[3]。

4 結(jié)語

在趙家鋪水庫的設(shè)計工作中，充分考慮地形地質(zhì)、施工條件、工期、投資等因素，在深厚濕陷性黃土地基的處理上采取水泥土墊層、原土翻夯和強(qiáng)夯相結(jié)合的綜合處理措施；在水庫的設(shè)計上采取半挖半填方式和復(fù)合土工膜全庫盆防滲結(jié)構(gòu)。通過以上各項措施的實施，可有效提高本工程水庫的安全保障度。