湿陷性黄土地区渠道工程地质勘察体会

汪海涛, 司富安, 段世委, 张爱军

(1.新疆伊犁河流域开发建设管理局,新疆 乌鲁木齐　830000; 2.水利部 水利水电规划设计总院,北京　100120; 3.西北农林科技大学，陕西 杨凌　712100)

0　引言

黄土主要分布于中国黄河中上游干旱、半干旱地区,主要分布于甘肃、陕西、山西的大部分地区,河南、宁夏、青海、河北的部分地区,新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区和山东、辽宁、黑龙江等省,局部地区亦有分布。

当粉尘落到干旱、半干旱地区的地表时,难免受到雨水、霜雪和生物活动等作用,同时这些作用是在弱碱性介质的氧化环境中进行的,其结果便是使粉尘堆积发生碳酸盐化。次生碳酸盐与粉尘中的粘粒结合构成许多微团聚集体或微集合体。次生碳酸盐与粉尘颗粒之间产生的点、线和面连接,导致了黄土中孔隙的形成。同时,次生碳酸盐与少量的铁、锰质氧化物一起包裹在粉尘颗粒表面,使之呈淡黄色。正是这种碳酸盐化作用使粉尘堆积变成了淡黄色、疏松多孔、质地均一并具粒状或斑状结构的黄土。

以刘东升为首的中国第四系地质学家通过对中国黄土的研究,认为“黄土是风力搬运堆积未经次生扰动的、无层理的黄色粉质，富含碳酸盐并具大孔隙的土状沉积物,而其它成因的与黄土在某些方面具有类似特征的称为次生黄土”。

黄土的湿陷性是指黄土浸水后发生沉陷变形的性质。通常在天然湿度下,其压缩性较低,强度较高,但遇水浸湿后,土的强度显著降低,在附加压力或自重压力下,引起的湿陷变形是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形。湿陷变形的结果使原土体更加密实,孔隙比减小,干密度增大。

1　影响黄土湿陷性的主要因素[1]

1.1　黄土的颗粒组成

黄土的颗粒组成影响其湿陷性的强弱。黄土中粘粒及胶粒含量越高,湿陷性越弱,湿陷敏感性越差;粉粒含量越高,湿陷性越强,湿陷敏感性越强。

表1　部分地区湿陷性黄土的颗粒组成

1.2　干密度与孔隙比

黄土干密度的变化范围一般在1.14～1.69 g/cm3之间。在黄土形成过程中,黄土化作用使得黄土有一定程度的压密固结,干密度超过某一数值后,黄土就由湿陷性的转变为非湿陷性的。对于黄土状粉质黏土,当干密度达到1.5 g/cm3以上,一般都属于非湿陷性。

湿陷性黄土的密实程度也常用孔隙比或孔隙率来表达。湿陷性黄土孔隙比的变化范围为0.85～1.24,大多数在1.0～1.1之间,孔隙比<0.80时,一般无湿陷性。黄土的一大特点是富含大孔隙,孔隙性是引起黄土湿陷的重要原因。初始孔隙比越大,湿陷性越强。研究表明黄土湿陷性不仅与孔隙的总体积有关,而且与孔隙的大小与形态有关,黄土中存在的大、中孔隙是黄土产生湿陷的主要原因。

1.3　含水量和饱和度

黄土的天然含水量在3.3%～25%之间变化,其大小与场地的地下水位深度和年平均降雨量有关。在多数情况下,含水量通常只有6%～10%;土的天然含水量>25%时,一般无湿陷性。对于湿陷性黄土而言,含水率越小,黄土的湿陷性越强,反之湿陷性越弱。当含水量接近塑限含水量时,湿陷性基本消失。

湿陷性黄土的饱和度在15%～77%之间变化,多数为40%～50%,亦即处于稍湿状态。稍湿状态的黄土,其湿陷性一般较很湿的为强。随着饱和度的增加,湿陷性减弱。当饱和度接近于80%时,湿陷性已基本消失。

1.4　稠度指标

稠度指标包括液限、塑限、塑性指数和液性指数,它们反映了水对土的性状的影响。

湿陷性黄土的液限和塑限分别在20%～35%和14%～21%之间变化,塑性指数大多数在9～12左右;液限是决定黄土力学性质的一个重要指标,当液限在30%以上时,黄土的湿陷性较弱,且多为非自重湿陷性的。而液限<30%时,湿陷性一般较强烈。

1.5　可溶盐

黄土中含有可溶盐类(如硫酸盐、碳酸盐、岩盐等),盐类物质多附着于土粒表面,与粘土颗粒及水分共同形成混合胶状结构,所以黄土在干燥状态下具有较高的强度和凝聚力。但浸水后由于颗粒表面的薄膜水增厚,水溶盐类被溶解或软化,强度降低,土体结构遭到破坏,产生湿陷。

1.6　黄土的沉积时代

沉积时代不同,其湿陷性也有差别。沉积时代越早,其湿陷性越弱,如早更新世的午城黄土和中更新世的离石黄土一般无湿陷性,而上更新世的马兰黄土以及全新世的风积黄土则具有较强的湿陷性。究其原因,仍可归结为土层本身的颗粒组成、孔隙率以及可溶盐的含量和形态等内在因素。

1.7　黄土的成因

黄土的成因不同,其湿陷性也有差别。如风积黄土湿陷性较强,而冲积或洪积等成因的次生黄土的湿陷性则相对较弱或没有湿陷性。

1.8　附加荷载

黄土湿陷的外因包括水和荷载,其作用是显而易见的。附加荷载越大,黄土湿陷性越强。

综上所述,黄土的湿陷性实际上是黄土孔隙结构的遇水破坏以及起胶结作用的可溶盐遇水溶解过程的综合反映,即黄土的干密度由小到大的变化过程。而黄土颗粒间的空架结构(大孔隙)为湿陷变形提供了空间。

2　渠道工程勘察应注意的几个问题

(1)通过地质测绘合理划分黄土的沉积时代和成因。由于时代不同,成因不同,其工程地质特性与湿陷特性有较大差异,一般来讲,新黄土湿陷性比老黄土强,风积黄土较次生黄土强,次生黄土湿陷性一般较弱或没有湿陷性,在试验资料分析整理时应分类统计。

(2)在勘察时一定要分层取样试验。大多数地区的黄土湿陷性都是随着深度变化的,查清不同深度黄土湿陷性变化情况,才能确定黄土的最大湿陷厚度,计算出黄土的最大湿陷量。

(3)在取样试验时,还要区分判别其属于自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土,这两者在湿陷特性上有着一定区别,对于渠道工程勘察很重要。

(4)对于自重湿陷性黄土来说,在土体自重荷载下,黄土含水量增高饱和即可发生湿陷变形,其湿陷性取决于两个方面:一是土体自重;二是土体含水量增高饱和。

(5)对于非自重湿陷性黄土来说还要测试其湿陷起始压力,确定其产生湿陷的附加荷载条件。

(6)湿陷性黄土经过碾压击实后,其湿陷性可以消除,湿陷性黄土可以用作填筑土料。

3　湿陷性黄土渠道分析评价应注意的问题

目前普遍使用《湿陷性黄土地区建筑规范》进行勘察评价,湿陷性黄土的湿陷程度根据湿陷系数δs值的可分为:

(1)当0.015≤δs≤0.03时,湿陷性轻微。

(2)当0.03<δs≤0.07时,湿陷性中等。

(3)当δs>0.07时,湿陷性强烈。

测试湿陷系数δs的试验压力规定:基底下10 m内的土层用200 kPa,10 m以下至非湿陷性土层顶面,应用其上覆土的饱和自重压力(当>300 kPa压力时,仍使用300 kPa)。图1是新疆某引水工程黄土湿陷系数、湿陷压力与深度关系曲线图。

由上图可以看出,压力越大湿陷性越强,湿陷深度越大。相反,压力越小湿陷性越弱,湿陷深度越小。由于渠道工程由挖方渠道、填方渠道、半挖半填渠道及渠系建筑物组成,其附加荷载变化很大,既有加载也有减载。所以,渠道工程勘察应分析渠道建设中各种典型断面的附加荷载情况和黄土湿陷特性变化情况,不同断面选取不同的湿陷压力,并根据所对应湿陷系数、湿陷厚度、湿陷量进行湿陷性分析评价。

图1　黄土湿陷系数与深度关系曲线图

4　湿陷性黄土渠道主要破坏形式

4.1　湿陷产生的破坏

①湿陷使得渠基下沉,渠坡产生裂缝,渠道防渗系统遭到破坏;②渠堤局部湿陷沉降过大,超过渠堤设计超高,渠道漫堤而决口;③渠基两侧边坡由于黄土湿陷而坐滑坍陷,造成渠坡破坏,有的堵塞渠槽而使渠水漫堤决口。

4.2　冲刷、潜蚀产生的破坏[2]

黄土抗冲蚀能力差,很多黄土地区可以见到由于降雨而形成陷穴和黄土岩溶。作为黄土地区一种独特而重要的土壤侵蚀方式,土壤洞穴侵蚀早就引起人们的关注,经过国内外众多学者将近一个世纪的不懈努力,初步形成了机械侵蚀说、溶蚀说、多因素综合成因说等三种学说。土壤洞穴侵蚀模式可以概化为:冲蚀—贯通型、潜蚀—冲蚀—贯通型、湿陷—潜蚀—贯通型、冲蚀—潜蚀—湿陷—潜蚀—贯通型以及复合型五种模式。这在渠道破坏形式上主要表现为:①渠水沿大的湿陷裂缝产生集中渗流,机械侵蚀和冲淘作用使渠堤溃决;②渠道运行过程中,由于土壤洞穴侵蚀而形成联通渠外的渗漏通道或渗漏管道,造成渠道的渗漏,在半挖半填渠道或斜坡地段易进一步发展为渠道决口。

4.3　由洞穴、构造裂隙、滑坡裂隙各种隐患产生的破坏

黄土地区常常发育有较多的黄土洞穴,黄土洞穴按其诱发因素可分为地质作用洞穴、动植物诱发洞穴以及人工洞穴。所谓地质作用洞穴,是指水流沿地层节理、层理或界面(如构造节理、垂直节理、湿陷节理、沉积层理、岩性差异界面等)侵蚀而产生的黄土洞穴,以及水流在有利的地形条件下冲蚀而产生的黄土洞穴;动植物诱发洞穴指水流沿动物巢穴(如鼠穴、蛇穴等)及植物根系侵蚀而产生的黄土洞穴;人工洞穴则是由于人类工程活动直接形成或间接诱发的黄土洞穴。渠水沿着渠槽和渠堤下的黄土洞穴、古坟墓、古窑洞或黄土构造裂隙、滑坡裂隙等隐患的集中渗流造成渠堤侵蚀溃决。

5　处理方案选择应注意的几个问题

从影响黄土湿陷性的各种因素出发,目前通过以下三个途径对湿陷性黄土地基进行处理:一是通过地基处理,破坏黄土的原有结构,达到消除地基黄土的全部或部分湿陷性,此类处理方法包括预浸水法、强夯法、垫层法、挤密桩法等;二是通过采取防渗措施,避免地基黄土浸水产生湿陷,通常采用的防渗措施包括混凝土衬砌、土工膜防渗、地面防水、排水沟等;三是通过结构措施减小黄土地基不均匀沉降,或使结构适应地基的变形。在处理方案的选择上应从以下几个方面分析:

5.1　自重湿陷性与非自重湿陷性

要注意区别黄土是自重湿陷性还是非自重湿陷性,自重湿陷性黄土在地基处理上可以采用预浸水法处理,而非自重湿陷性黄土不能采用预浸水法处理。

预浸水法处理,就是对于自重湿陷性黄土地基,在建筑物修筑前,先将地基充分浸水,使其在自重作用下发生湿陷,改善土层结构和基本特性,以达到消除其自重湿陷性的目的。一般来讲,该方法优点是处理范围广，同时可以消除地下裂隙、洞穴等不良隐患,不需要大型施工机具,施工方法简单,费用较低。缺点是耗时太长,往往影响工期。此外,该方法需要大量用水,对于水源缺乏的干旱地区,该方法不适用。

根据这些年对预浸水法处理方法的跟踪研究发现,预浸水法还有以下几个特点:①浸水面积过小时不能产生充分湿陷,当浸水场地尺寸大于湿陷性黄土层厚度时,湿陷才能充分发生。浸水面积应根据建筑物的平面尺寸和湿陷性黄土层的厚度确定,浸水坑最小边长应为湿陷性土层厚度的1.0～1.5倍。②预浸水法需要较长的时间,一般厚度10 m的土层浸水就需要90-150 d。浸水坑表层2 m在停水40-60 d可达到固结干燥,2 m以下固结干燥时间达6-8个月,这要求被处理的土层及下伏地层要具有良好的排水条件,否则处理时间还会更长。③预浸水法能够消除大部分土层的自重湿陷性,使地基性能变好,但浅部2～4 m的土层湿陷性不能完全消除,具有再次浸水发生湿陷变形的特征,因此需要在首次浸水停止后2-3个月,再次进行浸水。④仅适用地基没有附加荷载的工况,处理后的地基强度低,压缩性大,如果基础上部工程具有附加荷载,则预浸水处理后的黄土在附加荷载作用下,仍具有湿陷性。

有些工程为提高浸水处理速度和效果,采用加速浸水的办法,在浸水试坑中布置注水孔,孔距3～5 m,孔深8～15 m,孔内填充砂砾石。这一方法有成功的,也有失败的。新疆某引水电站工程,渠道沿线为湿陷性黄土,液限28.9%,塑限16.4%,塑性指数12.5,粘粒含量25.6%,天然含水量5.3%～16.6%,干密度1.21～1.37 g/cm3;属于自重湿陷性黄土,采用200 kPa试验压力,距地表0～20 m以内湿陷性系数为0.095～0.15,属强湿陷;距地表20～30 m,湿陷性系数为0.031 5～0.057 6,属中等湿陷;30 m以下为非湿陷性黄土。在地质测绘中,可以发现多处地表低洼地带,由于降雨积水而形成的碟形湿陷陷穴,可见该土层抗冲蚀能力极弱,在加速浸水后,由于孔内有十几米的水头,仅3 d下部土层很快被冲蚀破坏,形成试坑塌陷,见照片1。

照片1　新疆某引水电站加速预浸水试验试坑塌陷情况

5.2　渠道建成运行后的地基荷载情况

要根据荷载情况合理选择处理方法。从高填方到深挖方,对黄土地基来讲,荷载变化很大。深挖方渠段减载较多,但浸水后,仍可以由于浸水压密作用使得黄土出现一定量的沉降,其抗冲蚀能力较弱,仍然具备产生潜蚀破坏的可能性,需要做防渗处理;半挖半填渠道由于有一定量的附加荷载,根据湿陷起始压力判断很多黄土渠基存在湿陷性问题,需要做湿陷性防治处理;填方渠道渠基具有较大的附加荷载,湿陷性较强,不管渠堤采用什么材料填筑,渠基仍然可能由于渠基渗漏或外水作用而浸湿产生湿陷,处理深度要根据附加荷载大小分段确定。如若处理不彻底,由于湿陷导致不均匀沉降而产生渠堤裂缝,可造成渠道防渗系统的破坏,加大渠道渗漏,渠水顺渠堤裂缝冲蚀、潜蚀产生溃堤决口。

5.3　湿陷性黄土的厚度

湿陷性黄土地基处理方法的选择要考虑湿陷性黄土的厚度。预浸水法、强夯法、垫层法、挤密桩法其适用条件各不相同,预浸水法的优劣前面已经讲了。强夯法的处理有效深度一般为6～8 m,强夯法亦称动力固结法,通过重锤的自由下落,对土体进行强力夯实,以提高其强度,降低压缩性。该方法设备简单,适用广泛,特别是对非饱和土加固效果显著;加固地基速度快,效果好,投资省,是当前经济简便的地基加固方法之一。

影响强夯处理深度与效果的主要有两个方面:①强夯的单位夯击能,应根据施工设备、黄土地层的时代、厚度以及要求的处理有效深度确定。②黄土地基土的含水率太低,夯击时表层土容易松动,夯击能量消耗在表层土上,深部土层不易夯实,消除湿陷性黄土层的有效深度小;含水率过高,夯击时容易出现“橡皮土”。

由于强夯法夯击能量大,施工震动大,且噪声大,一般对于在村庄附近或高边坡渠道、傍山渠道的地基处理时,不宜采用强夯法。

挤密法是采用挤土成孔或非挤土成孔方式在地基中成孔,并分层填料,夯实或夯扩成桩。挤密作用可发生在成孔、成桩过程中,从而使得桩间土性能得到改良。其次,桩体由于材料置换与挤密作用,强度也得到提高。

《湿陷性黄土地区建筑规范》中规定,挤密法处理深度<12 m时宜采用挤密成孔法,>12 m时可采用预钻孔挤密法。孔内填料一般采用素土或灰土,必要时可采用强度高的水泥土等。挤密地基,在基底下一般还要设置50 cm厚的灰土或素土垫层。

当湿陷性黄土厚度大,上述地基处理措施不能满足建筑物要求时,可以采用桩基础。桩型的选择应根据工程要求、场地湿陷类型、湿陷性黄土层厚度、桩端持力层的土质、施工条件和场地周围的环境等因素确定。自重湿陷性黄土场地桩基设计中,应考虑桩侧的负摩阻力。

挤密法和桩基础的优点是处理厚度大,处理效果好,缺点是造价高。

垫层法是将建筑物基底以下湿陷性土层全部或部分挖除,然后以水泥土、灰土或素土分层回填夯实。在湿陷性黄土地区使用较广泛,具有因地制宜、就地取材和施工简便等特点,通过处理基底下部分湿陷性黄土层,可以减小地基的湿陷量。

该方法原本是一种浅层处理湿陷性黄土地基的传统方法,处理深度一般为1～3 m,处理厚度超过3 m时,挖、填土方量大,工期长、投资大。但是通过进一步研究发现,垫层法对于挖方渠道来讲,既适用浅层处理,将湿陷性黄土全部翻夯处理,也适用深厚湿陷性黄土地区,因为通过垫层处理后,垫层的防渗效果得以发挥,使得垫层下部原状黄土处于不饱和状态。

以新疆某引水电站黄土渠道模型计算为例,原状黄土渗透系数k=1×10-4cm/s,下部冰积砾石层k=1×10-2cm/s ,垫层厚2 m,垫层渗透系数分别为k=3.6×10-5cm/s和k=1×10-6cm/s,不考虑渠道板膜防渗的作用。计算结果见图2-图4。

图2　渠道不防渗运行渠基渗流结果

图3　渠道采用垫层防渗k=3.6×10-5 cm/s时渗流结果

图4　渠道采用垫层防渗k=1×10-6 cm/s时渗流结果

当原状黄土渗透系数k=1×10-4cm/s,渠道不防渗运行,渠基黄土增湿饱和,具备发生湿陷性的条件(见图2);采用垫层防渗处理,垫层厚2 m,k=3.6×10-5cm/s时,渠基黄土增湿并接近饱和,仍然具备发生湿陷性的条件(见图3);当垫层渗透系数k=1×10-6cm/s时,由于垫层渗透系数较小,垫层渗透系数与原状黄土渗透系数相差100倍,此时,渠基黄土含水量不会达到黄土湿陷起始含水量,渠基不会产生湿陷,也不会产生潜蚀破坏(见图4)。目前,中国各地的黄土翻夯渗透系数一般均可以达到k=1×10-6cm/s左右,灰土垫层和水泥土垫层的渗透系数可以达到k=1×10-7cm/s,所以说这一研究成果对于黄土湿陷性处理研究具有普遍意义。

6　结语

(1)决定黄土湿陷性的内在因素主要包括黄土的颗粒组成、孔隙比、天然含水率、可溶盐含量等,影响黄土湿陷性的外在因素则是水和附加荷载。所以在分析评价时要充分考虑工程建成运行后黄土地基增湿情况和附加荷载情况。

(2)湿陷性黄土渠道工程出现的破坏形式有多种,黄土特性也包括湿陷性、潜蚀特性、直立特性等等,在研究处理方案时不能仅仅考虑湿陷性这一个方面。

(3)在处理方案研究时,应从经济、合理、可行三个方面充分论证,填方渠道黄土地基处理方案与挖方渠道黄土地基处理方案完全不同,垫层法处理挖方渠道黄土渠基具有很好的效果。

参考文献:

[1]王新华,焦正华.黄土地区引调水线路工程地质勘察调研报告[R].咸阳：陕西省水利电力勘测设计研究院,2010.

[2]李喜安,彭建兵,郑书彦,田安家.湿陷性黄土地区土壤洞穴侵蚀模式研究[J].水土保持研究,2005,12(6)：25-27.