李家湾水库大坝黄土湿陷性分析及处理措施

李砚青

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

李家湾水库是山西大水网中部引黄工程的配套调蓄库，地处保德县南部黄河一级支流小河沟河上，大坝坝型为均质土坝。库区黄土长期受流水侵蚀切割，沟谷发育。坝址区呈“U”型谷，谷底宽26～55m，坝轴线处宽40m，沟谷地形较宽阔平坦，地面高程1135m；两岸自然坡度12°～60°，山梁高程1215～1245m；相对高差80～110m，属典型梁峁状黄土地貌。坝址左岸为单薄山梁，坝轴线处山梁底宽232m，紧靠坝轴线左岸下游背坡存在一小型滑塌体；右岸同为单薄山梁，坝轴线处山梁底宽320m。沟谷方向为N35°W，除洪水季节，平时无流水。

2 坝址区地层及其物理力学性质

坝址区发育地层岩性主要为古生界奥陶系上马家沟组碳酸盐岩和新生界上第三系、第四系松散堆积物。区内地下水位埋深很大，左右坝肩发育地层上部为第四系上更新风积低液限粉土，其下为第三系低液限黏土第四系上更新风积为灰黄色低液限粉土、砂质粉土，发育大孔隙，垂直节理，结构松散，质地均匀，厚10～55m。上第三系上新统为棕红色低液限黏土、含砾低液限黏土夹数层钙质结核、卵石混合土层，底部有4～5层单层厚度约1m的胶结状砾石层，厚10～65m。

根据试验资料，两岸低液限粉土天然含水率6.4%～15.6%，平均值9.9%；天然密度 1.42～1.62 g/cm3，平均值1.52 g/cm3；干密度1.29～1.44 g/cm3，平均值1.38 g/cm3。水平渗透系数 0.65×10-4～8.53×10-4cm/s，平均值3.16×10-4cm/s，属中等透水性。天然状态压缩系数 0.139～0.751 MPa-1，平均值 0.277 MPa-1，属中等—高压缩性土；压缩模量2.776～13.533 MPa，平均值8.675 MPa。饱和状态压缩系数 0.303～1.199 MPa-1，平均值 0.651 MPa-1；饱和压缩模量 1.681～6.452 MPa，平均值3.480 MPa。饱和快剪抗剪强度凝聚力11.4～19.4 kPa，平均值 16.5 kPa；内摩擦角 15.9°～27.2°，平均值15.9°。天然状态自重湿陷系数0.002～0.057，湿陷系数0.009～0.066，土体多具轻微—中等湿陷性。

两岸下部低液限黏土天然含水率4.0%～23.4%，平均值17.5%；天然密度1.52～2.04 g/cm3，平均值1.87 g/cm3；干密度 1.46～1.72 g/cm3，平均值 1.59 g/cm3。水平渗透系数 0.59×10-6～2.31×10-5cm/s，平均值 1.18×10-5cm/s，属极微—弱透水性。天然状态压缩系数0.173～0.626 MPa-1，平均值 0.341 MPa-1，属中等—高压缩性土，压缩模量2.942～9.179 MPa，平均值6.155 MPa。饱和状态压缩系数 0.200～0.703 MPa-1，平均值0.390 MPa-1；饱和压缩模量 2.632～8.255 MPa，平均值5.406 MPa。饱和快剪抗剪强度凝聚力19.5～39.2 kPa，平均值 29.5 kPa；内摩擦角 17.2°～25.9°，平均值 22.1°。

从试验统计数据可知，各层土的密度随深度增加呈逐渐递增的规律，黄土湿陷性与密度密切相关，随着密度增加，湿陷性逐渐消弱，当黄土天然密度小于1.65 g/cm3时，具湿陷性，且密度越小，湿陷性越强烈；当黄土天然密度介于1.65～1.70 g/cm3时，低压力（小于300 kPa）下基本无湿陷性，高压力（大于300 kPa）下偶具湿陷性；当黄土天然密度大于1.70 g/cm3时，不具湿陷性。另外，天然孔隙比是影响黄土湿陷性的又一重要指标，各层土的天然孔隙比随深度增加呈逐渐递减规律，当黄土天然孔隙比大于0.90时，具中等—强烈湿陷性，当天然孔隙比介于0.84～0.90之间时，一般具轻微湿陷性，当天然孔隙比小于0.84时，一般不具湿陷性。各层土的压缩性随深度增加压缩性逐渐降低，黏聚力则随深度增加总体呈逐渐递增的规律。

3 坝肩黄土湿陷性评价

湿陷性判别根据《水利水电工程地质勘察规范》进行初判，左右坝肩低液限粉土层为湿陷性土层，第三系低液限黏土层为不湿陷土层。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》进行复判。

3.1 自重湿陷量计算值

自重湿陷量Δzs的计算值按下列公式计算：

式中：Δzs——自重湿陷量，mm；

δzsi——第i层土的自重湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm；

β0——因土质地区而异的修正系数，取0.5；自重湿陷量自天然地面算起，至其下非湿陷黄土层的顶面为止。其中自重湿陷系数小于0.015的土层不累计。

3.2 湿陷量计算值

湿陷量的计算值Δs按下式计算：

式中：Δs——湿陷量，mm；

δsi——第i层土的湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm；

β——考虑基底下地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数，在缺乏实测资料时，基底下5m（或压缩层）深度内可取1.5；基底下5～10m深度内可取1.0；基底下10m以下，至非自重湿陷性黄土层顶面，在自重湿陷性黄土场地，可取工程所在地区的β0值。

3.3 判别结果

由湿陷性计算可知，左右坝肩低液限粉土层均存在湿陷性问题，场地总自重湿陷量在70～300 mm之间，为自重湿陷性黄土场地；总湿陷量在150～800 mm之间，左坝肩湿陷等级为自重湿陷场地Ⅲ（严重），右坝肩湿陷等级为自重湿陷性场地Ⅱ（中等），左右坝肩湿陷土层下限为第三系低液限黏土层顶部。

4 处理措施

4.1 技术措施

本场地低液限粉土湿陷土层埋深5～25m，其下限高程多低于坝顶高程。左右坝肩湿限性土层较厚，采用置换处理措施，开挖填筑工程量很大，经济性较差，宜作为辅助措施。适于考虑常规强夯和素土挤密桩两种措施进行湿限性土层处理方案比较，见表1。

表1 湿限性基础处理措施比较表

从施工方法及施工设备对施工场地（坝肩为斜坡地段）的适应性和处理效果来看，素土挤密桩比强夯更能适应本工程的施工场地条件和处理深度要求。

4.2 素土挤密桩设计

素土挤密桩设计包括桩径、桩距、排距、桩身和桩间压实系数，以保证桩间土挤密后达到要求的密实度和消除湿陷性为原则。

挤密孔的孔位按正三角形布置，孔心距可按相关公式计算。以坝肩处土层的平均干密度1.5 g/cm3为例计算：当挤密处理深度不超过12m时，不宜预钻孔，挤密填料孔直径宜为0.35~0.45m；当挤密处理深度超过12m时，可预钻孔，其直径宜为0.25~0.3m，挤密填料孔直径宜为0.5~0.6m，桩间土平均压实系数不小于0.93。

依据地基处理计算结果，参照类似工程实践经验，在处理深度不大于12m时，挤密填料孔直径取0.4m；大于12m时，挤密填料孔直径宜取小值0.5m，并选取比计算值较小的孔距，使处理后的复合地基更趋均匀一致，消除黄土湿陷性效果更佳。

5 结论

通过对李家湾水库黄土地基湿陷性的评价判断及防治措施的研究，运用强夯或素土挤密桩等松散土层加密处理技术，结合场地条件进行一系列的黄土湿陷性处理方案组合及技术经济比较，以筛选出最佳方案。素土挤密桩来料容易、施工便捷，适宜于湿陷性黄土地基处理特别是坡度较陡区域等特殊场地条件的工程，可供类似工程地质问题的水库设计参考。