禹门口提水东扩工程管道输水线路所在汾河三级阶地湿陷性黄土特性及地基处理措施分析

冯 彬

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 禹门口提水东扩工程概况

禹门口提水东扩工程是为临汾、运城五县市（新绛、襄汾、侯马、曲沃、翼城）工业、农业供水以及农村生活用水的保障性给水工程。工程起点位于新绛县的三泉水库，距东南向的新绛县城约12km。工程沿线经新绛、襄汾、侯马、曲沃、翼城，终点位于距翼城县城约1km的西梁水库，从三泉水库至西梁水库采用有压管道输水方案，管道布置长约48．8km，沿线设3级加压泵站（一级至三级加压泵站），2座调蓄水库（三泉水库、西梁水库），4个出水池（一级加压泵站出水池、三级加压泵站出水池、新绛支线出来池和浍河支线出水池），6个检修阀和1个生态分水阀。另外有新绛支线长0．9km，浍河支线长7．6km。根据工程的布置，一级泵站出水池至二级泵站进水池段、三级泵站出水池至西梁水库段采用重力流输水，其余段采用有压泵流的供水方式。

2 管道输水线路工程地质条件

（1）供水线路经过的主要地貌单元为山前冲洪积倾斜平原区、汾河河谷、漫滩及一至三级阶地。

（2）三级阶地广泛分布新生界第四系上更新统洪冲积（Q3pal）地层，厚度6～14m。其岩性组成为淡黄、黄褐、淡红色低液限粉土、低液限黏土，土体结构较疏松，具大孔隙和垂直节理，是一种非饱和的欠压密土体，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力下引起湿陷变形，这种下沉量大，下沉速度快的失稳变形，对建筑物危害性大。

本段主要为汾河两岸Ⅲ级阶地（右岸：三泉水库～龙香，宽度10.95km，地面高程420～479m；左岸：北庄～西常，宽度27.3km，地面高程414～505m），阶地分布面积大，阶面宽广，地势平坦，由北向南微倾，阶面冲沟发育，沟多宽而浅，呈较开阔的“V”字型。

3 黄土的成因

土的任何性状都与其成因有关，研究黄土的成因对于解决其湿陷问题有着重要的意义。黄土的成因一般有三种学说：风成说；水成说；多种成因说。汾河两岸Ⅲ级阶地上沉积的新生界第四系上更新统洪冲积（Q3pal）地层应属水成说的成因。

4 物理力学指标与湿陷性的关系

4.1 土的颗粒组成特征

土的颗分试验共259组，黄土的颗粒成分以粉粒为主，它的含量占64.0%～90.0%，以77.0%～85%者居多，黏粒占8.0%～23.0%，砂粒占0.5%～3.0%，一般1.7%左右。土质均匀。

4.2 天然含水率

天然含水率范围值w=6.0%～24.6%，平均值13.0%，一般w=10.0%～16.0%。通过对该段所做土样进行统计分析，当含水率w＞20.0%时，黄土一般不具湿陷性，偶具轻微湿陷性，说明含水率越高，湿陷可能性就越小。

4.3 天然干密度

天然干密度范围值ρd=1.20～1.48g/cm3，平均值为1.36g/cm3，一般 ρd=1.30～1.43g/cm3。通过对该段所做土样进行统计分析，当干密度ρd＞1.52g/cm3时，黄土一般不具湿陷性，且干密度越小湿陷性越大，说明干密度越高，湿陷可能性就越小。

4.4 天然孔隙比

天然孔隙比范围值e=0.8～1.3，平均值为1.05，一般e=0.9～1.2。通过对该段所做土样进行统计分析，当孔隙比e＜0.7时，黄土一般不具湿陷性，且孔隙比越大湿陷系数越大，说明孔隙比越小，湿陷可能性就越小。

4.5 压缩系数

压缩系数范围值av1-2=0.07～1.18MPa-1，平均值为0.48MPa-1，多具中等～高压缩性。对一般土来讲干密度越大、孔隙比越小，土就越密实，压缩系数就越小。通过对该段所做土样进行统计分析，有部分土样存在含水率大天然干密度大压缩系数大湿陷系数小，含水率小天然干密度小压缩系数小湿陷系数大这样一个规律。

5.黄土的湿陷性评价

5.1 可研阶段的评价

在禹门口提水东扩工程管道供水线路的湿陷性黄土的评价中，在可研阶段按照《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004附录A《中国湿陷性黄土工程地质分区略图》中的分区。对汾河两岸Ⅲ级阶地的土层，我们认为其沉积成因类似，岩性及颗粒组成接近，土体结构、孔隙及垂直节理基本类同。场地湿陷性评价按《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）执行，采用公式（4.4.4）、公式（4.4.5）对湿陷性黄土场地自重湿陷量的计算值Δzs和湿陷量的计算值Δs进行计算。公式（4.4.4）中因地区土质而异的修正系数β0的取值按照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）的附图A《中国湿陷性黄土工程地质分区略图》中分区Ⅱ陇东-陕北-晋西地区与Ⅳ1山西-冀北地区的分区界线在汾河右岸的Ⅲ级阶地中间划分为两个区，因此就出现了在分区界线的西侧β0的取值为1.2；在分区界线的东侧β0的取值为0.5的两种不同值。我们在湿陷性黄土的评价中就采用了β0取大值的方法对湿陷性黄土场地自重湿陷量的计算值Δzs和湿陷量的计算值Δs进行计算，对湿陷性黄土地基湿陷等级的判定结果是桩号0＋000至4＋771.60段为自重Ⅲ级（夹杂少部分自重Ⅳ级）；桩号4＋771.60～7＋755.00属自重Ⅱ级；桩号7＋755.00～10＋945.30主要为自重Ⅱ级（夹杂少部分自重Ⅲ级、自重Ⅳ级）；桩号G21＋454.20～48＋765.50属自重Ⅲ级（夹杂少部分自重Ⅱ级、自重Ⅳ级）。该引水管线段包含的自重Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级三种湿陷性黄土地基，将对工程造价、工期产生重要的影响。

5.2 初步设计阶段的评价

初步设计阶段我们加密了勘探点，在评价中我们认真地学习了《湿陷性黄土地区建筑规范》，研究分析了附录A《中国湿陷性黄土工程地质分区略图》及表A《湿陷性黄土的物理力学指标》以及条文说明4.4.4的有关内容，从条文说明4.4.4的解释来看：山西、河南、河北等地区自重湿陷量的实测值通常小于计算值，其表A所列河津铝厂的实测值与计算值的比值为0.53。从《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004附录A《中国湿陷性黄土工程地质分区略图》及表A《湿陷性黄土的物理力学指标》上来看，并结合北庄村自重湿陷量的实测值74.2mm与计算值198.0 mm（修正系数为1时）的比值为0.37，与β0为0.5接近。为此工程所在地应全部属于山西-冀北地区，为Ⅳ1类地区。所以我们认为《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004附录A《中国湿陷性黄土工程地质分区略图》中分区Ⅱ陇东-陕北-晋西地区与Ⅳ1山西-冀北地区的分区界线在图中的位置有误，应该沿吕梁山脉分界，其图中界线整体偏东，特别在隰县以南到新绛河津均于山脉走势不符，偏向东南。为此在初步设计阶段湿陷性黄土的评价中β0的取值采用了0.5。湿陷性黄土地基湿陷等级的判定结果是桩号0＋000至4＋771.60段为自重Ⅱ级（夹杂少部分自重Ⅲ级）；桩号4＋771.60～7＋755.00属非自重Ⅰ级（轻微）；桩号7＋755.00～10＋945.3主要为非自重Ⅱ级（夹杂少部分自重Ⅱ级）；桩号 G21＋587.72～～48＋765.50 为自重Ⅱ级和非自重Ⅱ级（夹杂少部分非自重Ⅰ级、自重Ⅲ级）。

5.3 管线湿陷等级分布情况分析

对汾河两岸Ⅲ级阶地湿陷性黄土地基湿陷等级的判定结果，进行统计分析，表1为不同的β0时管线湿陷等级分布情况。表中显示：当β0=1.2时，自重Ⅱ级以下累计长度占总管线的57.6%，但β0=0.5时，自重Ⅱ级以下累计长度占总管线的88.3%。以上结果将对PCCP管基设计优化提供帮助。

表1 不同的β0时管线湿陷等级分布情况

6 管道的地基处理

禹门口提水东扩工程全线采用PCCP管道，直径包括2.0 m、1.8m、1.6m、1.4m四种。

6.1 PCCP管道的结构特点与适应地基变形能力分析

（1）PCCP管道基础的特点

回填后管道基底压力（管道自重＋管道内水重＋管顶覆土重）小于原状土自重压力。

（2）PCCP管道具有较强的适应地基变形的能力

（3）禹门口提水东扩工程PCCP管道由于承插口间隙设计基本一致，所以随着管径的减小，最大借转角度有所增大，管道直径越小，适应地基变形能力越强。

6.2 禹门口提水东扩工程PCCP管基垫层处理措施分析

根据GB50025-2004第5.5.11条设计规定。结合汾河两岸Ⅲ级阶地湿陷性黄土地基湿陷等级的判定结果以及PCCP管道的特点，管道沿线2：8灰土垫层设计厚度进行了优化，节约了投资、加快了进度。

7 结语

通过对禹门口提水东扩工程管道供水线路的湿陷性黄土的勘察评价和地基处理措施的分析，认识到湿陷性黄土的评价要室内试验与现场试验相结合，地基处理措施要与工程的建筑结构紧密结合，充分分析工程特性，确定合理的地基处理措施。