某水利枢纽区多年冻土工程地质性质及地基基础设计研究

刘秀宝

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130012)

某水利枢纽区多年冻土工程地质性质及地基基础设计研究

刘秀宝

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130012)

以某水利枢纽多年冻土为例,在工程地质勘察的基础上,结合冻土土工试验和地温观测数据,分析工程区多年冻土的分布范围和特征、冻胀性、融沉性、热学性质等主要的工程地质问题,并提出了相应的地基基础设计方案。

水利枢纽;多年冻土;冻胀性;融沉性;热学性质;地温观测;冻害;地基基础设计

某水利枢纽工程位于内蒙古自治区呼伦贝尔市牙克石市免渡河镇以东约30 km处,是一座以防洪、森林防火、供水为主,兼顾发电等综合利用的水利枢纽工程,水库总库容8 887万m3,大坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝,坝顶高程为755.8 m,最大坝高为19.80 m。在水库左坝肩坝基开挖过程中,位于坝轴线桩号K0+065～K0+200 m两侧各100 m宽度范围内挖掘机取土困难,出现打滑迹象,部分地段挖出的土方中含小冰块,工程区有多年冻土分布。多年冻土是指冻结状态持续2年以上的土层(土壤、土、岩石),可分为高海拔多年冻土和高纬度多年冻土两种类型[1]。冻土的工程地质性质主要受含冰量的控制,而含冰量与温度有关,所以冻土是一种具温度敏感性且性质很不稳定的土体[2]。水库蓄水后,多年冻土层温度升高,将导致冻土层融化,坝基地层将产生不均匀沉降,过大的不均匀沉降极易导致沥青混凝土心墙变形和坝体开裂,影响水库运行。故对多年冻土的工程地质性质作出评价和建议,这对工程的整体运营和安全是至关重要的。

1 多年冻土分布特征及地层岩性

1.1 分布特征

工程区地理位置为东经120°30′～122°00′,北纬48°50′～49°30′,为高纬度岛状多年冻土分布区。本区季节性标准冻土深度3 m,季节性冻土层和多年冻土层之间分布1～2 m的非冻结土层,季节冻结层的冻结深度小于多年冻土上限,为不衔接多年冻土[3]。

多年冻土的分布介于坝轴线K0+065～K0+200 m之间,最大厚度约10.20 m,冻土上限埋深为1.20～7.50 m,上限高程为731.49～737.67 m;冻土下限埋深为4.20～14.00 m,下限高程为725.45～737.07 m,且岛状多年冻土水平向外边界多呈不规则分布;沿河流上、下游延伸范围超出坝基。沿坝轴线多年冻土分布情况见图1。

1.2 地层岩性

勘察深度范围内分布3种岩性多年冻土,分述如下。

图1 沿坝轴线多年冻土上下限深度变化曲线图Fig.1 Change curve of upper and lower depth of permafrost along the axis of the dam

2 多年冻土工程地质性质及评价

多年冻土的工程地质性质主要为冻胀性、融沉性和热学性质,三者直接影响到水库的整体运营和安全。根据冻土的物理力学性质及热学性质试验,得出冻土的塑限、总含水率、冻胀率、融化下沉系数、骨架比热、冻结状态导热系数等参数。依据ZK18孔和ZK20孔地温观测试验数据,得出研究区多年冻土层地温特征,各多年冻土层主要物理力学及热学参数值见表1,地温观测曲线见图2、图3。根据表1试验数据并结合地温观测数据对研究区多年冻土的冻胀性、融沉性和热学性质进行分析。

2.1 冻胀性

多年冻土层的冻胀类别为弱冻胀—冻胀,冻胀等级为Ⅱ-Ⅲ级,冻胀性较强。本区标准季节性冻土深度为3.0 m,个别地段冻结深度>3.0 m,冬季时砂砾石坝体自坝顶以下3.0 m范围内处于冻结状态,季节性冻土层对钢筋混凝土护板和坝体内砂砾石层产生冻胀力,不利于护板和坝体的稳定。沥青混凝土心墙在冻胀力作用下受到水平向的推力和向下的摩擦力,心墙易产生拉裂和弯曲变形,极易导致水库溃坝。

图2 ZK18孔地温观测曲线Fig.2 Geothermometers observation curve of ZK18 hole

图3 ZK20孔地温观测曲线Fig.3 Geothermometers observation curve of ZK20 hole

表1 多年冻土层主要物理力学及热学参数值表

2.2 融沉性

多年冻土层的融沉类别为弱融沉—融沉,融沉等级为Ⅱ-Ⅲ级。经初步估算,勘察区内多年冻土层最大融化下沉量为16.5 cm,沿坝轴线融沉量变化曲线见图4。

工程区内多年冻土层的厚度不均,总含水率各异,其融沉系数大小不一,多年冻土层融化后,坝基地层将产生不均匀沉降,过大的不均匀沉降极易导致沥青混凝土心墙变形和坝体开裂。融化的土体将使心墙表面受到竖直向下的负摩阻力作用,加速心墙变形破坏;融化的多年冻土层力学强度大幅降低,冻土融化面将演变成坝基中的软弱结构面,在渗透水流的作用下坝基沿软弱结构面滑动,导致坝基失稳,影响水库的正常运行。

图4 沿坝轴线多年冻土融沉量变化曲线图Fig.4 Change curve of thaw settlement and consolidation of frozen ground along the axis of the dam

2.3 热学性质

根据冻土试验资料和地温观测数据,并结合呼伦贝尔地区区域地温资料,工程区冻土层为高温多年冻土,冻土原状土样导热系数随着含水率的增加而增大,尤其在黏性土中更为显著。冻土骨架比热与颗粒粗细有关:颗粒越细,骨架比热越大。

工程区冻土具温度敏感性,在地温和环境温度较高时具强烈流变性,瞬时强度远远高于长期强度,是一种极不稳定的土体。水库蓄水后,多年冻土层的热平衡状态被打破,冻土层融化,对工程建设不利。

3 多年冻土地基处理措施及基础设计方案

3.1 地基处理措施

工程区多年冻土层为不衔接岛状多年冻土,具高纬度,低海拔,地温大多高于-1℃[4],不稳定、地势低洼处多年冻土更为发育,热稳定性差[5],活动层土体冻胀性强及地面敏感性等特点,属极不稳定带,场区的稳定性和适用性较差。建议设计方对岛状多年冻土融沉变形给建筑物造成的影响进行分析计算,并采取相应的处理措施,必要时,可考虑将建筑物地基内的多年冻土予以全部挖除。且在多年冻土层开挖过程中采取适当措施,防止开挖边坡失稳破坏。各多年冻土层开挖坡比建议采用值见表2。

表2 多年冻土层开挖坡比建议采用值

3.2 地基基础设计方案

(1) 在坝基基础设计时,对坝基及坝体可采取预留沉降量的措施来控制砂砾石坝的不均匀沉降和变形,并将建筑物地基内的多年冻土予以全部挖除。

(2) 可在钢筋混凝土护板上间隔适当距离设置贯通的横缝和纵缝,减小冻胀力对于坝体和护板的影响。

(3) 在坝基开挖边界处设置一定高度的挡墙,并与坝面钢筋混凝土护板相连接,挡墙深入稳定地层适当深度,防止多年冻土融化后,由于土体抗剪强度降低引发坝体滑坡的发生。

(4) 可将沥青混凝土心墙两侧采用干燥砂砾石换填,换填厚度>3～5倍心墙厚度,消除冻胀性和融沉性对沥青混凝土心墙的影响。

4 结语

(1) 不衔接岛状多年冻土对工程建筑物的主要影响为融沉变形,经初步估算,勘察区内多年冻土层最大融化下沉量为16.5 cm。由于岛状多年冻土层厚度不一,融沉系数各异,在其分布范围内最终融化下沉量也大小不一。

(2) 对岛状多年冻土融沉变形给建筑物造成的影响进行分析计算,并采取相应的处理措施,必要时,可考虑将建筑物地基内的多年冻土予以全部挖除。且在多年冻土层开挖过程中采取适当措施,防止开挖边坡失稳破坏。

(3) 冻土具温度敏感性,在地温和环境温度较高时具强烈流变性。水库蓄水后,多年冻土层的热平衡状态被打破,冻土层融化,对工程建设不利。

(4) 可采取适当的地基基础设计方案,消除多年冻土的冻害对建筑物的影响。

[1] 李静,盛煜,陈继,等.大通河源区多年冻土的地温特征及其影响因素分析[J].地理科学进展,2011(7):827-836.

[2] 王芳.博牙高速公路岛状多年冻土地区路基沉降处治技术研究[D].西安:长安大学,2011.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.冻土工程地质勘察规范:GB50324—2014[S].北京:中国计划出版社,2014.

[4] 殷玲,吴宝安,方明伟.呼伦贝尔多年冻土区工程地质特征[J].呼伦贝尔学院学报,2013(10):109-110.

[5] 杨永鹏,程东幸,伏慧霞.东北大兴安岭多年冻土区工程地质特征及评价[J].工程地质学报,2008,16(5):659-660.

(责任编辑：陈文宝)

Research on Permafrost Engineering Geological Properties andFoundation Design Schemes in a Hydro Project Area

LIU Xiubao

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Changchun,Jilin130012)

In this paper,taking a hydro project in permafrost area as an example,based on the engineering geological investigation,the frozen soil tests and the ground temperature observation data,the distribution and the characteristics of the existing permafrost are studied. The frost heaving,the thawing settlement and thermal property of the permafrost are analyzed. Then,the main engineering geological problems of the study area are pointed out,and corresponding foundation design scheme are proposed.

hydro-junction ; permafrost; frost heaving ; thaw settlement; thermal property; geothermal observation; freezing damage; foundation design

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

刘秀宝(1983-),男,工程师,工程地质专业，从事水利水电工程勘察工作。E-mail:liuxb1019@126.com

TU471.7

A

1671-1211(2016)03-0433-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.043

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1532.038.html 数字出版日期:2016-05-05 15:32