伊犁大吉尔尕朗水电站湿陷性黄土工程特性研究

于 为, 李 辉, 陈厚军

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830002)

伊犁大吉尔尕朗水电站湿陷性黄土工程特性研究

于 为, 李 辉, 陈厚军

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830002)

通过对某引水式电站引水渠道及前池地基黄土的物理性质及湿陷性研究，对物理参数和湿陷性相关性进行分析，总结新疆巨厚黄土的工程特性，通过现场地基处理施工的检验结果，对新疆巨厚自重湿陷性黄土处理方法进行探讨。

黄土;工程特性;湿陷性

新疆区内黄土层主要分布在天山北坡、准噶尔西部、伊犁、塔城等地,早在上个世纪中叶,新疆地震局冯先岳通过研究[1]认为,新疆黄土的时代为晚更新世,其颗粒成分、化学成分及矿物成分均与马兰黄土相当,该时代划分沿用至今。新疆天山褶皱系伊犁地块内中、新生代以来为内陆山间坳陷陆相沉积,新构造运动特征主要表现为断块之间差异性的升降运动。第四纪以来区域内较发育的水系沿河两岸形成了阶地地貌,晚更新世干热气候环境下在阶地顶面风积堆积了厚度70 m左右的黄土层,全新世以来在流水搬运作用下形成了年代更新的次生黄土层。在建的引水式电站位于伊犁特克斯河支流大吉尔尕朗河右岸,引水工程顺阶地前缘穿越大厚度黄土层,笔者以大吉尔尕朗河谷阶地上堆积的上更新统风积黄土为例,对黄土勘探及试验,系统测试分析黄土的工程地质特性,为湿陷性黄土处理提供依据。

1 工程概况

某引水式电站工程为中型,装机容量66 MW,设计发电流量55.42 m3/s,设计发电水头138.48 m;电站引水渠线长约11 km,沿大吉尔尕朗河右岸阶地自东向西延伸,其中K7+800～K10+874位于大厚度的湿陷性黄土层内;厂址区位于大吉尔尕朗河右岸,其中前池位于Ⅳ级阶地的顶部,基础下为大厚度湿陷性黄土。

2 黄土基本地质条件

2.1 黄土的分布特征

大吉尔尕朗河河谷近东西走向,两岸共发育Ⅰ-Ⅵ级阶地,阶面整体地形平坦开阔,地势东高西低,黄土细分为上更新统风积黄土及全新统坡洪积次生黄土,上更新统风积原生黄土主要分布在Ⅳ、Ⅴ级阶地的顶部,厚度30～70 m,自上游往下游厚度逐渐减小;全新统坡洪积次生黄土主要分布在冲沟沟口及Ⅳ、Ⅴ级阶地前缘斜坡的坡脚,主要为上更新统原生黄土在外力作用下发生二次搬运形成,厚度5～10 m。

2.2 勘探取样

大吉尔尕朗河河谷两岸阶地顶部的黄土由于厚度较大,采用竖井开挖进行人工取样,勘探深度最大仅20 m,施工时存在缺氧问题;采用钻探手段进行孔内取样,样品受扰动,很难满足试验要求。在此项目前期勘察工作中,在阶地的前缘斜坡不同高程开挖平硐,并在平硐内进行竖井开挖取样,既保证了安全又获取了合格的原状试验样品,试验成果为深部黄土处理方案的制定提供了可靠的基础地质数据。

2.3 黄土的粒度组成

通过对上更新统风积黄土室内颗粒分析成果进行统计,粒组0.075～2 mm颗粒含量2.0%～14.4%,平均值4.7%;0.005～0.075 mm颗粒含量75.5%～93.6%,平均值84.2%;<0.005 mm颗粒含量2.8%～21.8%,平均值11.1%;不均匀系数3.5～24,曲率系数0.9～4.1,液限25.2%～27.8%,塑限15.5%～18.5%,室内试验定名低液限粉土。整体来看,上更新统风积黄土不同深度内无明显的分层,主要由粉粒组成,与中国西北其他地区相比,粉粒含量偏大,粘粒含量偏小。

3 黄土的工程地质特征

3.1 物理力学性质测试结果

根据上更新统风积黄土的物理力学性质试验统计成果(见表1),工程区黄土的物理力学特性主要表现在以下几个方面:

(1) 含水量较低,自地表随深度增加含水量的变化差异较小,天然密度自地表随深度增加有变大的趋势,土体的孔隙比随深度增加有减小的趋势,与湿陷程度具较强的相关性。

(2) 压缩特性与黄土结构相关,土体原始基本单元结构形式不被破坏时,属中—低压缩性土;当含水量增大发生结构性破坏后,属高压缩性土。

(3) 工程区内黄土粒组较均一,含盐量相当,矿物成分基本相同,抗剪强度主要取决于土的含水量及密实程度。饱和黄土抗剪强度较天然状态下抗剪强度中粘聚力下降约1/2,内摩擦角下降约1/5。

表)风积黄土层物理力学试验成果汇总表

3.2 黄土湿陷性特征

黄土多呈灰黄色,多孔隙,土层均一,无层理,见含大小不一的蜗牛壳,白色物多呈星点状分布,柱状节理在局部探坑7～10 m深度中可见,但并不普遍,自阶面算起埋深30 m以下土体内含姜结石,分布不均,局部密集。

Ⅳ级阶地黄土段引水渠道(K9+300)黄土分布高程1 226～1 187 m,总厚度39 m,其中高程1 226～1 204 m黄土具中等—强烈湿陷性,湿陷起始压力65～110 kPa;1 204 m以下为轻微—非湿陷性土,湿陷起始压力185～295 kPa。引水渠道(K10+500)黄土分布高程1 226～1 175 m,总厚度51 m,勘探深度至高程1 190 m,其中高程1 226～1 201 m黄土具中等—强烈湿陷性,湿陷起始压力52～123 kPa;1 201～1 190为轻微湿陷性土,湿陷起始压力98～172 kPa。

前池黄土的分布高程在1 214～1 170 m,总厚度44 m,其中高程1 214～1 192 m范围内22 m黄土具中等—强烈湿陷性,湿陷起始压力50～125 kPa;1 192～1 185 m范围内7 m厚黄土具轻微湿陷,湿陷起始压力125～200 kPa;1 185～1 170 m为非湿陷性土。

Ⅳ级阶地黄土场地建基面以下属自重湿陷性场地,湿陷等级为Ⅱ(中等)—Ⅲ(严重)。

3.3 渗透特性

3.4 物理参数与湿陷相关性分析

建立湿陷性黄土的物理指标与湿陷性之间的相关性,从而通过容易测定的物理性质估测其湿陷特征,以供工程应用参考。

对大吉尔尕朗河阶地上更新统风积黄土275组物理性质实验数据进行变异性分析:土的物理指标中,比重的变异系数最小,颗粒组成及液、塑限变异系数较小,说明土体物质组成比较均匀,含水量变异系数最小,孔隙比、干密度变异系数相对较大。

对土体通过散点图分析(图1),天然状态下干密度>1.4 g/cm3,为非湿陷性土;干密度<1.4 g/cm3,为湿陷性土;干密度与湿陷程度呈正相关关系。

图1 黄土湿陷系数与干密度散点图Fig.1 Scatter diagram of loess collapsibility and dry density

4 湿陷性黄土工程处理方法探讨

湿陷性黄土作为一种特殊性土,其最显著的特征为在一定条件下具有结构性,在保持其特有的结构时具有较高的强度,同时其又属于欠压密土,这种特有的结构特征造成其在低含水量时先期固结压力过高,使得超固结比(OCR)常>1,一般可达2～3。但遇水结构遭到破坏时发生湿陷变形,抗剪强度及承载能力均显著下降,不能满足建筑物基础的要求。通常水利工程为临水工程,在避无可避的工况下,需要研究既能保证工程安全又不失经济性的处理方法,过往的工程经验中有“防”和“治”两种思路,“防”即采取两种以上防渗处理措施避免建筑物基础以下土体发生渗漏,防止产生湿陷,但在施工质量不能很好保证的前提下,“防”不能做到万无一失,一旦有渗漏,安全隐患依然存在;“治”即采取工程措施,消除或部分消除黄土的湿陷性,即便发生浸水事件,危害也可以承受。

“防”的优点在于经济易行。在本次引水电站建设的前期勘察设计阶段,针对前池的基础,曾提出自上而下两布一膜+灰土垫层+强夯的处理方法,两布一膜和灰土垫层均可发挥防渗作用,灰土垫层对增加基础土体承载能力也有作用,另外强夯在消除部分深度内黄土湿陷性的同时,其影响范围内黄土的透水性也由中等透水变化为弱—微透水层,这样即便两布一膜和灰土发生渗流,能透过非湿陷土体进入下部湿陷土体的水量也不足以破坏下部黄土所特有的结构性,从而发生工程风险。这种前池基础处理方案最终没有被采纳的原因主要有两点:①前池位于Ⅳ级阶地的前缘,距厂房高差120 m,在不利工况下发生破坏,影响工程运行的同时危及厂房及压力管坡;②因前池基础下部的湿陷性黄土厚度16 m,上部9 m为中等—强烈湿陷性土,下部7 m为微湿陷性土,工程长期运行时存在土体发生湿陷变形的可能性。最终本工程前池基础采用钻孔灌注桩,桩端持力层为卵砾石层。另外在钻孔灌注桩施工前,对场地进行强夯处理,消除了部分黄土层的湿陷性,桩侧阻力也得到了加强。

“治”的优点在于消除黄土的湿陷性,排除工程隐患,缺点是施工周期长,与“防”的措施相比经济并不占优。目前,关于消除黄土的湿陷性,其主要的工程措施有浸水法及强夯。浸水法因黄土属于弱透水层,工程实践表明浸水影响深度较小、耗时且处理效果并不理想,也有采取等距的钻孔穿透湿陷土层,在孔内注水,让黄土饱和,在自重压力下沉降稳定的做法,该方法施工周期长、工序繁琐,目前采用也较少;用“强夯法”消除黄土的湿陷性是比较普遍的一种处理方式,强夯方案制定过程中处理深度的确定(用多大的夯能既可以消除湿陷性又经济)是采用强夯处理的重点。

本工程采用“强夯”对引水渠道及前池的湿陷性黄土进行处理,分别采用夯击能8 000 kN·m和7 000 kN·m,夯点间距6 m,呈正三角形布置,进行两遍点夯,一遍满夯,拟处理深度8 m。通过对夯前及夯后土体物理性质进行对比分析,采用7 000～8 000 kN·m的夯能对土体进行夯实后,土体的压密程度随深度增加逐渐减小,从土体孔隙比来看,自起夯面6 m深度内孔隙变小幅度较大,减小15%～27%;采用8 000 kN·m和7 000 kN·m基本没有差异。从湿陷系数对比,强夯后土体湿陷程度随孔隙减小而变小,整体也是6 m范围内处理效果明显,下部土体不能完全消除其湿陷性,有效深度较GB50025—2004[2]中偏小。从渗透系数对比,夯后土体透水性变小。

对于含水量较低的湿陷性黄土,因其特有的结构性,加大夯能后,土体侧向挤出在起夯面发生隆起的现象可能变得显著,垂直方向上的土体压密效果变化不大,有效处理深度可能不会增大。

5 结语

(1) 工程区范围阶地顶部总厚度50 m左右的原生黄土,其湿陷深度在30 m左右,上部20 m为中等—强烈湿陷,下部10 m为轻微湿陷,底部的原生黄土不具湿陷性。新疆伊犁盆地周边黄土成生的条件相近,本工程分布规律具有一定的代表性。

(2) 黄土湿陷性与物理指标之间具有较好的相关性,用物理指标对黄土的湿陷性进行预测,对工程应用和地区经验的建立具有实际意义。

(3) 湿陷性黄土的处理宜“防治结合”,经济与安全统筹兼顾,勘探试验工作的数量和质量是制定科学合理处理方案的基础。

(4) 湿陷性黄土天然状态下含水量大幅低于最优含水率,且由于黄土具有的特殊结构性,采用“强夯”进行处理未必是夯能越大影响深度越大。

[1] 新疆地质学会.新疆第四纪地质及冰川地质论文选集[C].乌鲁木齐:新疆人民出版社,1983.

[2] 中华人民共和国建设部.湿陷性黄土地区建筑规范:GB50025—2004[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

(责任编辑：于继红)

Study on Engineering Characteristics of Collapsible Loess inErgalang Hydropower Station,Ili

YU Wei, LI Hui, CHEN Houjun

(Planning,DesignandResearchInstituteofXinjiangProductionandConstructionCorps,Urumuqi,Xinjiang832000)

Through the study of physical characteristics and collapsibility of diversion channel of diversion power station and forebay foundation loess,the paper analyses the correlation between physical parameters and collapsibility,summarizes engineering characteristics of thick loess.Through test results of foundation treatment,treatment methods of self-weight collapse loess are discussed.

loess; engineering properties; collapsibility

2016-04-22;改回日期:2016-06-01

于为(1974-),男,高级工程师,矿产地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:392339446@qq.com

P642.13+1

A

1671-1211(2016)03-0442-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.045

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.004.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31