王圪堵水库左坝肩坝基砂土湿化及压缩变形分析

杨聚利

（陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西 咸阳 712000）

王圪堵水库位于榆林市横山县，为无定河中游的水沙控制性水利工程，以供水、拦沙为主，兼顾灌溉、发电和防洪等综合功能。水库控制流域面积1.075万km2，总库容3.89亿m3，属大（2）型，设计坝型为碾压均质土坝。枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和坝后电站等建筑物组成。其中，坝基由左坝段冲湖积细砂夹砂质、粉质壤土、河床段冲积细砂和右坝段基岩斜坡构成[2]。

1 地质概况

1.1 地形地貌

王圪堵水库左坝段为典型的沙漠地貌，由沙丘、沙梁及洼地组成，分布高程1070 m～1090 m。岸坡较为陡峻，自然坡度35°～50°。河谷地形相对开阔，分布高程 1007 m～1009 m，相对高差60 m～80 m。

1.2 地层岩性

左坝段地层主要以第四系上更新统冲湖积（Q31al+l）⑧层细砂为主，灰黄色，石英、长石为主，较均，中密状，具水平层理，一般厚度0.6 m～30.0 m，夹粉细砂及砂质壤土。粉细砂灰黄色，分选性好，以石英、长石为主，云母次之，较纯净，松散，厚度1.0 m～12.0 m，主要分布于高程1064.0 m以上。砂质壤土，灰～青灰色，以粉粒为主，含粉细砂，不均，稍湿，发育水平层理，厚度一般0.3 m～1.5 m，最大厚度7.50 m，该地层不稳定，局部呈透镜状。

下卧侏罗系上统安定组（J3a）砂岩、粉砂岩、泥质砂岩夹泥岩或泥岩夹泥质砂岩：紫红色、浅灰色、暗紫红色，薄～中厚层状，岩面分布高程996.3 m～998.7 m。

1.3 地震及砂土液化

王圪堵水库坝址区地震峰值加速度0.05 g，特征周期0.35 s，相应地震基本烈度为Ⅵ度。上更新统(Q3)砂土可不考虑液化问题[2]。

1.4 水文地质

左坝段地下水类型为沙漠孔隙潜水，分布于沙漠区下部，含水层为细砂，厚度一般20 m～50 m，水位埋深一般30 m～60 m，出露高程1008.0 m，相对隔水层为下伏基岩。受大气降水补给，向河谷排泄。

2 左坝肩工程地质评价及建议

左坝肩冲湖积(Q31al+l)细砂压缩系数av=0.2 MPa-1,具中低压缩性和中、强透水性。坝体填筑过程中,压缩变形完成过程快,坝基总体变形不会很大。天然相对密度(Dr=0.28)与规范中对砂料的填筑要求密度(Dr=0.7)相差甚远；加之坝基砂层厚度变化大，存在差异性变化。对坝基砂土利用时应进行工程处理。其次，坝基第⑧层冲湖积砂土 ρd=1.54 g/cm3，Dr=0.28，J允许=0.15，均存在渗透稳定问题，须进行处理。建议对砂层宜采取强夯振密或振动密实及反滤措施[1]。

3 坝肩坝基工程地质分析

工程于2008年10月开工兴建，2010年5月基本完成左坝肩坝基（坝上0+144 m～坝下0+126 m）开挖。揭示坝基岩性为⑧层细砂，局部夹砂质壤土。所揭示地层结构与初步设计阶段勘察成果一致。为进一步了解该层在水库蓄水后的沉降变形特征，为采取相应的措施提供依据，故对坝基砂土层变形问题进行专题研究。方法采用野外密度试验、室内湿化、天然含水状态和浸水状态的压缩试验[3]。

3.1 坝基砂土物理力学特性

左坝肩坝基上更新统冲湖积（Q31al+l）⑧层细砂和⑧-1、⑧-2、⑧-3层砂质壤、粉质质壤土呈互层或夹层状，如图1。

图1 左坝肩坝基边坡工程地质剖面图

3.2 砂土物理力学指标分析

第四系上更新统冲湖积 (Q3ai+l)⑧层细砂为坝基主要持力层，按分布高程将坝基划分三个单元进行试验和统计分析，按高程自上而下分别为1065 m～1040.0 m、1040.0 m～1025.0 m、1025 m～1008 m段。便于叙述以下简称为上、中、下段[5]。

野外密度试验采用环刀法和灌水法平行对比，分别为14组、6组和5组、相对密度各8组。上段ρ=1.70，ω=5.91%，ρd=1.61，Dr=0.42；中段 ρ=1.66，ω=3.13%，ρd=1.61，Dr=0.47；下段 ρd=1.61，ω=2.33%，ρ=1.58，Dr=0.43。各段砂土均为中密状。

砂土室内颗分试验每段8组。上段Cu=2.59，值域3.03～1.98，Cc=0.83，值域1.26～0.73，属级配不良的砂和分土质砂，即粉细砂；中段Cu=3.21，值域3.45～2.17，Cc=0.92，值域1.21～0.87，为级配不良砂。下段 Cu=3.15，值域 4.59～1.74，Cc=1.21，值域1.89～0.81，属级配不良砂，即中下段为细砂。

湿化采用室内浸水压缩试验如表1。

表1 坝基砂土湿化试验成果汇总

坝基砂土压缩试验采用天然含水状态压缩和浸水状态压缩两种工况进行对比试验，两种状态的最大压力均为1200 kPa。当压力为200 kPa时，上段天然状态下e=0.853，a1-2=0.24，含水状态下 e=0.763，a1-2=0.21；中段天然状态下 e=0.745，a1-2=0.11，含水状态下e=0.716，a1-2=0.11；下段天然状态下e=0.794，a1-2=0.10，含水状态下e=0.776，a1-2=0.11，均具中低压缩性。

当压力为400 kPa时，上段天然状态下e=0.827，a2-4=0.13，含水状态下e=0.743，a2-4=0.10；中段天然状态下e=0.732，a2-4=0.062，含水状态下e=0.704，a2-4=0.057；下段天然状态下e=0.780，a2-4=0.068，含水状态下 e=0.766，a2-4=0.050。该级压力下仅上段砂土具中低压缩性，中、下地段均为低压缩性砂土。

压力为800 kPa时，天然状态下各段孔隙比分别为0.801、0.717和0.768，压缩系数分别为0.065、0.038和0.031，浸水状态下各段孔隙比分别为0.720、0.690和0.754，压缩系数分别为0.058、0.035和0.030，均为低压缩性。

压力为1200 kPa时，上段趋于极限，中段和下段天然状态孔隙比分别为0.706和0.754，压缩系数分别为0.027和0.034，浸水状态下各段孔隙比分别为0.680和0.743，压缩系数分别为0.026和0.027，均为低压缩性；

天然含水状态和浸水状态各级压力与孔隙比如表2，e-p曲线如图1～图3。

表2 天然和浸水状态各级压力与孔隙比变化表

图1 上段天然含水状态、浸水状态下e-p曲线

图2 中段天然含水状态、浸水状态下e-p曲线

图3 下段天然含水状态、浸水状态下e-p曲线

3.3 坝基砂土变形特征

颗分资料显示，左坝肩坝基砂土中段和下段以细砂为主，局部夹粉细砂薄层。其中上段粉细砂为主，与粉质壤土呈互层状。

上段砂土 ρ=1.70 g/cm3，ρd=1.61 g/cm3，Dr=0.29～0.53，平均值0.42，Psh=25 kPa，Pc=72 kPa，δzs=0.051、中段砂土 ρ=1.66 g/cm3，ρd=1.61 g/cm3，Dr=0.27～0.56，平均值 Dr=0.47，Psh=77 kPa，Pc=355 kPa，δzs=0.016、下段砂土 ρ=1.61 g/cm3，ρd=1.58 g/cm3，Dr=0.33～0.56，平均值 Dr=0.43，Psh=150 kPa，Pc=811 kPa，δzs=0.009。故而，砂土天然状态属中密。中密砂土遇水后，结构会发生变化，即颗粒重新排列，产生相应变形。上覆压力作用的不同，高程1040 m以下部分的变形更小。

压缩试验显示，上段砂土天然状态下，压力在200 kPa时，e=0.853，e-p曲线较平缓，如图1，砂土具低压缩性；浸水状态下，当压力在200 kPa时，e=0.763，e-p曲线在第一级压力阶段斜率较大，表明孔隙的可压缩性高，在第二级压力后趋于平缓，显示低压缩性特征。同一压力下，天然状态与浸水状态孔隙比变化较大，天然与浸水两状态下其压缩变形有一定差异。

中段砂土天然状态下，压力在200 kPa时，e=0.745，浸水状态下e=0.716，两e-p曲线均较平缓，如图2，e-p曲线在第一级压力下也显示较大斜率，表明砂土具可压缩性。第二级压力之后，同一压力天然状态下与浸水状态下孔隙比变化较小，其压缩变形差异不大。

下段砂土天然状态下，压力在200 kPa时，e=0.794，浸水状态下e=0.761，两e-p曲线均较平缓，如图3，砂土为低压缩性。同一压力天然状态与浸水状态下孔隙比变化小，其压缩变形差异不明显。

3.4 粉质壤土物理力学指标分析

第四系上更新统冲湖积(Q3ai+l) 粉质壤土在左坝肩各段均有分布，按分段分为⑧-1、⑧-1、⑧-3三层。其中，上段⑧-1层主要布于高程1050 m以上，与细砂层呈互层状，相变较大，层厚0.3～1.5 m，最大厚度7.5 m。砂粒含量32.1%，粉粒含量62.4%，粘粒含量5.5%，塑性指数Ip≤10，为含砂低液限粉土。e=0.720，Es=16.76 kPa，a1-2=0.11，c=20 kPa，φ=25.9°；

中段⑧-2层粉质壤土主要布于高程1028.9m，层厚2.3m。砂粒含量6.9%，粉粒含量大于76.6%，粘粒含量16.5%，Ip=13.1，为含砂低液限粉土。e=0.671，Es=18.86 kPa，a1-2=0.090，c=27kPa，φ=25.8°；

下段⑧-3层粉质壤土分布高程1016.0 m，层厚1.2 m。⑧-3层砂粒含量约16.0%，粉粒含量65.6%，粘粒含量18.5%，Ip=15.3，为地液限黏土。e=0.651，Es=11.97 kPa，a1-2=0.17，c=58 kPa，φ=23.7°。

三层粉质壤土均属低压缩性土层，且为相对隔水地层，工程地质性能较好。

4 坝基砂土湿化、压缩变形分析

4.1 坝基砂土湿化变形

砂土湿化变形是指砂土从天然状态浸水后，即使没有外荷载，松弛的颗粒结构重新排列，引起变形和应力改变，从而降低强度，在外荷载作用下会产生不均匀沉降或拉裂。坝基砂土存在湿化变形，对填筑体变形、稳定、开裂和渗透破坏都有较大影响。

4.2 坝基砂土压缩变形

坝基砂土天然状态下属中密，含水量自上而下逐渐减小，与该段互层的砂质壤土有关。结合不同状态及压力下孔隙比变化曲线综合分析，三个单元天然状态和浸水状态下压缩变形具规律性。①上段砂土ρd=1.52 g/cm3～1.60 g/cm3，Dr=0.29～0.53，天然状态下呈稍密～中密，两种状态均具有中高压缩性。由天然状态至饱水状态过程具明显的湿化变形和压缩 变形。②中段砂土 ρd=1.46 g/cm3～1.62 g/cm3，Dr=0.36～0.56，天然状态下为中密。浸水后压缩变形量较小。③下段砂土 ρd=1.56 g/cm3～1.59 g/cm3，Dr=0.33～0.56，天然状态下为中密。浸水后压缩变形不明显。④坝基自河床至高程1040 m，随高程抬高，干密度和相对密度逐渐减小，压缩性增大，具湿化变形量增加的特点。

通过上述分析，左坝段坝基砂土存在一定的湿化变形，进行处理后方可作为坝基利用。

5 结语

第四系上更新统冲湖积(Q3al+l)砂土在无定河以北广泛出露，也是该地区最常见的岩土层，该土层作为建筑物地基，存在一定的湿化变形问题。本地区地震基本烈度为Ⅵ度，可不考虑液化。因此，针对建筑物特征，对地基土进行分析评价，采用适当的加密措施（如水坠法或加水碾压）后，可进行充分利用，是非常经济的。