阁老湾水库湿陷性黄土处理方案设计

赵 亮

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 工程概况

兴县阁老湾水库位于汾河支流南川河中游的康宁镇阁老湾村西侧30 m，距离兴县县城约28 km，是一座以防洪、灌溉为主的中型水库。水库大坝坝址以上河道长度为26.76 km，控制流域面积169 km2，河道平均纵坡14.27‰。水库于1976 年10 月动工兴建，1982 年基本完成建设。水库枢纽由大坝、溢洪道、泄洪洞和灌溉涵管四部分组成。其中枢纽大坝为水力充填均质土坝，最大坝高29 m，总库容1 111 万m3。

2 存在的湿陷性问题

根据《阁老湾水库大坝安全鉴定报告书》相关内容，大坝存在以下与湿陷性相关的问题。大坝坝体土结构松散，土质不均，坝体右侧部分坝段坐落在湿陷性黄土上。坝基的砂卵石层未进行过防渗处理，大坝右坝肩为Ⅱ等湿陷性场地，且未进行过任何处理。因此，必须针对相关问题进行彻底的湿陷性处理，以达到消除湿陷性，加固基础，保证水库安全运行的目的。

3 相关工程地质情况

大坝右坝肩下为第四系上更新统洪冲积（Q3pal）淡黄色低液限黏（粉）土，此处竖井取样的土体干密度为 1.28～1.52 g/cm3，平均值为 1.39 g/cm3；天然压缩系数（av1-2）为 0.08～1.00 MPa-1，平均值为 0.32 MPa-1，判断具有中等～高度压缩性；土体取样湿陷系数（δs2.0）为0.001～0.060，自重湿陷系数（δzs）为0.001～0.054，具湿陷性，判断湿陷土层厚度为5.0～13.0 m。根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50025-2004，场地自重湿陷量的计算值Δzs和湿陷量的计算值Δs分别选用公式（1）、公式（2）进行计算，计算时场地土的自重湿陷量的计算值Δzs自天然地面算起，湿陷量Δs自基础底面算起。

式中：δzsi——第i层土的自重湿陷系数；

δsi——第i层土的湿陷系数；

hi——第i层土的厚度，mm；

β0——因地区土质而异的修正系数，本区取0.50；

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，基底下0～5 m 深度内取 1.5，5～10 m 取 1.0，10 m 以下至非湿陷性土层顶面，在自重湿陷性场地，取工程所在区的β0值0.5。

经计算，地基土自重湿陷量为558.7 mm，湿陷量为722.2 mm，可判断此场地属自重湿陷性场地，湿陷等级为自重Ⅳ级（很严重）。右坝肩探井土样土层饱和度Sr平均值为35.2，平均含水率W为11.7%，其中3～13.5 m 土层含水率为 7.1%～9.3%。

4 处理的特点及难点

本工程为枢纽除险加固工程，且工程情况复杂，故处理该地区的湿陷性黄土还需考虑以下问题：

一是大坝右坝肩基础湿陷等级为自重Ⅳ级，湿陷等级高，自重湿陷量为558.7 mm，湿陷量巨大，为保证大坝蓄水后安全运行，必须完全消除其湿陷性。

二是湿陷土黄土层位于大坝右坝肩坝体之下，消除其湿陷变形影响不可避免地会影响大坝坝体。处理方案应选择影响较小，可避免危及相邻坝段安全的方案，且方案需考虑如果出现影响，也可用工程措施进行补救。

三是该湿陷性土体影响范围包含大坝约200 m坝段，范围大、厚度深，处理方案应适应大面积施工，并适当控制费用及工期。

四是在水库现有溢洪道右侧有阁老湾村，最近处距离村庄民房距离仅10 m 左右，处理方案应充分考虑村庄建筑及村民的安全。

5 常用的湿陷性黄土地基处理方法比较

根据《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025-2018），湿陷性黄土地基常用处理方法包括：换填法、碾压法、强夯法（动力固结）、预浸水法、挤密桩法、注浆法等。

换填法：将基础底面下部一定范围内的湿陷性黄土土层进行挖除，然后以质地相对坚硬、强度较高且具有抗侵蚀性的灰土、素土、砂、石等材料进行分层充填，并依靠人工或机械方式分层进行压实、振动，以达到要求的密实度。湿陷性黄土地基坝段长约200 m、宽约25 m、高约5 m、湿陷土层厚度5～13 m。采用此方法需要拆除坝体、挖除坝基湿陷土层，并重新填筑此段坝体。施工费用巨大、方案可行性差。

碾压法：使用推土机、压路机等碾压机械进行碾压施工，利用机械自重将地基基础压实并加固。此方法多用于基础浅表地层，该地层湿陷深度为5.0～13.0 m，方案可行性差。

强夯法（动力固结）：采用较大重锤，从高处自由落下，对较厚的软土层进行强力夯实处理，工艺相对简单，施工速度快。根据目前经验8 000 kN·m 能级也仅能处理7.5～8.5 m 厚土层，并且振动巨大，可能造成大坝整体滑坡、形成大坝坝体裂缝，危及处理坝段及相邻坝段的安全，同时对相邻村庄产生较大危害，方案可行性差。

预浸水法：向人工水洼或钻孔内进行注水，土体产生湿陷沉降变形，待湿陷沉降变形稳定后停止注水，消除黄土的大部分湿陷量。此方法施工工艺相对简单，缺点是施工过程中需定时对黄土湿陷性进行检测，直到消除大部分湿陷方可停止浸水，施工工期无法保证，单独使用方案可行性差。

挤密桩法：用振动、冲击或打入套管等方法在地基中成孔，然后向孔中填入填料，采用夯实、挤压的方法形成土中桩体，从而达到加固地基的目的。此处理方法将造成处理坝段及一定范围相邻坝段的大坝上下游面松动开裂。解决方法为在挤密法处理完成后挖除松动坝体并进行重新填筑，后灌浆封堵坝体裂缝。但该段土层含水率低于挤密桩法有效作用含水率范围较多，可能在施工过程中产生挤密效果不明显，无法完全消除黄土湿陷性等问题，尚需配合其它处理措施。具有一定的可行性。

注浆法：针对本工程条件，技术上可采取注浆法中的碱液加固法。其作用机理为：将氢氧化钠溶液灌入黄土中后，会与黄土中碱土金属阳离子发生置换反应，逐步在土粒外壳部位形成一层主要成分为钠的硅酸盐及铝酸盐的胶膜，此胶膜与土粒周围钙离子结合形成强度高、极难溶解的钙—碱—硅络合物，可使土体牢固粘接在一起，土体因此得到加固。此法多用于面积较小、处理土层厚度不大的建筑基础。技术施工难度较大，施工费用较高，同时也缺乏大面积、大深度使用的经验。可行性较差。

6 处理方法的选择

综合比较以上的方案及本项目的工程特点，采用预浸水法和素土挤密桩法综合处理的方案较为合理。

设计方案分为两步实施，第一步采用人工预浸水湿润，既可消除部分湿陷性又可以为土层增加含水率，使其达到挤密桩法合理的含水率范围，且仅浸水湿润的施工时间远小于全部预浸水法处理的时间，浸水工期大大缩短。

处理方法：首先在右坝肩坝顶挖除0.3～0.5 m 厚度土层，设置浅层水洼，后在水洼底部布置直径80 mm，间距1～2 m，深度为处理土层厚度3/4 的钻孔。水洼底部不应依常规设置砂砾石层，渗水孔内更不能填充砂砾，以免形成蜂窝状渗流通道。其次向水洼内逐渐注水，并严格控制其注水量，防止含水率过高。在浸水后1～3 d 对地面进行晾干，同时取土样检测其含水率是否满足素土挤密桩适宜的含水率要求。

第二步进行素土挤密桩施工。当含水率满足要求时，进行素土挤密桩施工。施工完毕后对表层松动的坝体应挖除重填，对坝体内缝隙采用泥浆灌浆封堵，对水洼钻孔必须回填密实，且孔内严禁填充砂砾及小石子，以免在坝体内部留存蜂窝状的渗流通道，危害坝体安全。

在施工前，可先行在大坝上下游坝脚设置水池，进行浸水实验，并根据实验效果确定水池布置方案及施工控制参数。