变电站基坑回填土地面沉降分析

赵海飞，蒋 涛，钟波波

(内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010011)

0 引言

回填土是指在工程施工中，完成基础等地面以下工程后再返还填实的土。人类活动破坏了原状土体的天然结构，回填过程中存在忽略施工质量，出现因回填土不均匀沉降导致建筑物不能正常使用，甚至开裂的现象。徐大伟[1]等总结了填土具有非均匀、抗剪强度低、密度小、固结程度低、土质疏松、孔隙大、结构性差等特征。回填土构成复杂、堆积方式各异、工程性质独特、规律性差，所以回填土不均匀沉降一直是工程的难点。

本文以某500 kV变电站基坑回填土地面不均匀沉降为例，通过现场勘察及场地水文地质条件调查，分析了回填土地面沉降的原因，并提出了针对性的处理措施。

1 工程概况

1.1 回填土勘察情况

某变电站500 kV保护小室室内，以及500 kV架构、220 kV架构基础周围地表均发生了明显的不均匀沉降，如图1所示。

图1 地表不均匀沉降

针对不均匀沉降地段进行了探井勘察，勘察情况如下：

①在500 kV架构地段基础回填坑内布置一个探井，探井编号TK01，该地段回填土为粉质黏土，局部混粉土和少量砂砾及混凝土碎块，稍湿—很湿、铁锹易挖、松散状态；②500 kV小室室内因设备正在运行，只能在外墙西侧布置一个探井，探井编号TK02，该地段回填土为粗砾砂混粉土，稍湿—饱和，级配良好，铁锹易挖、松散—稍密状态；③在220 kV架构地段基础回填坑内布置一个探井，探井编号TK03，该地段回填土为粉土，局部为粉质黏土，混少量砂砾及混凝土碎块，稍湿、铁锹易挖。

探井开挖时，回填土可以用锹轻松挖掘，而原状土必须用镐才能挖掘，说明该回填土密实度差。

1.2 回填土物理力学性质

勘察时在探井内进行灌水试验测定回填土的湿密度，以及取回填土进行室内压缩试验和击实试验，测定压缩模量和计算回填土的压实系数，并对回填土进行了轻型动力触探试验。土工试验结果见表1所列，轻型动力触探试验击数直方图如图2所示。

表1 土工试验结果表

分析表1试验数据可知：回填土不均匀，压实系数在0.74～0.86之间；回填土压缩模量在1.90～3.92 MPa之间，属高压缩性土。说明该回填土未被有效压实，经过自然固结后，现阶段回填土的密实度仍然较差[2]。

图2 轻型动力触探试验击数直方图

从图2看，各回填土的触探曲线形状各异，说明回填土回填不均匀，而且回填土触探试验击数与原状土触探试验击数相差较大。

2 地下水评价

2.1 场地水的补给与排泄

勘察中为了了解地下水条件，在原状土地段又布置了两个探井，编号为TK04与TK05。

探井TK01水位为地表下2.5 m，水量较少，只是在2.5～2.8 m处为很湿状态，开挖后可以看出该处明显有水渗出；探井TK02水位为地表下2.3 m，水量较大，水位以下有明显的坍塌现象；探井TK03地表下3.3 m未见地下水；TK04地表下3.2 m未见地下水；TK05水位为地表下1.5 m，水量较少，只是在1.4～1.5 m处为很湿状态，开挖后可以看出该处明显有水渗出。

场地水的补给与排泄如图3所示，场地内地下排水管网及绿化管网埋深均在3.0 m以下，且分布较多。调查管网井内的水位，发现大部分管网井内存在积水，水位在地表下1.0～2.6 m之间，管网井内水位与探井中的水位基本一致，说明井内与井外地下水通过渗透可以相互流通。管网井内的水是由于上部回填土区降水渗入及周围基坑内水的渗入造成，同时该管网与自来水管网相连，管网损坏或渗漏也有可能产生积水。

图3 场地水的补给与排泄

主控楼附近管网井内水位最浅，埋深在地表下约1.0 m，原因主要为两方面：①该地段有自来水管线，地面下沉可能将该管线损坏，导致自来水的渗漏，加上排水管网排水不畅造成；②大气降水入渗造成，在井的外侧挖探坑测量水位，井内水位高于外侧地基土中的水位，说明周围地基土中的地下水受井内水的补给。

这些管网井内的水可以通过管网或铺设管网时形成的回填土渗透到场地内的其他地段。

通过调查，变电站2013年的扩建施工中，与原有基坑相连的基坑开挖后有地下水，局部水量较大；与原有基坑距离较近的基坑开挖后也有地下水渗出，地下水沿坑壁薄层砂夹层缓慢渗出；与原有基坑距离较远的基坑开挖后未见地下水渗出。

开挖有地下水的基坑通过明排均可将基坑内的水排完，场地内回填土地段地下水也可通过明排等方式排出。

2.2 地下水类型

场地原地表为粉土层，一般厚度在0.5～1.5 m之间；其下主要为粉质黏土层，杂色、稍湿、硬塑—坚硬状态，存在粉土或细砂、粗砂夹层。地表下20 m深度范围内无地下水。

现场地内部分地段已经存在地下水，且各个地段地下水埋深不同，地下水主要分布在回填土地段及其附近，在远离回填土地段的原状土层处，基础埋深范围内无地下水。结合地层资料，地下水为基础底面以下、粉质黏土层以上的上层滞水，主要是由于当时基础施工时基坑采用大开挖的形式，基坑尺寸较大，回填时回填土压实处理效果差，大气降水很容易渗入到基坑内，形成坑内滞水，且当时部分基坑采用砂土回填，回填土较松散，大气降水容易渗入到坑底，使基坑内水量增大；部分基坑采用开挖出的粉质黏土和粉土回填，黏性较大，减缓了大气降水下渗的速度，致使部分降水流走和蒸发，因此这些基坑内水量较少。

近几年由于该地区降水量增加，大部分回填土地段出现了不同程度的地面下沉，使得周围一定范围内的降水汇集到了回填土地段，回填土地段基坑内的地下水水量逐年增加。

3 沉降原因分析及应对措施

3.1 地面沉降的直接原因

根据工程经验，深度较小的基坑回填土自压密产生的沉降很小。事实上由于基坑回填土回填范围小、场地不规则、距离基础近，常规压密设备无法使用，往往采用人工夯实，使得大部分工程基坑回填土压实度达不到要求，但产生沉降的概率很小，说明达到一定密实度后，土的自压密产生的沉降是有限的。根据调查，变电站建设完成后6～8 a后才出现地面下沉现象，这时土的自压密已经完成，产生沉降的直接原因并非回填土的压实度不够。

近年来当地生态气候变化，降雨量大幅增加。现场勘察证明，基坑回填土内普遍含水量较高，甚至达到了饱和。回填土在压实度较小的情况下具有浸水湿陷性，地下水可以破坏土的原有力学平衡，使土体加速密实，体积变小，从而造成地面下沉。近年来出现了许多变电站地面沉降的现象，主要是回填土产生的沉降。回填土未严格压实是工程中普遍存在的问题，但地下水的浸泡才是造成地面下沉的直接原因。

3.2 变电站内基坑回填土被水浸泡的原因分析

由于降雨量增大及地表未采取防渗入措施导致回填土含水量增加，造成了局部地面沉降。局部地面的沉降破坏了地表的散水，在地表形成了汇水洼地，加速了雨水的渗入，基坑积水增加，导致地面下沉加速。同时地面下沉的增加对地表排水、散水及地下管网造成了破坏，也加速了地表积水和地下管网渗漏水向基坑回填土内渗入。

在北方黏土地区，基坑采用大开挖方式，且采用砂砾石回填，使雨水很容易灌满整个基坑，由于基坑较深，不宜被蒸发掉，再加上各种管道(线)沟的连通，使整个场地内的地下积水贯通，加速了基坑回填土的饱和。

含水量的增加导致了地面下沉，地面下沉又导致地表积水、地下管网和地表散、排水设施损坏，加速了水的渗入，回填土内含水量继续增大，导致回填土地面继续下沉，如图4所示，形成了一个恶性循环。

图4 不均匀沉降分析图

综合分析，近年来一些变电站内部地面沉降的原因多为基坑回填土受水浸泡。降雨量增大、采用透水性好的材料回填、黏性土地区基坑积水不宜被排走、局部地表下沉及排水设施破坏后维修不及时、场地地下供排水管网的破损、地表未采取防渗措施等原因都可以造成基坑回填土被水浸泡。综上，地表水控制不当及输水管线的渗漏造成了变电站基坑回填土被水浸泡。

3.3 应对措施

针对以上沉降原因可以采取应对措施，见表2所列。

表2 基坑回填土沉降应对措施表

4 结论

变电站基坑回填土地面沉降主要是受水的影响，通过以上分析得到以下具体原因及应对措施。

1)基坑回填土受水浸泡是许多变电站产生地面沉降主要原因。

2)降雨量增大、采用透水性好的材料回填、黏性土地区基坑积水不宜被排走、局部地表下沉及排水设施破坏后维修不及时、场地地下供排水管网的破损、地表未采取防渗措施等原因，是造成变电站建筑物基坑回填土受水浸泡的原因。

3)可以针对性地采用透水性弱的黏性土回填基坑，加强场地排水、散水以及地表铺设一定厚度的灰土隔水层等措施。及时修复局部地表的下沉和散排水设施，及时检修场地内的输水管线等，可防止地基土被水浸泡造成地表下沉。

4)针对已经下沉的地面，建议将场地内回填土地段地下水抽出，并采用黏性土重新进行压密回填，或者采用灌浆处理措施。