黄河下游裂隙黏土工程地质特性与危害分析

2023-01-11 14:29王保庆曹俊强欧钊元

山东水利 2022年4期

王保庆，曹俊强，欧钊元

（济南市水利建筑勘测设计研究院有限公司，山东济南 250101）

近年来，为解决山东城市供水、生态用水短缺问题，山东省陆续建设了一大批平原水库调蓄工程。这些工程多坐落在黄河下游冲积平原区，由于初期对裂隙黏土认识不足，地基土出现了渗漏和渗透变形、不均匀沉降、抗滑稳定、次生盐渍化等问题，直接影响了工程效益的正常发挥，甚至危及工程安全。

1 裂隙黏土的工程特性

裂隙黏土中的矿物就其晶格构造形态及颗粒粗细程度，可分为粗矿物（碎屑矿物）与黏土矿物两类。粗矿物多集中在0.1～0.01 mm 的粒径中，一般裂隙黏土中粗矿物的含量很少，大于0.01 mm的粒径成分含量小于5%～8%，且以石英为主，因此粗矿物的成分，对裂隙黏土的特性，不起关键作用；黏粒含量多在32%～56%之间，个别有高达65%以上者，黏土矿物是裂隙黏土的主要组成部分，也是影响裂隙黏土活性的最活跃的部分。根据资料分析，裂隙黏土的主要矿物成分为伊利石、伊利石～绿泥石混层矿物、高岭石以及蛭石等，他们的亲水性、吸附性和离子交换容量强弱，控制着裂隙黏土的工程特性。

20 世纪80 年代中期，有学者已注意到裂隙黏土裂隙发育问题，也逐渐了解裂隙对工程产生的极为有害的影响，认识到了裂隙黏土并不是均质和各向同性的连续介质，不能用通常的理论和认识去看待和解决裂隙黏土的工程地质问题。大量的资料和实践证明，裂隙的存在、发生、发展与裂隙黏土的地基稳定关系极为密切。

据基坑开挖断面资料统计分析，裂隙黏土的裂隙发育以垂直方向为主，一般平面上呈不规则的多边形网状发育，裂隙发育密度1～3 条/dm2，发育深度较浅，一般深20～40 cm，裂隙张开宽度0.3～5.0 cm。受当时沉积环境影响，裂隙有的无充填、有的充填或半充填，充填物均为后期黄河泛滥携带的砂壤土、粉砂等。裂隙发育空间上的不均匀性、充填的紧密不一性，决定其明显存在各向异性的特点，因此不同方向上的强度会有差异，作为建筑物地基会出现不均匀沉降变形、抗滑稳定能力差、易产生震陷等工程地质问题。

经大量试验数据统计分析，发现裂隙黏土具有低容重、低抗剪强度、低承载力，高含水量、高液限、高压缩性等工程特性，兼有分散土、膨胀土和软弱黏性土的工程特征。其液性限度范围值41.3%～55.6%，塑性指数范围值19.8%～26.3%，属于高塑性土；干容重值范围值1.21～1.53 g/cm3，液性指数IL 范围值0.28～0.98；具有较低的力学强度，三轴不固结不排水剪（UU）内摩擦角范围值3.5°～9.5°、凝聚力范围值7.7～26.4 kPa，地基承载力范围值80～110 kPa；压缩系数a1～2范围值0.38～0.65 MPa-1，压缩模量Es1-2范围值3.2～5.5 MPa，属中等～高压缩性土，标贯击数N 范围值2～6 击（地下水以下一般小于4 击），根据有关规范提出的标准，其在饱水状态下属于软弱黏性土的范畴。

2 工程危害实例

2.1 坝基渗透稳定的危害

裂隙黏土中的裂隙呈网状发育，裂隙发育宽度和充填情况纵向和横向上变化大、不均一，透水性差别大。裂隙既具有储水功能，同时又起到串通上下层水力联系的功能。野外水文地质试验成果表明，裂隙较为发育者渗透系数可达0.22～17.3 m/d，属中等透水性，透水性强度与中细砂、中粗砂相近；不发育者一般小于0.05 m/d，属弱透水层，透水性强度与一般黏性土相近。裂隙黏土中的裂隙一般充填或半充填有砂壤土、粉土颗粒，很小的水头就极易沿裂隙产生“冲蚀型管涌”渗透破坏，研究表明裂隙黏土在出口无保护条件下的允许比降值一般0.07～0.15。

1）SDZ 水库。SDZ 水库是在黄泛冲积平原较早修建的大型供水工程，1989 年9 月开工建设。水库为平原围堤式水库，坝长8.93 km，水库面积4.77 km2，设计最大蓄水深5.5 m，最大坝高7.5 m，总库容3 120 万m3。当时缺乏对裂隙黏土的认识，水库截渗型式上游采用的预留50 m 天然铺盖，坝基采用黏土截渗齿槽。截渗齿槽是在坝轴线下游侧平行坝轴线挖一条宽度1.5～2.0 m，深度0.3～0.5 m 齿槽（深度以深入裂隙黏土层0.10 m控制），槽内回填透水性微弱的黏土层。

1991 年6 月水库蓄水，历史最高蓄水位22.65 m（设计蓄水位23.00 m）。1995 年3 月发现水库南坝导渗沟和界沟内有大量泉眼，并伴有浑水、砂沸和流土，而且渗漏量渐增，发展趋势不断加快，情况十分危急，有溃坝的可能。此时坝后出逸比降不超过0.10，按一般工程经验判断，着实令人费解。随后对管涌渗水位置进行了开挖，开挖发现，在导渗沟桩号2+350～2+800 段450 m 范围内发现338 个泉眼，在界沟内2+650～2+800 段250 m 范围内发现117 个泉眼，一般管涌孔口直径10 cm 左右，个别达70 cm。出现了渗流沿裂隙黏土中的裂隙流动过程中，先将裂隙中充填的粉土、砂壤土颗粒冲走，再不断冲蚀裂隙周边黏土碎片颗粒（裂隙黏土的分散性造成其抗冲蚀能力更差）现象，造成裂隙宽度不断加大，渗透系数也在不断增大，形成管孔状集中渗水通道即冲蚀型管涌。

事后分析认为，SDZ 水库由于缺乏工程经验，把裂隙黏土视为一般性黏土，想当然地认为其为良好的相对隔水层，坝基截渗齿槽入裂隙黏土层0.10 m 作为截渗深度控制；错误地认为裂隙黏土抗渗稳定能力和抗冲蚀能力应该较强，坝后截渗沟边坡亦未设铺垫土工布反滤层。这些错误的工程处理方式是坝基产生渗漏和渗透破坏的主要原因。

根据SDZ 水库工程裂隙黏土分布特点，设计对水库南坝导渗沟和界沟出现渗透破坏段采用高喷截渗墙对坝基进行了截渗处理，截渗墙沿坝轴线布置，截渗帷幕插入相对隔水层1.0 m，孔距1.8 m，采用20°角摆喷，折线连接，分两序隔孔施工。每孔喷射轴线与坝轴线夹角20°，折线夹角140°。每孔喷射完工后，在原孔进行静压灌浆，直到液面不再下沉为止。并重新对截渗沟内坡做反滤层。施工中当整个板墙帷幕形成后，翻砂冒水现象全部消失，坝基渗流处于稳定状态。1996 年处理后至今水库一直运行良好。

2）QS 沉沙调渠。QS 沉沙条渠南侧邻近黄河，为有利于沉砂，平面形态上呈S 形，围堤总长6.8 km，最大堤高7 m，上游段蓄水深度3 m 左右。沉沙工程担负着年处理泥沙91 万m3的任务。

受投资限制，并考虑条渠运用特点，条渠堤基未进行防渗处理。为减轻条渠运用对附近农田、村庄的浸没影响，围堤外设有截渗沟，上游段截渗沟未进行衬砌处理。1999 年12 月13 日沉沙条渠正式投入使用，一开始蓄水截渗沟内就渗水明显，有冒气泡现象。水位到3 m 深左右，上游坝段截渗沟内发生了严重的渗透变形，出现了数十处泉涌和沙沸现象，裂隙黏土碎片和粉砂颗粒沿管涌通道随水流带出，呈蚁窝状，直径3～12 cm，形成险情。建设单位立即停止蓄水，调运机械设备在堤前投放土袋、堤后填土压重抢险，暂时缓解了险情。随后，重新对截渗沟进行了渗流控制施工处理，铺设砂砾石土工布反滤层，反滤层贴坡依次是土工布、8 cm 厚的细砂、8 cm 厚的粗砂及石子，表面为块石平扣。目前条渠运行状况良好。

以上两工程的渗透破坏均与坝基浅部分布的裂隙黏土及夹层砂壤土、粉土有关。在水头较小的情况下，初期沿裂隙黏土中的裂隙产生了冲蚀管涌型渗透破坏，最初将裂隙中充填的砂壤土、粉土随水流带走，随后带动其它土层的冲蚀破坏。

2.2 坝基稳定的危害

裂隙黏土一般具有软弱黏性土的特征。实践表明，即便目前处于地下水位以上的裂隙黏土层尚处于可塑乃至硬塑状态，一般经受1～3 个月的浸泡后，含水量增大，土体饱和膨胀松软，其强度明显降低，仍最终表现出软弱黏性土的特征，研究表明，裂隙黏土受水浸泡软化后，抗剪强度可降低50%以上，标贯击数可降低2～3 击。这是水利工程勘察设计者必须高度关注的问题。裂隙黏土较低的抗剪强度和高压缩性的工程特征，可能存在坝基抗滑稳定和不均匀沉降问题。

现以GDE 水库为例，说明分析裂隙黏土引起的大坝滑动问题。GDE 水库位于黄河三角洲地区，为平原围堤式均质碾压式土坝，地面高程3.0 m 左右。水库设计库容1 120 万m3，围坝长6 258 m，最大坝高10 m，坝坡1∶2.5～1∶3.0。

1）大坝塌滑过程。GDE 水库1993 年4 月开工兴建，7 月7 日18 时许，南坝3+760～4+00（坝高最大坝段），坝长240 m 坝段，当坝顶填筑至10.5 m 高程（坝高9 m）时，坝体出现明显裂缝，18时55 分至19 时30 分坝体出现较大沉降。3+880～3+950 坝长70 m 坝体背水侧发生滑坡，坝脚外近30 m 范围内地面出现隆起现象。7 月8日下午坝体沉降、滑坡基本稳定下来。滑坡体后缘为一月牙形裂缝，宽度10 cm 多，滑坡体后缘顶面与临水侧沉降坝体顶面平均低落0.50 m，其中3+920 断面最大高差0.85～1.00 m。戗台沉降及滑坡累计，低于填筑高程0.41 m，坝后肩水平位移0.61 m，坝脚最大水平位移1.38 m。滑舌原地形为窑场取土水坑，滑坡发生后，坑底及附近地面向上隆起，池水后退，表面呈叠瓦状，在坑塘中7 月7 日所插标志，7 月8 日5 时向坝外方向倾倒。据施工人员回忆，坝体急剧沉降前半个月，事故坝段10～20 m 滩地，地面湿，有一层水膜，并有渗水排出。事故发生后水泡渗水现象持续10余天。

该坝段15 m 深度内，地层分布情况如下：埋深0.0～5.1 m 为松散浅灰色砂壤土夹数层棕红色软塑～流塑状裂隙黏土软弱夹层，裂隙黏土厚度0.5～6 cm，局部30～40 cm；埋深5.1～8.3 m 为灰色流塑状淤泥质壤土；8.3～12.5 m 浅灰色砂壤土；12.5～15.0 m 浅灰～深灰色流塑状淤泥质壤土。

2）大坝塌滑原因分析。该段坝体塌滑主要有以下原因：

一是该段工程地质条件差，存在引起浅部滑动软弱夹层裂隙黏土和淤泥质壤土层，上部坝基土的承载能力仅为70～100 kPa。裂隙黏土软弱夹层干密度1.12g/cm3，饱和快剪强度凝聚力4.3 kPa，内摩擦角4.8°，三轴固结不排水剪有效强度凝聚力5.0 kPa，内摩擦角6.8°；下伏淤泥质壤土略高于裂隙黏土抗剪强度，饱和快剪强度凝聚力6.0 kPa，内摩擦角4.2°，三轴固结不排水剪总强度凝聚力15.0 kPa，内摩擦角10.5°，有效强度黏聚力12.0 kPa，内摩擦角12.5°。

二是该段地势低洼，地下水埋深小于0.5 m，坝基土长期浸泡在水中软化，强度降低。

三是施工排水措施不力，未建立施工排水系统，采用边降水边清基回填施工方式。未能有效降低施工区地下水位，坝基土始终处于饱和状态。

四是坝体填筑速率过快，自4 月26 日至7月7 日坝高即填至9 m，最大月上坝速率达5 m，且坝高愈大，筑坝速率愈快，远超过一般软土坝基筑坝速率每天10 cm 的限度。造成坝基土孔隙水压力难以及时消散，坝基土的强度难以随坝高的增加而提高。

五是坝体填筑质量存在问题。在沉降段坝体抽取40 组原状土样，有8 组低于设计干密度要求，其平均值为1.52 g/cm3，最小值为1.48 g/cm3，合格率仅为80%；填筑土岩性混杂，坝体内夹杂的裂隙黏土未经任何处理，呈块状；土料中含有大量苇根，局部夹腐殖土。

滑坡发生后，在此坝段坝后坝基进行了槽探。槽探资料显示，顶板高程1.79～1.94 m 存在裂隙黏土软弱层。裂隙黏土上覆的砂壤土松散，以下砂壤土0.1～0.2 m 具大孔隙或虫孔，孔洞呈水平排列，长轴扁平，在裂隙黏土不连续部位，孔洞厚度增加。该现象说明，砂壤土在坝体自重作用下，压缩固结排水，而此时裂隙黏土层局部起隔水作用，致使缺失裂隙黏土部位集中排水；裂隙黏土底部孔隙水压力增大，自身饱水软化，形成软弱结构面。

3 结语