黄土地区引调水线路主要工程地质问题及对策

王新华

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001)

黄土地区引调水线路主要工程地质问题及对策

王新华

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001)

在广泛收集资料及实地调查的基础上，对黄土地区引调水线路工程地质勘察成功的经验和失败的教训进行总结，论述黄土渠道、隧洞、边坡和其他渠系建筑物主要工程地质问题及处理措施，进一步认识黄土地区引调水线路工程地质勘察主要工程地质问题。

黄土;引调水线路;黄土渠道;隧洞;边坡;渠系建筑物

随着黄土地区工农业生产的发展，近年来黄土地区引调水线路勘察愈来愈多，国内目前尚无黄土地区引调水线路工程地质勘察规范，勘察工作无章可循，勘察成果质量难以保证。在广泛收集资料及实地调查的基础上，基于多年黄土地区的勘察实践经验，对黄土地区引调水线路工程地质勘察成功的经验和失败的教训进行总结，以指导黄土地区引调水线路工程勘察工作。

1 黄土渠道

1.1 主要工程地质问题

1.1.1 渠道渗漏

实践证明，即使不存在砂卵石等强透水层的黄土渠道，渗漏量也是可观的，在陇西及西北内陆盆地的新黄土中筑渠，初期通水常有水未达目的地而渠水全部渗完的情况发生。陕西关中使用多年的泾、洛、渭几个大型老灌区，虽然主要渠道已采取了各种防渗措施，其渗漏损失仍达总引水量的40%～50%。黄土渠道渗漏不仅降低了工程效益，更重要的是可能引起渠道湿陷、渠水通过隐患潜流而造成渠堤串水、渠堤决口和渠基滑移等不良工程地质问题。

1.1.2 渠道湿陷变形

渠道通过具有自重湿陷的新黄土或新近堆积的黄土地段，通水后黄土因渗水浸润而自重湿陷。其主要表现为地表下沉、渠堤裂缝和边坡塌陷。甘肃永登永进渠1号洞以上自重湿陷黄土渠道，通水初期渠底平均下沉0.5～1.0 m，最大湿陷下沉量1.8 m，同时渠道两岸黄土产生了坐落式阶梯状下沉。甘肃靖会灌区总干渠自重湿陷黄土区，通水7个月湿陷和裂缝渠段占总渠长60%。在关中、晋南局部地段，也发生类似问题。

1.1.3 渠基稳定

黄土陡峻斜坡地段的渠道，可能存在渠基和外渠堤的稳定问题。主要是指渠基滑移和渠堤决口，在自重湿陷性较敏感的陇西地区和不敏感的陇东地区，该类问题同样存在，只是表现形式与程度不同。陇西地区黄土渠道渠堤决口问题严重，决口的方式有:① 渠堤局部湿陷沉降过大;② 渠水沿大的湿陷裂缝集中渗流、机械浸蚀和冲淘;③渠基侧边坡黄土湿陷坐滑坍陷堵塞渠槽。据调研甘肃永登永进渠在放水过程中，干渠沿线发生大小决口600多处(次)。陇东地区黄土渠堤主要是渠水沿着渠槽和渠堤下的黄土洞穴、黄土构造裂隙、滑坡裂隙等隐患的集中渗流造成渠堤侵蚀溃决。

1.1.4 黄土高边坡稳定

渠道通过原边黄土高边坡，如果设计施工不当，可能在渠道运行中，甚至在施工过程中失稳破坏。其破坏的方式一般为崩塌。在暴雨、地震等因素参与下，可能发生滑坡。傍山渠道，也可能发生泥石流。黄土高边坡的失稳破坏，规模小的塌滑土体可掩埋渠槽，影响渠道正常通水，大规模的则可能毁掉该段渠道，造成更严重损失。

1.2 工程处理措施

对黄土渠道严重的渗漏和湿陷变形，要进行认真的工程处理，渠道才能安全通水使用。

1.2.1 黄土湿陷性处理

非自重湿陷黄土渠道地基处理基本程序:①开挖渠道，同时处理已查明的洞穴隐患和泉水;②试通水，处理试通水中发现的隐患;③防渗、防冲衬砌，④正式通水使用。

自重湿陷黄土渠道地基处理基本程序:①小断面渠道开挖，同时处理已出现的黄土洞穴、裂隙;② 渠槽泡水，使黄土预先湿陷;③ 按渠道设计断面施工，对Ⅱ级非自重湿陷黄土渠道及Ⅲ级自重湿陷黄土渠道采用原土翻夯1 m，加厚0.3 m的3:7灰土，对Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷黄土渠道，地基处理措施是原土翻夯1.5～2 m，铺设厚0.5 m的3:7灰土⑤防渗防冲衬砌;⑥正式通水使用。

1.2.2 黄土洞穴隐患处理

据陕西宝鸡峡引渭灌溉工程经验，黄土渠道及其附近的黄土潜蚀洞穴、崖洞、古墓等重要隐患，必须按设计要求进行回填处理。

1.2.3 渠基泉水处理

渠道附近的泉水露头与渠道的安全稳定有密切关系。根据泉水出露情况可采取泉眼导流、分层排水、反滤排水、明沟排水、打排水孔(洞)排水等措施。

1.2.4 渠基裂隙处理

湿陷变形渠道的裂隙处理，主要采用翻土夯实，予以封闭。

2 黄土隧洞稳定问题

隧洞是水利工程和其他工程经常采用的建筑物形式，在黄土塬边和梁峁沟壑区，常以隧洞绕避，它既能减少深挖高填，回避高边坡问题，缩短线路，管理养护方便，又有较好的隐蔽条件和抗震性能，施工方便等优点，往往是比较经济、安全的线路方案。

黄土隧洞的变形与否及稳定程度主要取决于黄土的强度及其能否发挥其强度效应，而此与土性、含水量、结构与构造、施工方法和支护形式等有关。就土性而言，黄土为中高压缩性、弱透水性土，洞进出口段黄土一般具中强湿陷性，黄土在干燥状态下具有较高的强度，隧洞有较好的稳定性，而遇水可能湿陷，强度迅速降低，垮塌破坏;黄土随含水量的增高其强度有明显降低，当含水量达到25%时，隧洞的稳定性显著降低。

2.1 饱和黄土隧洞稳定问题

饱和黄土隧洞施工难度大，在地下水作用下，隧洞稳定性差，常在顶拱发生塌方、边墙发生滑动、墙脚流土(泥)、底板鼓出等变形破坏现象，破坏严重时，可造成流土(泥)堵塞隧洞、塌方冒顶至地表，造成重大的经济损失，甚至人员伤亡，致使工程无法进行。

当饱和土隧洞施工开挖后，洞室土体处于临空状态，土体应力发生变化，以至于松弛，变形，在其强度因“水”饱和而降低的同时，在动水压力作用下，而发生的渗透破坏为主的变形形式。洞室开挖后，地下水流态发生突然变化，洞室外围水体由原来较为平静状态而转为向洞室排泄，其水力坡降骤然提高许多倍，在过大动水压力作用下，土体结构受到破坏，强度损失，发生变形破坏。

饱和土较一般自然下的非饱和土(W为10%～20%)抗剪强度降低30% ～50%，特别是凝聚力(c)值可降低近1倍。

根据洛惠渠5号、黑河少陵塬、冯家山2号等隧洞的施工经验，在没有先进机具的情况下(如使用盾构机施工)，采取排水固结饱和土隧洞是行之有效的施工方法。

2.2 湿陷性黄土隧洞稳定问题

湿陷性黄土隧洞因地基遇水导致隧洞衬砌破坏的实例不少，如甘肃省西岔电灌工程早期建成的黄土隧洞进出口地基最大沉陷量达80 cm，甘肃省原永登东干渠4号洞出口段洞身下沉60 cm，均是洞身渗水引起地基湿陷。

甘肃省榆中三电工程豆家沟隧洞在湿陷性黄土段设计采用洞内壁水位以下部分全断面挂两层钢丝网抹400#水泥砂浆厚3 cm，形成刚性防渗层，构件与围岩间回填厚度不小于15 cm的150#砼防水层，环向砌缝填1:3水泥砂浆。该洞经多年运行，防渗效果良好。

由工程实例说明，对湿陷性黄土隧洞一定要采取可靠的防渗措施，防止洞身渗水引起地基湿陷。

3 黄土边坡

3.1 主要工程地质问题

3.1.1 稳定边坡坡比选择

坡高、坡比和坡型的关系，在一定的地质条件下，总坡比与总坡高必须相适应，才能维持稳定，因而坡高与坡比是主要矛盾。但坡型选择不当，往往也保证不了边坡的长期稳定。低边坡可用直线型，中高黄土边坡一般采用阶梯型。有的边坡太高，在边坡上适当位置设平台，有利于排水、养护和施工。

从陕西省宝鸡峡引渭灌溉工程几十年运用情况看:完整人工边坡单级坡比0.6～0.5，坡高15～25 m ，平台宽4～6 m，目前边坡稳定性较好;滑坡体黄土状土边坡，坡高不超过25 m，单级坡比0.33，小平台宽2.0 m，绝大部分边坡目前稳定。

3.1.2 边坡稳定分析

1)强度指标的选择

影响强度指标可靠性的因素是多方面的，应具体选用，尽可能求得合理。

(1)试验仪器:直剪仪试验的精度次于三轴仪试验。但由于直剪试验简单，强度值较三轴结果一般偏小，从安全方面考虑，故多采用直剪仪试验结果。

(2)土样的代表性:计算公式一般假定土壤是均质的，但黄土常为多层结构，古土壤强度大于黄土，因此，对较高边坡设计，应细致分层取样，舍去反常值(c＞0.14 MPa，φ﹥35°)按层厚或滑弧长度进行加权平均，土体容重(r)按层厚加权平均选取。

(3)土壤含水量变化与强度关系:土壤含水量增加，抗剪强度减小，尤以凝聚力减少剧烈。如宝鸡峡资料，野外取样多在地表内1～1.5 m，含水量平均为19%，但坡体内部含水量多为22%。在魏家堡打平洞取样试验比较，含水量由19%增至22%时，φ值降低4% ～7%，c值降低20% ～30%。

(4)黄土的各向异性问题:试验证明黄土的抗剪强度具有各向异性。在特殊高边坡中，应考虑各向异性的影响，剪切面应尽量和最险滑面方向一致，对于一般边坡计算，可以采用水平方向抗剪强度。

(5)关于峰值问题:试验室所得结果，一般为峰值强度，坡体滑动面上的抗剪强度均低于峰值强度，因此，在计算中采用峰值强度是不够安全的，可按水利水电工程边坡设计规范(sl386－2007)条文说明4.4.9提出的方法折减。

2)稳定分析方法

黄土边坡稳定性计算时，滑动面可假定为圆弧，并考虑裂隙的影响，宜采用简化Bishop法进行计算，其安全系数应满足水利水电工程边坡设计规范(sl386－2007)表3.4.2规定的要求，否则应对边坡进行支护。当单级坡高超过10m时，应对单级坡作局部稳定性验算。

3.2 边坡防护措施

由于黄土的特性及气候因素的影响，黄土人工边坡上的剥落、面蚀(或冲刷)及表层滑落等现象，较为普遍，特别是高边坡坡脚应力集中带，受到应力松弛、剥落和冲刷的交替作用，逐渐降低边坡的稳定性，因此，要保障边坡的长期安全稳定，边坡须采用防护措施。边坡的防护措施主要是排水与护坡两方面，但排水措施更为重要。排水主要采用天沟、侧沟和平台排水沟等措施。坡面防护根据气候环境采用工程、植物或复合型生态防护技术。

4 渠系建筑物

4.1 主要工程地质问题

渠系建筑物种类繁多，各类建筑物对地基的要求不一定相同，同一地质条件可能出现不同的工程地质问题。黄土地基的湿陷变形，是渠系建筑物的主要工程地质问题。

建筑物对黄土地基有附加荷载，非自重湿陷性黄土在某一荷载下即可湿陷变形，自重湿陷黄土地基的变形更严重。抽水站的厂房和出水池，以及过沟建筑物的地基有不少湿陷破坏的例子，例如甘肃三角城二泵站，出水池湿陷下沉，前后湿陷变形量总计达1.5 m。

4.2 建筑物地基处理

湿陷性黄土地基处理，应根据建筑物的类别、场地的湿陷类型、湿陷性黄土的厚度、湿陷系数、自重湿陷系数、湿陷起始压力沿土层深度的分布，并考虑因地制宜、就地取材、保护环境以选用表1中的一种或几种相结合的处理方法。地基处理施工前，对已选定的地基处理方法，宜在有代表性的场地上进行试验或试验性施工。

表1 湿陷性黄土地基常用的处理方法

5 填方工程

5.1 填方渠道湿陷性评价问题与处理

渠基黄土湿陷性评价中，要重视填方段研究，非自重湿陷性渠基，由于填方，自重压力增大，可能变为自重湿陷性渠基，必须调整渠底高程或采取处理措施。

5.2 填方材料(黄土)的勘察与评价

湿陷性黄土作为填筑料，经过开挖、搬运扰动，重新回填，有可能已不具备湿陷性，但有的还可能具有湿陷性，其关键在于土料的含水量和压实度。当含水量合适，压实度接近1时，就不会产生湿陷，否则有可能还存在湿陷。因此，在填方设计时必须考虑这一特性。在土料勘察时，要重视原状土的含水量的变化规律，利用探井详细测定其含水量(每m一样)，并进行土料标准击实试验，求得最大干密度时的最优含水量。

控制填方干密度是消除湿陷的关键。在不同干密度情况下，可以出现不同的湿陷系数;在同一干密度不同含水量的情况下，也可出现不同的湿陷系数。只有当填料达到最优含水量的情况下，并达到最大干密度时，填方才不存在湿陷。根据陕西湿陷性黄土击实干密度和湿陷系数曲线关系，当土的干密度大于1.55 g/cm3时，在200～300 kpa压力下浸水，黄土基本不具湿陷性。

土石坝规范规定，坝体含水量一般应控制最优含水量附近，其上下限偏离最优含水量不超过土2% ～3%，就湿陷性黄土填料而言，如含水量相差3%，则其湿陷程度相差可能很大。而且根据湿陷规律，高含水量比低含水量好，但较高的含水量有可能因碾压而形成橡皮土。上述一些特征都是在填方设计中应予以注意的。

［1］GB50025－2004.湿陷性黄土地区建筑规范.北京:中国建筑工业出版社.2004.

［2］GB50487－2008.水利水电工程地质勘察规范.北京:中国计划出版社.2009.

［3］濮声荣.陕西水利工程实践.西安:陕西科学技术出版社.2002.

TV67:TU444

B

1004－1184(2012)03－0186－03

2012－01－09

王新华(1963－)，男，陕西大荔人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质、水文地质勘察及技术管理工作。