关中地区引水线路中黄土湿陷性评价问题的探讨——以引汉济渭二期工程北干线为例

李 鹏, 焦振华, 焦 萱

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001;2.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

关中地区引水线路中黄土湿陷性评价问题的探讨
——以引汉济渭二期工程北干线为例

李 鹏1, 焦振华1, 焦 萱2

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001;2.华北水利水电大学,河南 郑州 450046)

通过对引汉济渭二期工程北线不同地貌单元地基土的湿陷性评价,结合现行规范发现,由于引水线路工程开挖减载作用,使得不同地貌单元湿陷性均较室内试验计算有所降低;结合现有工程实践及研究成果发现,不同地貌单元地下水变化对引水线路湿陷性评价影响程度不同。建议引水工程埋管及箱涵建筑物的地基处理可参考现行规范埋地设置的室外水池进行,同时建议规范修订时应考虑关中地区不同地貌单元修正系数的差异,对荷载减小类工程湿陷参数的复核进行说明。

引水线路;湿陷性;关中地区

黄土因其具有湿陷性而被列入特殊土的行列。目前对黄土湿陷破坏的机理[1-4]、湿陷特性及其物理力学表征[5-7]、湿陷性的评价计算方法[8-10]及湿陷性黄土的地基处理[11-14]等均有较多的研究,在研究成果的基础上建设部编写了《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)[15](以下简称“现行规范”)。

引汉济渭工程为陕西省重点水利工程,作为重大引调水工程被列入国家十三五规划纲要,其二期工程为输配水工程,北干线自黑河出发,向东北方向延伸,经周至、武功、兴平、咸阳、泾阳、三原至富平,沿途经过漫滩、一级阶地、二级阶地、黄土台塬等多个地貌单元,其地基土的湿陷性问题为北线的主要工程地质问题。

目前,水利行业及引水线路没有专门的湿陷性黄土勘察及设计规范,引调水工程管(渠)道黄土的地基特征、结构特点、建筑物使用要求等和工业民用建筑之间存在很大的差异;随着社会经济的发展,黄土地区建设项目日益增多,规模越来越大,工程建设也呈现低阶地向高阶地发展的趋势,现行规范编制时引用的关中地区的工程实例多为低阶地地区工程,其后在高阶地区域进行的多项工程对现行规范中关中地区黄土湿陷性评价及地基处理方面进行了讨论和研究[15-21]。笔者通过参照现行规范以及黄土地区已建成的引水线路、同类项目在湿陷性黄土评价、地基设计与施工方面取得的经验,并结合引汉济渭二期工程北干线勘察过程,对关中地区引水线路中的湿陷性评价问题进行探讨。

1 关中地区引水线路工程特点与湿陷性评价

现行规范关于黄土湿陷性判定、场地湿陷类型判别、湿陷等级划分及湿陷性地基处理等规定,是对黄土地基工程几十年研究和经验总结的成果,然而却带有明显的工民建行业特征。引水线路工程尤其管线部分因建筑物性质与工民建构筑物不同而不能盲目采用。

实际湿陷过程中浸水开始并不湿陷,只有某深度当饱和自重压力大于湿陷起始压力时(附加应力与饱和自重应力之和大于湿陷起始压力)才会产生自重(非自重)湿陷变形[3-4]。由于引水线路通常为减载过程,故实际开挖后上覆土层变薄,并导致湿陷等级甚至湿陷类型都可能发生变化。

由湿陷性黄土地区各代表性试坑浸水资料可知,在自重湿陷性地区,浸水实测的自重湿陷量与计算值相差较大,且因地区而异,由此确定了湿陷性计算时的修正值,关中地区为0.9。然而,如表1所示,现行规范编制时引用的关中地区工程实例多为低阶地地区工程,在高阶地地区的工程显示,β0值除华阴市卫峪乡外在0.22～0.63之间,均较现行规范0.9小,且实测自重湿陷下限均较室内试验小,约为室内试验的2/5

表1 关中地区部分工程自重湿陷量表

～4/5不等。β0值的大小直接影响室内试验计算量与实际湿陷量的差值,在用室内试验资料计算湿陷量时关中地区一、二级阶地可采用现行规范规定的0.9,而高阶地及黄土塬区采用现行规范值结果可能有所偏大,建议规范修订时对关中地区不同地貌单元β0值的差异性予以考虑。

2 引水线路工程上覆荷载变化对湿陷性评价的影响

2.1 地基土湿陷起始压力

沿线湿陷起始压力变化如图1。在水平方向上,湿陷起始压力没有明显的变化规律。在深度变化上,不同地貌单元略有差异:黄土塬湿陷起始压力随深度变化而增大明显,0～5 m均<100 kPa,5～10 m有少量样品>100 kPa,10～15 m大部分>100 kPa,15m以下>150 kPa;二级阶地、一级阶地湿陷起始压力随深度变化与黄土塬区趋势近似,各深度范围内尤其是0～5 m有部分样品>100 kPa,且一级阶地>100 kPa所占比例更大,而不同深度起始压力的大小直接影响湿陷量计算的大小。

2.2 开挖后上覆荷载变化及大厚度自重湿陷性黄土评价

目前对黄土湿陷的计算仅仅是根据实验室提供的数据进行,而在实际计算中,尤其是引水线路工程计算容易较实际有所偏大,而造成地基处理经济上的浪费,应根据开挖减载后实际压力重新进行计算。此外,对于大厚度自重湿陷性黄土,由于附加应力效应及再压缩效应,深度较大处自重湿陷量计算值较实际值偏大。

图1 不同地貌单元黄土湿陷起始压力随深度变化图Fig.1 Change chart of initial pressure of loess collapsibility with depth

已有学者提出“自重湿陷系数门槛值”[11-13]的概念,并建议0～10 m,10～15 m,15～20 m分别为0.015、0.020、0.025;也有学者认为应对10 m以下室内试验自重湿陷系数进行折减[12]。

经室内试验成果计算,不同地貌单元黄土湿陷性有所差异,一级阶地多为非自重Ⅰ级—自重湿陷Ⅱ级,二级阶地多为自重湿陷Ⅱ级,黄土塬部位多为自重湿陷Ⅲ级—自重湿陷Ⅳ级。对本次研究开挖前后压力变化值,及根据压力变化对湿陷性计算修正前后的湿陷性评价如表2。对于一级阶地,按照规范所规定“湿陷系数压力计算基地以下10 m以内土层应用200 kPa”计算均存在一定的湿陷性,而由于其本身湿陷下限较浅,加之开挖减载上覆饱和土体压力及荷载之和均<200 kPa,且小于其湿陷起始压力,故开挖减载后,不足以引起湿陷问题;对于二级阶地,根据规范计算,均为自重湿陷Ⅱ级,按照开挖减载后重新复核,其湿陷量均有所减少,但局部仍有少量湿陷发生;对于黄土塬,由于其湿陷下限较深,开挖减载后仍有部分样品由于饱和自重压力作用使其大于湿陷起始压力产生湿陷,但总体湿陷量大为减少。综上分析,深度<10 m的部分,在开挖减载后湿陷量不大;深度>10 m的部分,虽然其仍具有一定湿陷,但湿陷量大为减少,且若按照相关研究进行折减会进一步减小,建议在规范修订时对开挖减载类工程湿陷系数的复核进行进一步说明。

表2 代表性探坑湿陷性评价

3 引水线路工程水文地质条件对湿陷性评价的影响

高阶地沿线水位埋深均>60 m,因此在评价湿陷性时可不考虑地下水位的影响。根据已有工程实践管道漏水能影响到的范围仅为基础以下5～10 m,且已有研究表明,20～25 m以下含水率增加缓慢,下渗水及降水对其影响不大,达不到湿陷所需起始含水率[12-13]。本次研究高阶地湿陷下限深度可按20～25 m考虑,但对于其他类似项目需根据地下水位的变化情况进行有针对性地分析。

低阶地沿线水位较高,不排除在丰水期会进一步抬升。由于湿陷破坏是一个“不可逆”的过程,其二次湿陷量在允许变形量范围内,且低阶地现状条件下湿陷下限较现状水位高1～2 m,故可不考虑地下水位对低阶地湿陷性评价的影响。

4 引水线路湿陷地基处理

与现行规范中埋地设置的室外水池类似,引水线路工程埋管及箱涵建筑物地基处于卸荷状态,不按建筑物对待,未做分类,可参照现行规范埋地设置的室外水池地基进行处理。根据工程实践及引水线路工程特点,建议采用整片土(灰土)垫层处理。处理厚度上,非自重湿陷性黄土场地,灰土垫层厚度不宜<0.3 m,土垫层厚度不应<0.5 m。自重湿陷性Ⅰ-Ⅱ级场地,灰土垫层厚度不宜<0.6 m,土垫层厚度不应<0.8 m;自重湿陷性Ⅲ-Ⅳ级场地,灰土垫层厚度不宜<0.8 m,土垫层厚度不应<1.0 m,土(或灰土)垫层的压实系数应≥0.97,并采取严格防水措施。

5 结论

(1) 在用室内试验资料计算湿陷量时,关中地区一、二级阶地可采用现行规范规定的0.9,而高阶地及黄土塬区采用现行规范值其结果可能有所偏大,建议规范修订时对关中地区不同地貌单元β0值的差异性予以考虑。

(2) 经室内试验成果计算,不同地貌单元黄土湿陷性有所差异。一级阶地多为非自重Ⅰ级—自重湿陷Ⅱ级,二级阶地多为自重湿陷Ⅱ级,黄土塬部位多为自重湿陷Ⅲ级—自重湿陷Ⅳ级。深度<10 m的部分,在开挖减载后湿陷量较小;深度>10 m的部分,仍具有一定湿陷,但湿陷量大为减少,且若按照相关研究进行折减会进一步减小。建议在规范修订时对开挖减载类工程湿陷系数的复核进行进一步说明。

(3) 由于本次工程高阶地沿线水位埋深较大,且下渗水及降水对20～25 m以下深度影响不大,故本次研究高阶地湿陷下限深度可按20～25 m考虑,但对于其他类似项目需根据地下水位的变化情况有针对性地分析,低阶地湿陷性评价可不考虑地下水位的变化情况。

(4) 引水工程埋管及箱涵建筑物的地基处理可参考现行规范埋地设置的室外水池进行。

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(责任编辑：于继红)

Discussion of Evaluation on Collapsibility of Loessin Guanzhong Area on the Diversion Pipeline

LI Peng1, JIAO Zhenhua1, JIAO Xuan2

(1.ShannxiProvinceInstituteofWaterResourcesandElectricPowerInvestigationandDesign,Xi’an,Shannxi710001;2.NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhenzhou,Henan450046)

Combine with the analysis on collapsibility of loess in different geomorphic unit and the discussion on the current specification the authors fount out that:due to the lightening of the diversion pipeline,the value collapse settlement was little than which calculated with the laboratory test data.The incidence of groundwater variation on the collapsibility evaluation of different geomorphic unit was variant; they suggest that the foundation treatment methods of the buried set outdoor pool could be referenced on the buried pipe and box culvert,the difference of the correction factor in different geomorphic unit should be taken into account,and should review the value of the collapsibility in those project which load would be decreases.

diversion pipeline; collapsibility; Guanzhong area

2016-04-29;改回日期:2016-05-11

李鹏(1985-),男,工程师,硕士研究生,第四纪地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:lppanda@sina.com

TU444; TV67

A

1671-1211(2016)03-0429-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.042

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160511.1629.020.html 数字出版日期:2016-05-11 16:29