深厚湿陷性黄土地基注入式水库设计探讨

2020-04-13程彦文

陕西水利 2020年12期

程彦文

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州730000)

1 工程概况

兰州新区赵家铺水库工程位于兰州新区纬一路以南，南绕城快速路以北，经二十四路以东。工程区西距中川机场约7 km，南距兰州市区约65 km，东南距皋兰县城约25 km。根据兰州新区总体规划，该区域为兰州新区区域中心服务组团发展区，工程所在地大部分区域已经完成土地平整，交通条件便利。本工程建设的主要任务是通过工程的建设实施，以达到收集利用兰州新区中通道雨水一期工程服务范围输送的雨水，并承接部分中水资源，为新区中、东部1.79万亩荒山绿化灌溉提供水源，提高兰州新区非常规水资源的利用效率和效益。

本工程为Ⅳ等小(一)型工程，主要由引水工程(包括引水闸、引水暗渠等)和水库工程(包括围坝、水库进水口、供水和放空管等)两部分组成，水库总库容为115万m3，调节库容为105万m3，采用全库盆铺设复合土工膜防渗。

2 湿陷性黄土地质条件及处理措施

2.1 地质条件

本工程地处兰州新区秦王川盆地东南侧的黄土低中山丘陵区，出露的地层属第四系不同成因的松散堆(沉)积物，主要为马兰黄土及洪积黄土状土。工程区大地构造上位于祁连褶皱系中祁连隆起带的东段，构造单元属永登～河口新生代凹陷带东侧的次级构造单元—中川隐伏基底隆起带。由于兰州新区城市建设的不断推进，库址区目前基本已完成土地平整，场地较平坦开阔，地面高程为1920 m～1935 m。库址区内未发现区域性断裂通过，地下水埋深大于40 m，对本工程无影响。工程区内物理地质现象不发育，未见滑坡、泥石流、崩塌等不良地质现象。场地表层为人工堆积素填土，结构松散～稍密，厚度0.5 m～25 m不等；下部在原沟道部位为plQ41黄土状土，稍湿，土质均一，结构稍密～中密，厚10 m～15 m。在原山体地带为plQ31洪积黄土状土，结构中密，厚度大于15 m，局部还残留有eolQ32马兰黄土，结构稍密～中密，厚度3 m～10 m；底部为plQ31洪积砂砾碎石，青灰色，级配不良，泥质含量高，局部夹有中细砂及粉质粘土透镜体，结构密实，厚度3 m～5 m。下伏新近系中新统含砾砂岩夹粉砂质泥岩。

构成水库地基的土层主要为人工堆积(Q4S)素填土和洪积(plQ31)黄土状土。根据室内物理力学性质试验，其成果如下：

(1)素填土(Q4S)：砂粒含量1.3%～8.5%，粉粒含量70.9%～81.4%，粘粒含量13.6%～23.5%，孔隙率46.3%～56.6%，孔隙比0.86～1.30，干密度1.18 g/cm3～1.46 g/cm3，含水量5.6%～10.7%，稍湿，结构稍密～中密。液限24.2%～27.5%，液性指数-0.31～-0.86，塑限13.3%～16.4%，塑性指数10.2～11.9，属低液限重粉质黏土。饱和抗剪强度内摩擦角11.4°～13.6°，凝聚力10.5 kPa～15.3 kPa，原状抗剪强度内摩擦角21.1°～28.3°，凝聚力34 kPa～52.3 kPa，渗透系数(1.02～1.37)×10-5cm/s，压缩系数0.308 MPa-1～1.642 MPa-1，湿陷系数0.015～0.066，自重湿陷系数0.002～0.089，土层具中～高压缩性，自重轻微～中等湿陷性。

(2)黄土状土(plQ31)：砂粒含量1.3%～15%，粉粒含量68%～85.4%，粘粒含量7.9%～30.4%，孔隙率45.7%～51.3%，孔隙比0.84～1.05，干密度1.32 g/cm3～1.48 g/cm3，含水量5.2%～108%，稍湿，结构稍密～中密。液限24.7%～28.3%，液性指数-1.15～-0.10，塑限13.5%～16.4%，塑性指数9.1～12.9，属低液限重粉质黏土。饱和快剪强度内摩擦角11.3°～13.4°，凝聚力3.5 kPa～17.7 kPa，原状快剪强度内摩擦角21.6°～24.8°，凝聚力29.4 kPa～74.6 kPa，渗透系数(0.812～1.02)×10-5cm/s，压缩系数0.12 MPa-1～0.40 MPa-1，湿陷系数0.003～0.060，自重湿陷系数0.005～0.064，土层具中等压缩性，自重轻微～中等湿陷性。

本工程水库地基土层均具有湿陷性，且为自重湿陷性场地，存在的主要工程地质问题是湿陷变形及不均匀沉降。湿陷性土层厚度在原沟道部位由于填土厚度较大，加之原沟道湿陷性土层，其湿陷性土层厚度达30 m～35 m；在原山体部位由于土地平整对山体进行挖除，其湿陷性土层厚度相应减小，在10 m～30 m之间，由西南向北东湿陷性土层由厚变薄。根据《湿陷性黄土地区建筑标准》，原沟道部位场地地基湿陷等级为Ⅳ级，原山体部位场地地基湿陷等级为Ⅱ级～Ⅳ级。水库各部位的湿陷量计算及湿陷类别、地基湿陷等级划分见表1。

表1 湿陷性分析评价表

2.2 地基处理措施

本工程地基需处理湿陷性土层厚度较大，常规处理方法中除预浸水法外，均无法全部去除土层深处的湿陷性，但受库址区附近建筑物的限制以及需较长浸水期，无法采用预浸水法。因此，在水库设计时采用仅消除地基部分湿陷性的措施。

根据《湿陷性黄土地区建筑标准》，建筑类别按乙类考虑，消除地基部分湿陷量的最小处理深度不应小于湿陷性土层的2/3，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量，不应大于150 mm[1]。在满足处理深度和剩余湿陷量要求时，原沟道部位地基处理深度需至地面下26 m～31 m，剩余湿陷量为126 mm～142.5 mm；原山体部位地基处理深度需至地面以下5 m～26 m，其剩余湿陷量约为126 mm。

根据甘肃省地方标准《大厚度湿陷性黄土场地工程处理技术规程》，乙类建筑基础下地基处理厚度不小于15 m，地基处理后的剩余湿陷量计算值为364.2 mm～366.3 mm，当剩余湿陷量大于《湿陷性黄土地区建筑标准》6.1.4条和6.1.5条规定的剩余湿陷量的2倍时，应通过专门论证采取措施[2]。

在经过多方考虑各项因素，并反复研究后决定采用水泥土垫层、原土翻夯和强夯相结合的综合处理措施，即在开挖建基面上首先采用高能级的强夯，处理深度需达到10 m以上，然后设2.5 m厚的原土翻夯层，其上再设0.5 m厚的10%水泥土垫层。通过计算库盆及坝基从地面向下开挖的深度，再叠加地基处理的深度，基本可满足上述规范要求的低限值。同时在建筑物设计时也采取了尽量减小坝高和蓄水深度以减少上部荷载、采用全库盆土工膜防渗以减少渗漏的结构措施，用以配合相应的地基处理。

3 注入式水库设计方案

3.1 水库平面布置

本工程库址区四周邻近兰州新区规划道路，水库围坝坝顶高程不宜超过邻近道路路面高程过多，同时结合库址区中部地形凹陷形状，为使工程挖填方量尽可能平衡，采用半挖半填方式形成库盆，平面上采用呈圆角不规则多边形的围坝方案。

水库长(东西向)约550 m，水库宽(南北向)约520 m。水库占地面积约430亩。水库总库容为115万m3，调节库容为105万m3，死库容为10万m3。水库围坝的坝高为8.8 m，坝顶宽度为6 m，坝顶高程为1925.5 m，水库正常蓄水位为1923.5 m，死水位为1918 m，库底高程为1917.5 m，水库最大水深为6 m。

水库西北侧坝段设置水库进水口，引水暗渠穿坝体后设消力池进入水库。消力池前段为扩散段，池底坡度为1∶3，长度为10 m，后接池身段，底板高程1915.50 m。消力池长16 m，池宽12 m，池深2.6 m，底板厚度65 cm，采用C25现浇混凝土结构。水库南侧坝段设供水放空管，管道采用坝下埋管的形式，管道内径为1 m，进口设混凝土圆形进水池，进水池内径4 m，池底高程1915.20 m，池顶高程1918.00 m。供水放空管采用钢管，管道进口中心线高程1915.90 m，管道穿坝段设50 cm厚外包混凝土，管道穿坝后设岔管，岔管前后均设置检修控制阀室，一支接入后续配套供水工程，另一支用于水库放空，放空管末端伸入新区中通道雨水二期工程暗渠，放空管总长1 km。水库西侧坝段设6 m宽入库检修道路。

3.2 水库防渗结构和围坝断面

本工程采用全库盆土工膜防渗设计，库底自50 cm厚的10%水泥土垫层上铺设两布一膜复合土工膜，土工膜上层设5 cm厚的M10砂浆垫层和25 cm厚的现浇C25混凝土板，大坝上游面防渗结构自50 cm厚的10%水泥土垫层以上分别为两布一膜复合土工膜、5 cm厚的M10砂浆垫层和15 cm厚的现浇C25混凝土板护坡。

水库围坝为土坝，坝顶宽度为6 m，坝顶路面采用采用15 cm厚的现浇C20混凝土路面。上游坝坡坡比为1∶2.75，采用C25现浇混凝土板护坡，水平向每隔4 m，垂直水平向每隔6 m设伸缩缝，缝内填聚氯乙烯胶泥和闭孔泡沫板。大坝下游坝坡坡比1∶1.8，采用生态格宾植草护坡。

本工程坝体填筑料的设计在综合考虑施工方法、工程造价等情况后，采用开挖土料，碾压填筑料压实度控制指标为压实度不小于96%，采用分段碾压，接茬搭接处为台阶状或阶梯状，分层碾压交错楔接[3]。