浅析地质环境软结构变化对建设期水利工程影响

王树奎　张建全　邢海鹏

摘要：水利工程建设期周期较长，在建设过程中不可避免地会存在冬季施工和汛期行洪情况。构（建）筑物施工过程中冬季冻胀，汛期工程水毁问题较为普遍，不利影响主要表现为渐进性的地质环境变化。冻胀破坏主要与含水量、地层岩性、气温和受力条件等因素密切相关，改善其中一个因素，便可起到防治冻胀的效果。汛期集中降水，改变了初始渗流场，水在土体内的孔隙中运动产生渗透力，改变土体的力学性质，地下潜流的水力坡度，对地质结构、构造薄弱环节施加附加应力，随水流易产生流土或管涌运移，导致构（建）筑物基土变形破坏。建设过程中偶遇的外部环境改变，导致的场区地质环境软结构变化，对水利工程施工带来很大困扰。本文针对建设过程中遇到的问题进行简要分析与说明，希望对相似工程起到一定的帮助和借鉴。

关键词：地质环境  软结构  建设期  水利工程

水利工程建设对社会发展发挥着积极作用，产生了巨大的经济效益、社会效益和生态环境效益，除害兴利是水利水电工程的本质。但同时在一定程度上影响、改变了地质环境。在工程建设期，工程处于未完工状态，效益未能发挥，地质环境已发生改变，不同工况环境下，易对工程本身和周边环境造成不同程度影响。下文以豫东灌区工程建设为例，分析建设期遭遇极端天气情况下，地质环境变化对工程的影响。

1 地质背景

1.1 地形地貌

灌区绝大部分地区属黄淮冲积平原，少部分属黄河漫滩。西北高东南低，大部地形平坦，局部地段受河流切割影响，微地形起伏较大，具有明显的坡、平、洼。西北高程约80～85m，东南部地面高程约40m，地面坡降为1/3000～1/8000^[1]。

1.2 地层岩性

灌区内第四系松散沉积物厚度分布不均，沉积厚度100～500m。第四系由冲积、洪冲积及冰水沉积形成，其岩性主要由粉质壤土、粉质粘土及粘土夹数层砂层（粉细砂、中细砂或中粗砂），具有“上细下粗”或“粗细互层”，上疏松、松散，下致密、密实的沉积特点。第四系全新统地层由粉质壤土和粉细砂组成，粉质壤土一般多属中等至高压缩性、软至中硬土，土体强度较低;砂壤土和粉细砂结构松散至稍密，抗冲刷能力差。

1.3 地质构造

场区位于华北准地台（Ⅰ）之黄淮海坳陷区（Ⅰ2）中南部，区域新构造分区属豫皖隆起坳陷区。本区主体构造线方向为近东西向或北西向。第四纪，本区西部逐渐结束了盆地沉陷阶段，开始返回上升，晚更新世末期以来，本区基本上处于抬升状态，东部则继续沉降，反映在地貌形态和沉积物厚度上都有明显的差异性，其沉积物的变化规律是隆起区薄，坳陷区厚。对通许—太康隆起而言又呈西部较薄而东部较厚的特征，地貌表现为西部呈堆积—侵蚀的条形岗地，东部则为地形平坦以堆积作用为主的平原。

1.4 水文地质条件

本区属半干旱、半湿润的大陆性季风气候区，四季分明，冬季干燥寒冷，夏季潮湿，雨量集中。多年平均降水量672mm，7～9月约占全年降水量的55%;在空间分布有自西北向东南降水量逐渐增多的特点，场区内主要河流对灌区水文地质有明显影响。

浅层地下水主要类型为第四系松散层孔隙潜水，局部具微承压性。第四系全新统或上更新统的粉细砂、中细砂是构成浅层地下水的主要含水层，含水层厚度分布不均，由北部的30.0m厚向东南逐渐变薄为10.0m左右。浅层地下水自西北向东南方向流动，地下水流向总体与地形倾向一致。中、重粉质壤土一般具微至弱透水性，轻粉质壤土具中等透水性，砂壤土和粉细砂具中等至强透水性^[2]。

场区内轻粉质壤土、轻壤土毛细上升高度为2.82m，砂壤土1.85m，中、重粉质壤土为1.80m，大气降水在砂性土与粘性土接触面易形成上层滞水，场区标准冻土深度一般不大于0.5m。

1.5 工程地质问题

场区地层岩性主要由第四系全新统粉质粘土、粉质壤土及粉细砂组成。地质结构主要为砂性土、粘性土均一结构，粘砂双层及粘砂多层结构。上部地层多为黄河近期冲积形成，均为新近沉积层，地层较软弱，整体强度较低;少粘性土和粉细砂，具中等至强透水性，抗沖刷、抗渗透能力差。

场区西北部区域地震动峰值加速度为0.10～0.15g，相当于地震基本烈度Ⅶ度，第四系全新统少粘性土及砂层多呈松散～稍密状，地下水埋深较浅，存在地震液化问题。

地下水一般低于渠底板，工程运行时，存在渗漏及渗透变形稳定问题。地层岩性主要为少粘性土，抗冲刷能力差，在侧向水压力作用下，易造成边坡失稳，存在冲刷和边坡稳定问题。

近年来地下水埋深存在较大的波动，地下水位具动态变化特征，年变幅一般为3～5m，且受引黄渠水及大气降水影响，易造成沿渠附近地下水较浅，多存在施工降排水问题^[3-6]。

2 地质环境变化对工程的影响

2.1 地温场地质环境条件的变化

土体的含水量是引起冻胀的主要因素，土体中的含水量不大时，土中水结成冰，只是降低土体孔隙率;当含水量超过一定的界限时，产生土体膨胀，土冻结体积增大才能引起建基面基土隆起及冻胀力，这个含水量定义为起始冻胀含水量。在开放系统中，土体的冻胀性不仅与起始冻胀含水量有关，也与外界补给水源关系密切。场区实测地下水位埋深一般为6.0～8.0m，部分地下水位埋深8.0～10.0m，局部大于12m。渠系工程多以半挖半填、全挖方为主，地下水一般位于渠底以下2.0m，地下水位距离冻结峰面大于临界深度，地下水对冻结层无显著影响，但建设期养护水和防尘治理水对基土的含水率影响较大。

渠线工程各部位受到日照及遮阴程度随工程走向和断面型式的不同存在有很大差异，且土体的冻结深度与日照条件和遮阴程度密切相关。灌区地形西北高东南低，地下水流向总体与地形倾向一致，灌区渠道多以南北和近东西布置为主。渠道由于走向、坡度不同，各断面上受的日照、风速等不尽相同。东西走同的渠道，其阳坡所受日照的时间比阴坡长、强度比阴坡大，且地温高于阴坡。渠道在风的作用下，其渠坡中、下部温度要高于渠顶温度，但渠顶比坡中、下部受到日照时间长，在风的作用下，蒸发较强，致使含水量小，所以冻胀量不大或无冻胀。受外部环境原因影响（大气降水、养护洒水和防尘治理）渠道中、下部和渠底含水量大，冻胀量随冻深的加大而增加，冻害较严重。

场区地层岩性主要由第四系全新统粉质粘土、粉质壤土及粉细砂组成。在自然条件下，冻胀性的分类，粒径小于0.075mm的含量不大于10%的粗粒土为非冻胀性土;细粒土及粒径小于0.075mm的含量大于10%的粗粒土为冻胀性土。同等条件下，不同岩性的冻胀量以粉质粘土、壤土、砂壤土、粘土、砂土逐次減少。边坡地质结构主要为砂性土、粘性土均一结构、粘砂多层及粘砂多层结构。不同岩性土层冻胀程度的差异，易引起不均匀冻胀，在冻结期土层表面形成冻土的负压区，使得水分迁移到冻结锋面形成冰夹层，使土体体积增大并膨胀。基土表层膨胀变形受到限制，就会产生较大的冻胀力，冻胀力方向与冰晶增长方向基本一致，垂直于冻结锋面且冻胀变形方向垂直于渠坡。

2.2 渗流场地质环境条件变化

根据杜布依方程式h2 1-h2 2=2kqL;式中q为渗流单宽流量;k为土层渗透系数;h1，h2为浸润面在两个截面处与不透水底板的高差;L为两个截面间的距离。可知两平行断面之间等势线分布为近垂直地面匀匀分布，无压渗流浸润线为抛物线形式。基于杜布依方程，岸坡渗流临界坡降小于岸坡渗流出逸坡降，有地下水渗流出逸时渗流是不稳定的。根据渠道坡面上的渗流坡降的实际分布，可判断出坡面是否发生渗流破坏。

自然大气降水可造成地下水位上升或形成上层滞水，影响初始渗流场，在重力作用下，向零势面运动，形成地下渗流。在渗流过程中，水自下而上流动，则动水压力与重力方向相反，减小了土粒之间的压力，当动水压力等于土的浮重度时，理论上土粒处于悬浮状态，它将随渗流水一起运动，造成边坡破坏失稳。

地下水径流受地形地貌、补给来源和含水层岩性控制，灌区大部分地区地形平坦，平原区浅层地下水沿黄河故道全新统含水层自西北向东南流动，地下水流向总体与地形倾向一致，水力坡降一般为l/3000～l/4000，靠近上游处约1/2500，下游1/5000。灌区地层岩性为第四系松散冲积层，下游地区地下水水力坡度较上游为小，岩性较上游细，因而地下水流出量较流入量小，由于地下水流速很缓，所以地下水迳流排泄量很弱。

工程区内沟道、渠道为非完整切割浅层含水层，地下水和地表水作用关系随大气降水量的变化相互补给。汛期降水集中，使非饱和土层饱和，雨水渗入土体颗粒之间，使土的含水量增加，进而引起土的饱和度变大;土的粘聚力与饱和度关系曲线分布形式可视为正态分布，随饱和度增加粘聚力降低，土体基质吸力丧失。当降雨强度大于土层的入渗能力时，雨水未能全部入渗土体，导致地表积水，根据地形地势易形成坡面流，对土质边坡产生侵蚀，水流对坡面松散物进行冲刷，破坏坡面表面形状;场区地面不平整，水流汇集于低凹地，超过了蓄水能力后易形成线状流和沟状流，造成沟、渠道边坡失稳及破坏。降雨入渗条件下，边坡安全系数变化规律总体是先减小后增大，变化主要发生在降雨前期渗流场变化明显时段，最小安全系数大概率发生在降雨停止时刻，汛期降雨历时长，降雨强度大，安全系数达最小值的时间越长，安全系数最小值越小，不利于边坡稳定。

2.3 地质环境软结构变化对工程造成的不利影响

（1）土层含水率高，渠基土含水率是渠道混凝土衬砌冻害的决定因素，在负气温天气下，在土壤冻结过程中，使土体表层与深层冷暖面温差变大，地下水将通过毛细管作用持续移向冻结面，冻结源不断将未冻区域水分迁移冰凝层，造成冻胀。渠道混凝土衬砌板属薄壁轻型刚性结构，虽具有较强的抗压强度，但抗拉、抗折强度低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力差，当土体冻胀量达到一定程度，混凝土面板内应力超出允许承载力，会产生开裂破坏。冬季期间，受持续低温冷空气影响，温度场发生较大变化，渠道混凝土面板产生裂缝，裂缝出现的位置一般位于东西向渠右岸（阴坡），具有一定的普遍性和规律性，一般位于距渠坡脚1～2m的位置，裂缝宽度部分超过1mm。

（2）汛期集中降水，改变了初始渗流场，土体水流会向渠道岸坡临空面排泄，会加剧土体物理化学风化作用，改变土体内部的裂隙度，水在土体内的孔隙中运动产生渗透力，改变土体的力学性质，地下潜流的水力坡度，对地质结构、构造薄弱环节施加附加应力，当渗透力达到一定强度时，土体结构遭到破坏，随水流产生流土或管涌运移，导致地面、基础面变形，危及基础、渠道边坡稳定。由于场区地层岩性多以少粘性土为主，抗冲刷能力差，汛期过后，渠道沿线水毁问题较严重。

3 结论和建议

（1）灌区属松散覆盖黄淮冲积平原，因多次受历史上洪水冲淤，场区分布薄层软土层较广泛但不连续，软土稍发育。地质结构属粘砂双层或粘砂多层结构特征，具上细下粗的沉积规律。灌区地层岩性变化大、相变频繁，中、重粉质壤土具微至弱透水性，砂壤土和轻粉质壤土多具中等透水性，粉细砂多具中等至强透水性;整体上上部地层结构松散，抗冲刷能力差，土体强度低，对于水工建筑物地基处理应予以重视。

（2）渠道开挖增大了与空气接触面积，寒冷季节改变了场区地温场，温度骤降是渠道衬砌面板开裂的根本原因。豫东平原为温和地区，可对渠道衬砌面板采取防冻措施;同时，加强建基面基土施工控制，有效控制渠基土含水率，也能有效预防冻胀影响。

（3）根据场区天气条件、水文地质条件，分析场区实时的渗流场对构（建）筑物的不利影响，设计与施工应注意地质环境软结构变化，施工中可能造成的工程风险，应加强防范并采取相应的处理措施。

参考文献

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作者简介：王树奎（1980—），男，本科，高级工程师，研究方向为水利水电工程。张建全（1974—），男，本科，高级工程师，水利水电工程。邢海鹏（1978—），男，本科，高组工程师，水利水电工程