黑燕调蓄水池置换含水率施工控制技术研究

王新海，贾生海，邵显显，杨耀峰

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

我国地域辽阔，以秦岭淮河划分南北界线，湿陷性黄土大部分位于北方、西部地区，这种土体，分布广泛，在没有与水接触之前性质稳定、强度等级高，在与相关水生态体系接触后，土体的密度发生改变，土体结构疏松、高压缩、强度下降，破坏具有突发性、间接性，给建筑物和构筑物造成不可挽回的经济损失和事故教训。这种极为特殊的土体被称为“黄土”，根据GB 50025—2018《湿陷性黄土地区建筑标准》，将湿陷性黄土归纳为湿陷和非湿陷性黄土[1]。这些土在与水接触后容易发生湿陷，同时对地震带地区的湿陷性黄土诱发地质灾害、山体滑坡、边坡位移、失稳、泥石流等自然灾害，这种灾害破坏强度极高，给人民生命财产造成不可挽回的损失和威胁[2]。此类型地基土层制约因素各有不同，当土的含水率的增加或者减小对黄土湿陷影响很大[3-5]。是目前岩土专家研究的重要领域，通常我们仅把狭义的非饱和充分浸水后的湿陷变形作为单一性的研究对象，在实际工程中，不同土层的湿化变化量不同，根据不同程度的湿化对土层深度造成的湿化变形总量来计算地基的湿陷性。作为湿陷量的一般意义是非常没有工程价值，即充分浸水下的湿陷变形。针对各异减湿条件下的湿陷，不仅仅之和现场的实际情况紧密相连，还要以不同含水量的变化所对应的发展速率，更加引起专业人事的重视。

在一定的环境中，黄土结构的变化机理的发生，是在力与水的结合下黄土产生显著的湿陷变形。同时，湿陷性黄土的变形不仅是因为自身的特性，还取决于水与力的作用因素。水让黄土结构变软，力的作用使黄土结构发生改变或者破坏，黄土发生湿陷变形的主导因素。在土体中的含水率的增加或者减少主要因素是季节性降水、河湖径流水量、地下水等水文体系。在有天然降水、地下水充足的饱和地区土层结构的压塑变形增大变为饱和黄土，其中在饱和的中上部的土层结构中，在向上土层为非饱和，同等条件土层含水率偏低的情况下，就是较为典型的湿陷性；在不同水环境体系中以不同的表现形式和形态向土中加入水分，使土的水分增减或者随着不同阶段温度的升降从而引起土中水分蒸腾时，将会引发黄土，甚至是“非饱和”黄土含水率的变化，触发湿陷性的结构变化，称之为黄土的“增湿和减湿”过程，致使非饱和黄土因含水量不同，导致土体结构失稳，土粒向大孔变化，土料孔隙变小，土体出现附加沉陷、地基下沉等事故发生[6-9]。

1 工程概况

调蓄水池位于通渭县马营镇，地形呈台阶状梯田，池顶高程2277.0m，池底高程2263.0m，池深14.0m；设计池容为30万m3，本工程采用半挖半填长方形结构，工程场地内地层共3层，分别为第①层eolQ32马兰黄土、第②层plQ31洪积粉质粘土(黄土状土)、第③层新近系粉砂质泥岩，该层埋深29～45m，地下水位埋深约25m，对工程无影响。场地上部为马兰黄土，厚6.8～15.9m，具有中高压缩性和强湿陷性，工程的实施需要对上部的马兰黄土进行处理，以保持工程的安全稳定运行[10]。黑燕调蓄水池场地地质条件评价见表1。

表1 黑燕调蓄水池场地地质条件评价

1.1 工程地质

黑燕调蓄水池场地以山地为主，山峦纵横，山梁纵横，沟壑纵横。地处黄土高原南缘，坡度角度小，植被贫瘠，雨季集中，水土流失严重。此外，外背力的侵蚀冲刷和河流的深层切割十分严重，该系列已演变成梁岭和沟谷交替的地貌格局。工程区内分布最广泛的地层为古近系和新近系第四纪马兰黄土、黄土、砂砾岩和泥质砂岩。

1.2 水文地质

工程区属渭河流域，地表水资源的补给以降水补给为主，平均降水量400～450mm，降水年内分配很不均衡。此工程土体以水为依托，通过物理、化学的物质变化的作用改变了蓄水池边坡的岩土层结构，在黄土遇水后，土体基础下沉、沉陷，失稳现象频发。水文环境是导致这一现象的发生最重要因素之首，因此，水池持力层选择在马兰黄土及黄土状土层中。

2 研究目标

黑燕调蓄水池地基进行翻夯处理时，填土含水率必须接近其最佳含水率(17.3%)，才能保证地基土达到0.96的压实度。地基土基本物理性质见表2，需要对自然含水量小于最佳含水量的土壤材料进行加湿处理，或对自然含水量大于最佳含水量的土壤材料进行干燥处理进行除湿处理。然而，本次实验只针对含水率大于最优含水率土料，在实际施工过程中，填筑土料的最终含水率受到其天然含水率、气温、加水量(晾晒时间)等3个因素的影响，最佳含水率很难把控。因此，有必要通过现场试验研究，填筑土料减湿过程中的晾晒时间与土料初始含水率、气温的变化关系，从而优化现有的地基置换土含水率施工控制技术，为本次施工技术提供科学的技术经验和理论指导。

表2 地基土基本物理性质

本调蓄水池地基进行翻夯处理时采用半挖半填，按GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》，自重湿陷量以天然地面算起，湿陷量自地面下1.5m算起，根据原状土试验资料进行计算：自重湿陷量Δzs=477～959mm，总湿陷量Δs=674～790mm，属自重湿陷性场地，地基湿陷等级为Ⅳ级(很严重)。所以根据规范要求：乙类建筑可消除部分湿陷量，可消除深度为2/3或6m的湿陷性土层，未消除土层剩余湿陷量不超过150mm。根据这一要求，场地土层湿陷性厚度一般为10～14.6m，关于乙类建筑最小消除深度为7～11.6m，符合规范和施工规范要求。

3 研究方法

对于含水率大于最优含水率(17.3%)的土料，通过现场晾晒开展减湿试验来降低含水率。由于土料减湿至最优含水率所需要的晾晒时间与初始含水率、现场气温有关。因此，现在设计3个初始含水率梯度(w0=19%、21%、23%、)和3个现场温度梯度(20℃、25℃、30℃)开展减湿试验，如图1—4所示。经过现场试验数据处理，绘画坐标轴曲线，求得土体在最佳含水率后趋于平缓。调蓄水池地基进行翻夯处理后，干密度达到1.64g/cm3，消除了湿陷性。土料置换与含水率的密切联系，在采用强夯法中，重新排列土壤颗粒，在沉积和压实之后达到巩固，从而增加地基承载力和压缩性，保证了坝体运行的稳定。

图1 含水率为19%、22%、25%在不同温度下变化曲线

图2 19%含水率在不同温度下拟合曲线

图3 22%含水率在不同温度下拟合曲线

图4 25%含水率在不同温度下拟合曲线

4 强夯法施工技术

强夯法需要的是压力对土壤的影响，以增强基本材料的强度。原材料的成本相对较低，施工过程相对简单，除了设备成本外，几乎没有什么消耗。因此，既既经济有保证质量[10-13]。总的来说，通过地质勘察报告为已知条件。对填充物的材料是由工程地质和土壤状况决定的。山区的高填充物地基由上层填充物和较低的填充物组成。它是密集的、松软的、混合的、不均匀的。在一定的程度下也存在许多问题，如：沉降不均匀、坝坡边坡稳定性差、地下水变化和排水对沉积物的沉积有较大影响。按照相关规范和项目的设计文件等，强夯施工速度快，影响深度大，便于机械化施工，处理效果较好；成本低，就地取材，挖土可用，因此，处理效果达到了设计要求，符合基础的稳定性和变形以后使用的要求。

5 结语

目前，对黄土湿陷性的天然含水量分析呈现动态变化，它是在对工程实测数据进行分析的基础上提出的。浸水对湿陷性黄土工程性质的影响深远[14-15]。选择蓄水池地基土，试验分析表明，天然含水率低，湿陷系数高。经过现场含水率试验，发现基础土含水率大幅度提高，最大超过17.3%，在此基础上，施工方案做出动态调整，即不再以湿陷变形为主，取而代之的是压缩变形处理，采用夯实方案进行地基土料回填、压实，确保坝体的稳定运行。

结果显示，黄土的湿陷性与黄土的含水量之间有明确的联系，针对不同地域气候、降雨、水文等因素的影响，湿陷地基土的处理和确定的施工方案对项目设计、施工、操作都有较大的影响，并可通过动态分析、动态调整的方式进一步优化解决。