天水地区某调蓄水库黄土工程特性分析研究

武鹏飞,赵旭阳

（中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222）

引言

我国黄土分布面积约占世界黄土分布总面积的4.9%,主要分布于黄河中、上游一带,是世界上黄土沉积最广阔的地区[1]。黄土由于生成的年代、成因、环境、地域以及生成后历史变迁上的差异而具有不同的性质[2],前人对黄土所特有的湿陷特性研究取得了较大进展[3-4]。此外,对于湿陷性黄土地基的处理方法也有不同的方法和建议[5-6],均对工程建设具有一定指导意义。

本研究以天水地区某拟建调蓄水库工程区分布的黄土为研究对象,采用宏观和微观相结合的方法,着重分析研究了黄土的工程特性,对工程的顺利实施具有重要指导意义。

1 工程地质概况

某拟建调蓄水库位于甘肃天水市甘谷县附近,属陇中黄土丘陵低中山地貌,为我国典型的黄土地貌发育区,工程区内大量分布不同时代及成因的黄土。根据现场勘察资料,工程区内黄土主要有中更新统离石黄土和上更新统风积马兰黄土。

离石黄土为浅黄～褐黄色,广泛分布于工程区内,地表出露较少,上部多为马兰黄土覆盖,勘探揭露该层厚度一般在15～30 m；马兰黄土一般呈浅黄色,土质较均一,垂直节理发育,广泛分布于坝址及库区两岸山坡,该层厚度一般为10～15 m。

2 工程特性

勘察期间,结合地质测绘成果,在勘探钻孔及竖井中取有代表性的黄土试验样品进行室内物理力学试验,对工程区分布的两种黄土工程地特性进行详细的分析研究。本研究对73 组马兰黄土（Q3eol）和167 组离石黄土（Q2）做了相关试验统计分析,试验数据过于冗长,文中并未附试验数据统计表格,下述相关试验数据均由试验成果统计所得。

2.1 粒度成分

离石黄土砂粒含量介于0.1%～2.4%之间,平均值0.5%；粉粒含量介于58.2%～80.4%之间,平均值73.3%；黏粒含量介于19.6%～41.8%之间,平均值26.6%。

马兰黄土砂粒含量介于0.1%～2.2%之间,平均值0.5%；粉粒含量介于62.5%～80.9%之间,平均值76.6%；黏粒含量介于18.4%～37.5%之间,平均值23.2%。

依据《土的工程分类标准》GB/T 50145-2007,工程区离石黄土和马兰黄土均为低液限粘土。

2.2 物理特性

离石黄土天然含水量7.5%～29%,平均值介于13.6%～22%之间；土粒比重2.68～2.73,平均值介于2.7～2.72 之间；孔隙比0.53～1.18,平均值介于0.67～0.95 之间；干密度1.24～1.81 g/cm3,平均值介于1.42～1.65 之间；塑性指数10～24,平均值介于12～17之间；液性指数-0.78～0.62,平均值介于-0.28～0.24之间；垂直向渗透系数垂9.16×10-8～2.57×10-4cm/s,平均值介于6.86×10-5～1.01×10-3cm/s 之间；水平向渗透系数2.63×10-8～1.47×10-3cm/s,平均值介于4.57×10-5～5.77×10-4cm/s 之间。

马兰黄土天然含水量7.0%～23.3%,平均值介于10.9%～16.1%之间；土粒比重2.68～2.72,平均值介于2.69～2.70 之间；孔隙比0.70～1.34,平均值介于0.91～1.22 之间；干密度1.15～1.61 g/cm3,平均值介于1.24～1.47 之间；塑性指数13～21,平均值介于14～16之间；液性指数-0.73～0.32,平均值介于-0.52～-0.19之间；垂直向渗透系数1.60×10-5～8.58×10-3cm/s,平均值在6.12×10-4～8.58×10-3cm/s 之间变化；水平向渗透系数3.90×10-4～1.48×10-3cm/s,平均值在5.84×10-4～1.25×10-3cm/s 之间变化。

由上述试验数据可知,工程区马兰黄土天然含水量、干密度普遍低于离石黄土,而孔隙比明显高于离石黄土,天然含水量、干密度随深度增大而增大,孔隙比随深度增大而减小。

2.3 力学特性

离石黄土天然状态压缩系数0.12～0.27,平均值介于0.14～0.25 之间；湿陷系数0.00～0.160,平均值介于0.008～0.062 之间；自重湿陷系数0.00～0.102,平均值介于0.004～0.030 之间；天然状态黏聚力12.6～59.8 kPa,平均值介于26.7～49.5 kPa 之间,内摩擦角21.1°～34.0°,平均值介于24.6°～31.3°之间。

马兰黄土天然状态压缩系数0.21～0.52,平均值介于0.27～0.52 之间；湿陷系数0.00～0.207,平均值介于0.081～0.155 之间；自重湿陷系数0.00～0.188,平均值在介于0.048～0.114 之间；天然状态黏聚力12.9～81.7 kPa,平均值介于19.6～66.6 kPa 之间,内摩擦角24.3°～32.0°,平均值介于26.8°～31.0°之间。

由上述试验数据可知,工程区马兰黄土具有高压缩性,湿陷性强烈,属自重湿陷性黄土；离石黄土具有中等～高压缩性,湿陷性中等～强烈。湿陷系数随深度增加而减小。

2.4 湿陷特性

根据《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB 50025-2018）,湿陷系数δs=0.015,为黄土是否存在湿陷性的分界线。当湿陷系数δs＜0.015 时,为非湿陷性黄土,反之,则为湿陷性黄土。

为研究工程区黄土湿陷性大小与深度、孔隙比、天然含水量、干密度的变化规律,据此绘制湿陷系数与深度、孔隙比、天然含水量、干密度散点图,见图1至图8。

图8 离石黄土δs 与干密度ρ 散点图

由图1 至图4 可知,马兰黄土湿陷性强烈,其湿陷性大小与深度、天然含水率、干密度呈负相关性,与孔隙比呈正相关性,根据图中所示回归直线方程,可初步推测工程区马兰黄土湿陷临界土层埋深为9.31 m、临界天然含水率为19.41%、临界孔隙比为0.80、临界干密度为1.50 g/cm3。

图1 马兰黄土δs 与深度深散点图

图2 马兰黄土δs 与含水率w%散点图

图3 马兰黄土δs 与孔隙比e 散点图

图4 马兰黄土δs 与干密度ρ 散点图

由图5 至图6 可知,离石黄土湿陷性与土层深度相关性不强,当深度超过20 m 后,基本无湿陷性,当深度10～20 m 之间时,湿陷性轻微～中等为主。此外,离石黄土湿陷性大小与天然含水率、干密度呈负相关性,与孔隙比呈正相关性,根据图中所示回归直线方程,可初步推测工程区离石黄土临界天然含水率为18.79%、临界孔隙比为0.61、临界干密度为1.50 g/cm3。

图5 离石黄土δs 与深度散点图

图6 离石黄土δs 与含水率w%散点图

3 主要工程地质问题

3.1 地基湿陷变形问题及处理建议

图7 离石黄土δs 与孔隙比e 散点图

马兰黄土压缩系数在0.21～0.52 之间,为高压缩性土,湿陷性强烈,地基承载力低,可能发生湿陷变形破坏,不宜作为坝基持力层。离石黄土压缩系数在0.12～0.27,压缩性中等～高,该层土体约10 m 以下湿陷性轻微～无,压缩性中等,采取适当的工程处理措施可作为坝基持力层。

3.2 黄土边坡稳定性问题及处理建议

两岸坝基开挖后,工程边坡以土质边坡为主,大土体结构相对单一,其破坏形式以圆弧形滑动为主,黄土垂直节理发育,在降水或地震等作用下局部易出现小规模塌滑,黄土层底部与下伏基岩接触部位一般含少量第四系孔隙潜水,土体强度低,该界面一般为潜在滑动面,建议在加强坡顶、坡面及坡脚排水的同时增加支护措施,马兰黄土和离石黄土临时边坡建议开挖坡比为1：1～1：1.25,永久边坡建议开挖坡比1：1.25～1：1.5。

4 结论

（1） 工程区马兰黄土和离石黄土均为低液限粘土。

（2） 马兰黄土天然含水量7.0%～23.3%,干密度1.15～1.61 g/cm3,孔隙比0.70～1.34,压缩系数0.21～0.52,黏聚力12.9～81.7 kPa,内摩擦角24.3°～32.0°；离石黄土天然含水量7.5%～29%,干密度1.24～1.81 g/cm3,孔隙比0.53～1.18,压缩系数0.12～0.27,黏聚力12.6～59.8 kPa,内摩擦角21.1°～34.0°。

（3） 黄土湿陷性随深度增加而减小,湿陷系数大小与天然含水量、干密度呈负相关性,与孔隙比呈正相关性；马兰黄土干密度大于1.50 g/cm3、天然含水量大于19.41%、孔隙比小于0.80 时,基本上可判定为无湿陷性；离石黄土干密度大于1.50 g/cm3、天然含水量大于18.79%、孔隙比小于0.61 时,基本上可判定为无湿陷性。

（4） 建议两岸坝基持力层置于离石黄土下部,并采取适当的工程处理措施；两岸黄土边坡需加强坡顶、坡面及坡脚排水的同时增加支护措施。