湿陷性黄土坝基湿陷性评价探索研究

韩基冠

(宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司 银川 750004)重庆石柱 409100;3.宜昌瑞派尔特种工程技术有限责任公司 湖北宜昌 443000)

1 前言

湿陷性黄土及黄土状土占据了全国西部及中部的较大区域范围,在此范围内的河谷、沟谷当中修建了大量的土坝,其中包括许多中型及小型水库。坝高从几米至几十米,由于在河谷中普遍发育有数量不等的阶地,阶地的宽度也相差很多,阶地类型从上叠、内叠至基座各有不同,其上部的湿陷性土层的厚度也很不一致。

由于水库坝基的以上差别,坝基处理方式也各有不同,湿陷性土层较薄的很容易处理,直接挖出即可,但湿陷土厚度较大的坝基,又同时具有一定的坝高,坝底宽度就会很大,一般全部挖除的费用较大,通常的处理方式是采用预浸水、灰土 (素土)挤密、强夯等方法处理。坝基通过以上处理后,土坝的坝体部分直接在处理后的坝基上填筑。

因此,坝基湿陷性的评价就显得尤为重要。

国标 《水利水电工程地质勘察规范》GB50487-2008附录T中对于湿陷的评价方法应与现行国家标准 《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025的评价方式有所区别,但大部分内容还是基本一致的。一般湿陷性土的评价已不是什么新内容,对此国标 《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004当中已有详细的规定,即1)基底下10m以内的土层应用200kPa,10m以下至非湿陷性黄土层顶面,应用其上覆土的饱和自重压力 (当大于300kpa压力时仍应用300kPa);2)当基底压力大于300kPa时,宜用实际压力;3)对压缩性较高的新近堆积黄土,基底下5m以内的土层宜用100-150kPa压力,5-10m和10m以下至非湿陷性黄土层顶面,应分别用200kPa和上覆土的饱和自重压力。从上述建筑规范的评价中可以看出,其第1)和第3)条并不适用坝基的湿陷性评价,主要原因在于随着坝体的增高,坝基附加应力及总应力也增大了许多,一般10m以上坝高,其附加应力就已超过200kPa,这与一般建筑物的基底压力有较大区别。另一个与一般建筑物具有较大区别的是由于不同坝段填筑高度不一致,造成坝基附加应力不同的难点,即不同坝段应根据总应力的不同采用不同的试验压力进行湿陷性评价,这样就使得试验评价工作很复杂。也使得坝基处理变得复杂起来。因此评价中的第2)条 (当基底压力大于300kPa时,宜用实际压力)的规定,在实际操作过程中也显得比较复杂。实际操作简单的方法还是采用固定应力或压力的评价方法,那么对于坝基来讲,采用什么应力来评价是问题的关键。土石坝工程坝基下的竖向总应力由其自重和坝体荷载引起的附加应力叠加组成。在浅层范围内坝基应力,并不随着深度的增加而减小,而是随着深度增加而加大,因此湿陷性土层坝基的湿陷性评价压力应根据该土层所在的深度及应力进行评价,而不是按照通 常所谓的“基底下10m以内的土层应用200kPa,10m以下至非湿陷性黄土层顶面,应用其上覆土的饱和自重压力(当大于300kPa压力时仍应用300kPa”进行评价。

湿陷评价压力不仅针对天然坝基,而且针对通过预浸水、强夯、挤密等方式处理的坝基,也就是说处理后的坝基在设计荷载作用下是否湿陷,是评价的最终原则。这与坝基处理的深度和强度都产生了很大关系,如何正确把握好此类坝基的处理原则,是对于一个好的设计人员的考验。

另外与评价应力直接相关的内容就是湿陷量计算了,应该说此时坝基的湿陷量即为设计荷载下的湿陷量,但该湿陷量的计算目前还没有规范列出详细可操作的计算方法,只有《碾压式土石坝设计手册》能源部、水利部水利水电规划设计总院(一九九八)中,有一个黄土地基沉降计算,其关键参数是δsi——湿陷变形系数,但该湿陷变形系数是预浸水试验条件下的变形系数,也就是说进行坝基处理时,要首先进行预浸水试验,这样操作起来很麻烦,不是所有场地都有条件进行,且从目前国内的预浸水试验结果看,预浸水的试坑大小与湿陷变形量有很大关系。用小面积的试坑进行的预浸水试验得出的结论,用于大面积的湿陷土坝基的计算,其结果还有很多不确定因素。如果使用室内试验的湿陷系数或湿陷变形系数进行湿陷量的计算,一个不易确定的参数是β0——因地区土质而异的修正系数和β-考虑基底下地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数。

根据我区的几个大型湿陷性黄土预浸水基坑的处理结果,β0——因地区土质而异的修正系数确实对湿陷量有较大的影响,计算自重湿陷量与预浸水的实际自重湿陷量差异很大,同属于湿陷性黄土工程地质分区陇东-陕北-晋西地区的不同场地,其β0也有较大差异,也就是说β0对湿陷变形量是会产生影响的。按《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025计算湿陷变形量同样会受土质等不易确定的条件的影响。

从以上的分析及一些场地的实际湿陷变形量看来,在目前条件下,通过计算湿陷变形量来控制坝体的最终沉降量,从理论和实际都还缺少充分的条件,对于湿陷性黄土坝基,最好不要残留湿陷土,湿陷土日后处理很困难,这已被最近几年的水库出险加固工程所证实,而且处理不容易彻底。

鉴于湿陷性黄土坝基处理的复杂性,笔者根据我区已建成的几座水库坝基的处理经验,提出以下处理建议。

(1)天然地基的湿陷性应根据坝基实际荷载进行评价。不能简单采用建筑规范的评价原则进行。

(2)由于坝基荷载随着坝高的增加而增大,评价应力应采用坝基下的竖向总应力进行评价比较符合坝基变形的设计原则,即天然坝基和处理后的坝基评价应力应与坝基沉降计算应力一致。

(3)在湿陷性坝基处理中和处理后的坝基沉降变形,必须与各不同坝段的沉降计算结合起来一并考虑,以达到最终控制变形不产生裂缝,水库可以在设计水位正常运行的目的。

(4)鉴于目前湿陷变形量的计算还不成熟,坝基最终的湿陷量计算受多种条件限制,计算结果的准确性较差,湿陷性黄土坝基最好不要残留湿陷量。以免给工程的正常运行带来不利影响。

1 《水利水电工程地质勘察规范》.GB50487-2008

2 《碾压式土石坝设计规范》.SL274-2001.