宁夏某人工景观湖渗透变形浅析及加固处理

王 磊，林经宁

(宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，宁夏银川750021)

1 工程概况

本项目人工景观湖场地位于宁夏某市工业园区纬一路南侧，主要利用纬一路北侧巴泉沟沟谷沟道拦蓄洪水，是一座以灌溉为主，兼有防洪、减灾、消防等综合效益利用为一体的人工景观湖。其前端1#、2#支沟总汇水面积9.0km2，主河道平均坡降130.1‰。该项目于2014年3月动工兴建，2014年6月竣工投入运行，设计洪水标准为30年一遇洪水进行防洪校核，设计占地面积8.20hm2，库容72×104m3，有效蓄水量38×104m3，有效水深6.0m。四周湖岸坡（池壁）采用1∶3的坡率放坡，整个湖底及岸坡做防渗处理，防渗采用一布（600g/mm2长纤维无纺布）一膜（1.5mm厚HDPE防渗膜）的结构。其中：湖底底部（防渗膜下部）增加300mm厚3∶7灰土垫层，其最上层铺设大小为1m×1m预制混凝土板；湖岸坡最上层采用六角形预制混凝土板及格宾对整个岸坡进行保护。

该景观湖北侧沿纬一路与1#、2#支沟交汇处预留2处洪水溢流涵洞（管），管径均为D2000，管底埋深分别为东侧（2#支沟）路面以下4.3m，西侧（1#支沟）路面以下4.1m，出口设为八字排放口，以起到消能的作用。东侧垂直慈善大道埋设溢流涵洞（管），管径D2000，管底标高为路面以下6.2m，出水经2级跌水后，接入慈善大道预留过水涵洞。

2 主要病险情况

该人工景观湖工程自2014年7月正式投入运行（人工向湖内注水）至2015年3月长达9个月的时间里蓄水量达30×104m3，此间未发现渗漏现象。2015年4月3日一场短时强降雨导致纬一路北侧2#支沟内积水约3万余方。随后发现积水快速消退，并在纬一路路面形成一个长约65m、宽15m的塌陷带，下沉量约10～50cm，7月份湖东北角岸坡也出现下陷，而慈善大道东侧预留涵管外侧亦有水流渗出，其路面出现一长约40m、宽24m的塌陷带，下沉量约10～15cm。

险情发生后，管理单位立即采取停止给该湖注水，并将原有湖水排空等应急措施。湖水排空后，经现场调查，湖底东北角局部及东南侧均发生不同程度的下沉，一般下沉量在5～20cm，影响面积约2.27hm2。为进一步摸清事故原因，现场勘察技术人员在下沉区域通过挖掘机大开挖方式对湖底部进行直观勘验，发现局部预制混凝土板（尚未破坏）有空鼓下沉现象，但防渗膜完好无损，3∶7灰土层碾压密实，干燥，其下部位黄土层含水率较大，出现软化现象。慈善路下方放水设施存在沿管涵侧壁渗漏现象。

3 工程区地质特征

为进一步查明蓄水运行后场地地质条件的变化情况及湖底和道路塌陷变形的原因，为下一步除险加固设计提供地质资料与建议，甲方委托勘察单位对该湖底和道路塌陷变形区进行了补充勘察。

3.1 地形地貌

项目区属于山前冲洪积低山丘陵区，总的地势西北高东南低，相对高差约18.5m，冲沟较为开阔，河床纵比降较小，河谷无深切现象。

3.2 工程地质条件

根据本次现场钻探[1]、原位测试及室内土工试验结果，结合本地区已有地质资料，对勘探深度范围内的岩土层按时代、成因及土性特征划分为：

①第四系全新统(Qml4)素填土：灰、褐灰、灰黄等色。以粉土为主，夹粉质粘土，局部见泥岩碎屑或砾石，纬一路路堤内无规律分布有砾石层。干燥，局部很湿，稍密，为道路修建时回填。该层主分布于沟谷底部、湖底部及纬一路和慈善大道路堤内，层厚1.6～15.0m，纬一路与原2#支沟交叉处拦洪坝体回填较厚。

②第四系更新统(Q4al+eol)黄土状粉土：黄褐—土黄色,稍湿—很湿,土质不均匀含砾砂、细砂，具有I级(轻微)非自重湿陷。场地均有分布。

③第四系更新统(Q4al+pl)砾砂：灰褐色及杂色。湿—饱和，稍密，以中细砂为主，含较多砾石，夹碎石，颗粒分选性差。砾石粒径一般5～20mm，最大粒径40mm，磨圆度差，含量30%～50%，主要矿物成分以长石为主，含少量云母等暗色矿物，在湖底部分区域分布。

④古近系(E)泥岩：泥质结构，中—厚层构造。岩芯破碎，多呈短柱状。风化裂隙不发育，根据区域地质资料，该地层区域分布稳定，是良好的隔水层。

3.3 水文地质条件

根据现场调查和钻探、坑探揭露，工程区在勘探深度范围内有一层地下水，水位埋深为2.31～12.70m，相应高程为1321.59～1332.15m（查看原岩土工程勘察报告资料该场地无地下水分布），为孔隙潜水，赋存于第①人工填土及第②层黄土状粉土地层中。勘察期间，发现慈善路下方放水设施存在沿管涵侧壁渗漏现象，该处水质目观浑浊，并在水流较平缓处的沟底沉积了一层黄色土体颗粒。

由于工程区属缓坡丘岭地区，地面坡度较大，因此大气降水主要形成地面坡流汇入北部2#支沟内形成季节性地表水系，后期修建景观湖改变地表径流又加上上游坝体（路基）填筑土质不均且具中等透水性，大气降水很容易从地表渗入地下。因此，工程区的地下水为地表水体垂直入渗补给，并经地下径流向下游排泄，而本次勘察期间地下水为入渗补给尚未向下游排泄完毕而形成。

4 塌陷原因分析

4.1 渗漏变形

根据现场调查及地质资料研究分析，认为景观

湖渗漏的主要原因：首先，纬一路与2#支沟交汇处预留洪水溢流涵洞（管）设计标高过高，没有起到及时将沟内汇集的洪水排入景观湖的作用；其次，纬一路填土路堤及2#支沟沟谷浅表层分布的素填土，层间分散性分布有砂砾石，呈稍密状态，具中等透水性；湖底土层为黄土状粉土为主，土层存在不均匀性，其充填物主要为透水性较好的中砂、细砂层，土中大于5mm的砾石含量高，粘粒含量相对较低，且局部地段分布有砾砂层，土颗粒的孔隙较大，渗透系数较大，为湖底渗透变形形成良好的通道。因此，在强降雨未到来之前，由于整个景观湖全部（湖底及岸坡）做防渗处理，故长达9个月的时间里人工注水蓄水量达30×104m3，并无渗漏现象；而强降雨到来后，洪水沿2#支沟沟谷浅表层土体垂直入渗侧向补给，并穿越纬一路路堤向下游排泄，进入砂砾石层对与其接触的黄土层产生接触冲刷，并携带细粒逸出，造成湖底东北角和东南侧均发生渗透变形。据现场调查，下游排泄口水体浑浊，也证明了湖底土层存在一定程度的管涌渗透破坏，同时这也是引发湖底下沉变形的原因之一（见图1）。

4.2 湿陷变形

该景观湖湖底修建在冲沟内，场地由挖山填沟造地经人工平整而成，受原始地形控制，已建外围路面设计标高高于设计湖底标高约13～18m，且坝体（路基）下部未做任何隔水和进行湿陷性土层地基处理，导致北侧2#支沟内汇集的大量洪水直接沿坝体及湖壁透水层渗透，逐渐侵入湖底，导致湖壁及湖底地基土遇水软化湿陷、强度下降，出现沉陷变形(查看原岩土工程勘察报告资料该场地原为Ⅱ级非自重湿陷性场地，补充勘察为Ⅰ级非自重湿陷性场地）。

综上所述，该人工湖2014年6月蓄水初期，湖内按设计要求采用复合土工布+3∶7灰土垫层处理，施工质量可靠，隔水效果良好；但2015年4月3日，由于受到强降雨影响，在纬一路北侧2#支沟内积蓄了大量洪水，坝体中分布的透水性较强的砂砾层和湖底部未处理的湿陷性土层，造成了地表水体透过坝体并沿着湖壁（底）入渗，引发了渗透变形和湿陷性黄土遇水软化沉陷，并且这2种因素综合作用从而造成此次事故。

5 加固措施建议

针对景观湖存在的主要问题，本次坝体和湖底加固处理应以防治土体渗透变形为主[2-3]。

图1 纬一路路基（坝体）及湖底塌陷处断面示意图（单位：m）

（1）在纬一路与2#支沟道交叉处路堤（坝体）处建议做粘土水平及斜墙防渗铺盖，上沿高度不应低于涵管（洞）顶面标高。填筑铺盖施工前必须清基，并对原始坡面土层进行夯实处理，然后用粘土分层填筑压实，经压实后粘土铺盖渗透系数不应大于10-5cm/s。铺盖的合理长度应根据允许渗漏量及渗透稳定性等条件确定，并在坡面砌置片石或混凝土护坡。

在景观湖东南侧（慈善大道）排水涵洞处设置反滤体，以防湖底部水体沿湖底渗流将土层中细颗粒带出（即管涌的发生），造成湖底的下沉变形。

（2）对景观湖湖底沉陷处的防护层进行清除，清除至稳定层位（泥岩），然后复用该料掺和砂石及石灰，拌合3∶7灰土在接近最优含水量条件下重新进行分层碾压，控制压实度（λc≥0.95）。然后在其上采用覆设防渗膜方式进行防渗处理。

（3）在慈善大道东侧沟道、湖下游背水坡（路堤边坡）坡度较陡，虽然边坡稳定，无变形、滑塌现象，但存在一定安全隐患。建议对该段加宽培厚，以放缓下游坡度，并在此坡脚处增设排水反滤体。

（4）由于湖底土层已经受到浸泡，强度较低，在湖底施工过程中基坑开挖深度较大时，应采取必要的坑壁支护措施，开挖深度有积水时，还应采取必要的降、排水措施。在降、排水过程中应严格控制出砂（泥）量，以防止出现其它不良工程地质问题。

该工程已按上述方案加固处理，施工顺利，经一年半的运行效果良好，周边道路也未再出现塌陷变形现象。

6 事故反思

从上述分析中可知，本项目区地形地貌、工程地质和水文地质条件并不复杂，前期勘察也基本查明了不良地质作用，但设计过程中仅从人工景观湖蓄水角度考虑，即：对整个湖底及岸坡做“一布一膜”的防渗处理和设置洪水溢流涵洞，却忽略了拦洪坝体的填筑质量、坝基及湖底湿陷性土层的处理，给后期拦洪坝的渗流和稳定性带来很大隐患。这其中可能有多种因素影响，特别是建设单位资金不足、需要减少投资的情况下，但是从本工程事故可以充分证明，严格按照相关规范、规程进行设计是避免类似工程事故的前提和保证。