基于防排水措施的灰场深厚湿陷性黄土地基处理.pdf
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1、第1 o 卷 第1 期 中国水 利水 电科 学研究 院学报 V o 1 1 0 N o 1 2 0 1 2 3 ,月 J o u ma l o f C h i n a I n s t j t u t e 0 f Wa t e r R e s 0 u T c e s a n d Hy d r o p o w e r R e s e a r c h Ma r c h , 2 0 1 2 文章编号 : 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 7 7 0 4 基于防排水措 施的灰场深厚湿 陷性黄土地基处理 李毅男 ,张 权1 ,李维朝 , ( 1 国核电力规划设计研究院
2、 ,北京 1 0 0 0 9 4 ; 2 中国水利水电科学研究 院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 ,北京 1 0 0 0 3 8 ; 3 中国水利水 电科学研究院 岩土工程研究所 ,北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 :通过对黄土产生湿陷的 内、外因素分析 ,认为黄土产生湿陷 的内因是黄土 的结构性 ,外 因是浸水与压力 , 因此在深厚湿 陷性黄土地基处理中 ,通过一定的防 、排水措 施可 以减 弱或消除黄土产生湿 陷的外 因,从而避免黄 土地基浸水湿陷。本文 以山西王曲电厂灰场深厚湿陷性黄土地基的防排水处理措施为例 ,在分析黄土湿陷性机理 的基础上 ,对该灰场深厚湿陷性黄土地基处理
3、 的设计思路及设计 方案进行 了介绍 ,可为今后相似工程地质条件下 的工程设计提供 有益 的参考和借鉴。 关键词 :黄土 ;干灰场 ;地基处理 ;湿 陷性 中图分类号 :T V 4 1 1 5 文献标识码 :A 1 前言 湿陷性黄土在我 国西部、中部等较大区域范围内普遍存在。在一定压力作用下 ,浸水后的湿陷性 黄土结构会遭受破坏 ,从而发生显著的附加下沉现象,会导致坝基沉陷、坝体开裂等严重影响灰场 坝体运行的病害。近年来 ,随着我国经济的发展 、西部大开发战略的实施 ,我国在湿陷性黄土地区筹 建的电厂工程项 目也越来越多 ,并且工程建设由低 阶地 向高阶地发展 ,做为地基的湿陷性黄土厚度不 断
4、增大 ,如宝鸡第二电厂地基的湿陷性黄土厚 1 8 2 m,蒲城电厂地基的湿陷性黄土层厚 3 5 0 m 。随着 湿陷性黄土覆盖层厚度的增大 ,地基处理的深度和难度也越来越大,但相应的深厚湿陷性黄土地基处 理设计经验较少,如何在深厚湿陷性黄土地基上建设灰场成为困扰设计人员的难题之一。 山西王曲电厂干灰场建于深厚湿陷性黄土地区 ,在地基处理过程 中,综合考虑各种湿陷性黄土 地基处理方法的特征和适用性后 ,选用了相对经济的基于防排水措施的地基处理措施 。经该措施处 理后的灰场在建成并投入运行 4 年后 ,未发现因黄土地基湿陷而产生的病害问题 ,这表明防排水措施 对深厚湿陷性黄土地基处理是有效的。本文
5、 以该灰场深厚湿陷性黄土地基的防排水处理为例 ,在分 析黄土湿陷性机理 的基础上 ,对该灰场深厚湿陷性黄土地基处理 的设计思路及设计方案进行分析 , 可给今后相似地质条件下的工程设计提供有益的参考和借鉴。 2 黄土湿 陷性机理及处理 湿陷性黄土是 以粒状 、点接触、架空孔 隙为主的结构 ,从骨架结构单元 的连接看 ,点接触的接 触面小 ,集粒 间包裹 的黏土膜或盐晶膜较薄 ,浸水 时水膜 的楔入和部分盐晶的溶解会使连接强度削 弱、结构破坏 ,发生湿陷 ;从骨架单元 的排列方式看 ,黄土骨架单元堆积成的架空孔隙在水和力作 用下容易使孔隙周 围的颗粒落人孑 L 隙 内而发生湿陷 。由此可以看出 ,
6、致使黄土产生湿陷的因素有内 外两类 :内因是黄土的特殊结构性 ,即黄土颗粒的排列方式和联结方式 ;外因是浸水与压力 ,是 收稿 日期 :2 0 1 1 - 0 4 2 8 基金项 目:“ 十一五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 9 B AK 5 6 B O 4 ) ,中国水科院科研专项岩集 0 9 3 3 作者简介 :李毅男( 1 9 7 1 一 ) ,男 ,山东济南人 ,教授级高级工程师 ,主要从事电厂水工结构设计研究 。E ma i l :l i y i n a n s n p d fic o rn 一 7 7 基于 防排水措施的灰场深厚湿陷性 黄土地基处理李毅男 张权李维朝 诱
7、发 黄土产 生湿 陷的 因素 。 在工程设计 中,当湿 陷性黄土厚度较小时 ,一般采用开挖处理 ,但 当湿陷性黄土厚度略大时 , 就必须采取一定 的治理措施 。当前对湿陷性黄土地基的处理主要是从黄土湿陷的内因着手 ,常用的 方法有垫层法、夯实法( 强夯 、重夯 ) 、挤密法 、预浸水法以及化学加固法等 。这些方法主要是通过 强夯 、施加添加剂等改性手段 ,破坏黄土骨架的排列方式 ,增加密度 ,从而削弱乃至消除黄土的湿 陷性 ,或通过碎石桩、灰土挤密桩等地基加固手段对湿陷性黄土地基进行加固。这些手段 ,往往视 工程规模而定 ,经济造价较高 ,施工时间较长。并且垫层法、强夯法 、挤密法等手段可处理
8、 的黄土 的深 度有 限 ,一般 只 能消除 基底下 埋深 1 0 1 5 m地 基土 的湿 陷性 。 黄土 产 生湿 陷受 内外 两类 因素 的影 响 ,因此 除 了上 述从 黄 土湿 陷 内 因着 手 的方法 来 对深 厚 湿 陷 性黄土进行治理外 ,还可以从黄土产生湿陷的外因着手 ,即将黄土与其湿陷诱发因素隔绝 ,如通过 排水 、封闭等措施 ,隔绝地表水或地下水浸入黄土地基 ,避免湿陷性黄土浸水 ,从而消除黄土产生 湿 陷性 的触 发条 件 。该 类方 法经 济造价 相对较 低 ,施工 时 间较 短 ,但在 工程 实际应 用 中较少 。 在湿陷性黄土地基的处理设计 中,不应单把全部湿陷性
9、土层受到浸水时的最大湿陷量作为地基 设计 的 目标 ,而 应 当是 以防止湿 陷性黄 土地基 发 生湿 陷事故 为 目标 ,并依 据 实际情 况采 取合适 的工 程措施 。因此在深厚湿陷性黄土地基条件下 ,当常用的垫层法 、强夯法 、挤密法等难以达到要求的 处理深度时,当因机械等问题桩基础难 以穿越整个深厚黄土层 时,对深厚湿陷性黄土层进行 防排水 的处理措施 不 失为一 种有效 的处 理方 法 。 3 灰场深厚湿陷性黄土地基处理实例 3 1 工程地质概况山西王曲电厂灰场年排渣量 6 0 2 8 x 1 0 t ,其最终堆高相应容积约为 6 0 0 x 1 0 4 m , 位于深厚湿陷性黄土地
10、区的山前冲洪积扇开阔地带 ,地势北高南低 ,呈阶梯状 ,场地东西各发育一 条较大的南北 向深切冲沟,还有 3 条南北 向的小冲沟 ,灰场下游紧临村庄。场区频率为 2 的 2 4 h 设 计暴雨量为 1 8 1 1 mm,频率为0 5 的2 4 h 设计暴雨量为2 3 2 9 m m。 勘测揭露地层为第四系全新统( q “ 、q ) 、上更新统( Q s l+ p 1 ) 、中更新统( Q a l + p 1 ) 冲洪积层 ,岩 性主要有黄土状土 、黄土。地层结构及其主要特征 自上而下 、由新到老为:黄土状粉土( q ) ; 黄土状粉质黏土( q “ ) ;黄土( 粉质黏土) ( Q a l +
11、 p 1 ) ;黄土( 粉质黏土) ( Q , ) 。场地的湿陷类型 为非 自重湿陷场地 ,湿陷等级为 I I ( 中等 ) 级。 3 2 深 厚湿 陷性黄 土地基 处理 方案分 析 ( 1 ) 从 灰场 工程 地 质概况 可 以看 出 ,灰场 位 于深厚 湿 陷性 黄土 地层 ,且 有 3 条 冲沟横 穿而 过 。如 果不进行处理 ,降雨汇集的雨水会通过冲沟汇人干灰场地 内。汇入的雨水不仅会提升场地内的地下 水位 、增加干灰 的饱和度 ,还会诱发深厚黄土地基产生湿陷变形 ,从而对灰坝的稳定性产生不利影 响 。因此在 设计 方案 中必须 阻止雨 水汇 入场地 内 ,并且 应将场 地 内的雨水
12、快速 疏 出 。 ( 2 ) 灰场的最终堆灰高度在4 0 m以上 ,下游紧邻村庄,风险较大 。受现场条件的限制 ,场地 内不 允许对湿陷性黄土采用强夯 、灰土挤密桩等消除湿陷性的手段进行处理。通过前面对黄土湿 陷性机 理的内外因素及其处理手段 的分析可知 ,在现场不允许对黄土湿陷性 内因治理的条件下 ,可以通过 限制其 外 因 的方式 ,即避 免黄 土浸 水 ,来 防止 工程 运 行 中黄 土地 基产 生湿 陷变形 ,因此 在 地基 处 理 中可 采用 防排 水措施 。 3 3 深厚湿 陷性 黄土地 基处 理方 案设计 ( 1 ) 设计排水系统 ,将灰场外的水截在灰场外 ,将灰场 内的水快速排
13、出灰场。 对场外洪水 :为防止山体洪水进入干灰场 ,在灰场北 、东设截洪沟。将冲沟上游来水在灰场外 侧汇集后 ,由排水暗管引至冲沟内的排水竖井最终排至灰场东侧 冲沟。灰场东段截洪沟内洪水则经 转流井型排水沟 ,最终排入灰场以东冲沟。 对场内洪水 :对 山体洪水采用高位截洪沟拦截 ;对于灰场 自身区域内的雨水 ,在场区设计 2 座直 一 78 基于防排水措施 的灰场深厚湿陷性黄土地基处理李毅男 张权李维朝 径为 1 5 m的钢筋 混凝 土排 水 竖井 作为 干灰 场 内雨 水 的排泄 出 口 ,将雨 水通 过 排水 沟 、转 流井排 入 东 侧冲沟。 ( 2 ) 坝基隔水处理。由于该灰场不允许采
14、取强夯、灰土挤密桩等地基处理方案,因此将上层湿陷性 较重的层黄土状粉土( Q 4 2 ( a i + P 1 ) ) 挖除,使坝基坐落于湿陷性相对较轻的层黄土状粉质黏土( Q l ( a l+ p 1) ) 及 以下土层 。同时为考虑防水 ,在坝基处设置 2 : 8 灰土垫层并铺设复合土工膜隔水层 ,具体如 图 1 所 示 。 干砌石护坡2 0 0 rn m厚 碎石d =- 5 2 O mm 1 5 0 厚 土工布 5 0 0 g m 碎石d =- 5 2 0 mm 2 0 0 厚 碾压堆石坝体 干砌石护坡2 0 0 厚 1 碎石d =- 5 2 O m m 1 5 0 厚 l 碾压堆石坝体
15、l 囊 。 蠹 黝 300 两边各超出坝脚2 m 图 1 灰坝断面设计示意图 3 4 处理效果 该干灰场 的深厚湿陷性黄土地基 经上述方案处理后 ,已建成并投入使用 4 个水 文 年 。在此运行期间灰场深厚湿陷性黄土地基未发现有湿陷性病害现象 ,这表明了该防排水措施对深 厚湿陷性黄土地基处理有效。 3 结论 ( 1 ) 黄土湿陷性是 内外因素共 同作用的结果 ,内因是黄土的结构性 ,外因是浸水与压力,消除内 外 因中任一因素 即可阻止黄土湿陷性病害的产生。因而在湿陷性黄土地基处理 中,应视现场工程条 件及经济条件等选择合适 的治理方案。 ( 2 ) 在综合考虑各种深厚湿陷性黄土地基处理方法的特
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