山東黃土狀土輸水渠道滲漏問題研究

山東黃土狀土輸水渠道滲漏問題研究

1地下水化工程地質(zhì)特征山東北海航線自江蘇省山東省交界處出發(fā)，向北依次進(jìn)入南四湖，經(jīng)梁吉運(yùn)河、柳河，再經(jīng)東平湖。經(jīng)東平湖調(diào)蓄后,分兩路分別向黃河以北和膠東地區(qū)供水。向黃河北供水線路,經(jīng)穿黃隧洞過黃河,自流進(jìn)入小運(yùn)河至臨清,一期工程向北經(jīng)七一、六五河進(jìn)入大屯水庫;向膠東地區(qū)供水線路,由東平湖渠首閘引水,經(jīng)濟(jì)平干渠、濟(jì)南—引黃濟(jì)青段輸水干渠輸水,向濟(jì)南市及其以東的整個膠東地區(qū)供水。南水北調(diào)東線工程在山東境內(nèi)分為南北、東西兩大輸水干線,形成“T”字形輸水大動脈,干線長1191km。其中南北輸水干線全長487km;東西輸水干線長704km。南水北調(diào)東線黃土狀土主要分布在濟(jì)平干渠輸水渠道沿線,濟(jì)南—引黃濟(jì)青段也有分布,兩處黃土狀土性質(zhì)相近,本文以濟(jì)平干渠為例,進(jìn)行研究。濟(jì)平干渠是南水北調(diào)東線一期工程東平湖—濟(jì)南段輸水渠道,是南水北調(diào)工程最早完工通水的工程。自東平湖陳山口出渠首閘,經(jīng)泰安市東平縣、濟(jì)南市的平陰縣、長清區(qū)、槐蔭區(qū)至睦里莊處進(jìn)入小清河,全長約89.7km。沿濟(jì)平干渠進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查過程中,發(fā)現(xiàn)沿線穿越山前沖洪積平原段,有些民房墻體出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象,仔細(xì)觀察是由于地基沉陷造成的;山腳或沖溝兩側(cè)某些天然土質(zhì)邊坡坡面近乎直立,出露的土層顯示出黃土的一些特征。兩者的印證,初步判定濟(jì)平干渠沿線有黃土分布。由此展開了一系列的工程地質(zhì)勘察工作。據(jù)勘察,輸水渠道沿線地質(zhì)條件較復(fù)雜,主要穿越黃河沖積平原和山前沖洪積平原兩大地貌單元。其中穿越山前沖洪積平原段,有18.75km長度內(nèi)分布有濕陷性黃土狀土層,約占輸水線路總長的四分之一。黃土狀土特殊的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu),使其具有特殊的工程地質(zhì)特征,帶來許多的工程地質(zhì)問題,直接影響到工程運(yùn)行的安全。黃土狀土構(gòu)成的輸水渠道一般存在滲漏、濕陷變形、抗沖刷能力差、浸水強(qiáng)度降低以及邊坡穩(wěn)定等問題,這些特征不僅引起黃土狀土分布區(qū)的水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化,而且影響到渠道的正常運(yùn)行。2黃土土的基本工程性質(zhì)2.1濟(jì)平干旱黃土狀土理化性質(zhì)山東地區(qū)分布的黃土,一般屬于次生黃土,即黃土狀土,成因一般屬于第四系上更系統(tǒng)坡洪積堆積層,主要分布在魯中山地北麓的膠濟(jì)鐵路沿線中、西段,在其南部的山間盆地和魯東丘陵西北麓、東南沿海山麓等地也有分布。概括形象地說,山東地區(qū)的黃土狀土圍繞魯西、魯東在山麓坡腳地帶呈裙裝展布。濟(jì)平干渠黃土狀土圍繞泰山山脈西北部山麓坡腳分布,一般呈褐黃色、黃色,可塑狀態(tài),土質(zhì)均一,具針孔狀大孔隙結(jié)構(gòu),夾白色鈣質(zhì)網(wǎng)紋,粉粒含量高,垂向裂隙較發(fā)育,局部露頭形成豎直的峭壁,具有較典型的黃土狀土的結(jié)構(gòu)特征。據(jù)顆粒分析資料,濟(jì)平干渠黃土狀土主要粉粒(0.075～0.005mm)和黏粒(<0.005mm)組成為:粉粒含量范圍值73.3%～85.2%,平均值為81.4%;黏粒含量范圍值14.8%～21.2%,平均值為18.6%;與《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)山東地區(qū)黃土的經(jīng)驗值基本相同,說明濟(jì)平干渠的黃土狀土具有一定的代表性。濟(jì)平干渠黃土狀土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。根據(jù)大量的統(tǒng)計資料,黃土狀土含水量大于25%、孔隙比小于0.8、飽和度大于80%、液限大于30%時,一般不具備濕陷性,從表1中可以看出濟(jì)平干渠的黃土狀土含水量范圍值14.0%～23.3%,孔隙比平均值為0.815,飽和度范圍值52.1%～76.3%,液性限度范圍值25.8%～29.6%,具有濕陷的基本條件。濟(jì)平干渠的黃土狀土的含水量是其工程特性非常重要也是非常敏感的一個物理性指標(biāo),含水量與距地表深度有關(guān),上部含水量一般14.0%～17.0%,呈硬塑狀態(tài),下部含水量20.0%～23.3%,呈可塑狀態(tài)。黃土狀土壓縮系數(shù)平均值0.51MPa-1,壓縮模量平均值3.91MPa,具有高壓縮性,加之其有較高的濕陷性,因此很容易產(chǎn)生沉降變形。2.2土體抗滑裂隙發(fā)育機(jī)理大量資料表明,黃土狀土層中發(fā)育的裂隙對工程會產(chǎn)生極為有害的影響,而且也使得黃土狀土成為非均質(zhì)和各向異性的連續(xù)介質(zhì)。根據(jù)沿線調(diào)查資料看,黃土狀土中發(fā)育的裂隙主要有兩類。一類是原生裂隙(垂直裂隙),原生裂隙系黃土狀土原生物質(zhì)堆積后,在風(fēng)化成土過程中,由于生物及水的各種物理、化學(xué)作用,引起土體脹縮變化和碳酸鹽垂直向下淀積而形成。該類裂隙發(fā)育和分布無規(guī)律,一般延伸不長,規(guī)模小,發(fā)育深度淺,一般深2～5m;原生裂隙直接影響到土的工程地質(zhì)特性,使土體強(qiáng)度降低,滲透性增強(qiáng)。另一類是外因裂隙,外因裂隙顧名思義是由于外部原因引起的裂隙,包括風(fēng)化裂隙和卸荷裂隙等。風(fēng)化裂隙是風(fēng)化作用于黃土狀表層所形成的裂隙,一般呈網(wǎng)狀,往往雜亂無章,發(fā)育深度淺,具有隨深度增加裂隙寬度變窄,數(shù)量變少的規(guī)律。在邊坡地帶風(fēng)化裂隙使土體呈薄片狀、塊狀剝落,產(chǎn)生小規(guī)模崩塌,尤其冬春季節(jié)由于沿土體表層風(fēng)化裂隙的凍融作用,常使邊坡呈0.2～0.4m剝落掉塊,堆積于渠道中,淤積渠道。卸荷裂隙是由于上覆土層開挖后,土體卸荷回彈后產(chǎn)生的裂隙,一般平行岸坡和溝壁分布,為高角度—近直立的張開裂隙。一般長數(shù)米,也有的超過十米。通常是這幾種裂隙疊加相互作用,在風(fēng)化、沖蝕、凍脹等營力作用下,裂隙加寬加深加長,在重力作用下,使邊坡產(chǎn)生掉塊、崩塌和錯落,有的甚至產(chǎn)生滑動變形。2.3水平方向的滲透系數(shù)黃土狀土由于其特有的裂隙結(jié)構(gòu),其滲透性特征不同于一般的黏性土。受垂直裂隙發(fā)育的影響,黃土狀土的滲透性具有各向異性,垂直方向的滲透系數(shù)一般數(shù)倍于水平方向的滲透系數(shù)。綜合鉆孔注水試驗和雙環(huán)滲水試驗資料,黃土狀土垂直方向的滲透系數(shù)范圍值為3.6×10-4～1.5×10-3cm/s,平均7.3×10-4cm/s,水平方向的滲透系數(shù)范圍值6.2×10-5～7.5×10-4cm/s,平均2.7×10-4cm/s。黃土狀土毛細(xì)管含水層的變化關(guān)系到黃土狀土的濕陷性、沼澤化和鹽漬化問題,根據(jù)試驗測定,其毛細(xì)管上升高度,范圍值一般76.8～152.5cm,平均值112.6cm。2.4不同試樣土濕陷起始壓力試驗濟(jì)平干渠分布的黃土狀土均為非自重濕陷性黃土,由于其厚度在地面以下一般小于10m,因此測定濕陷系數(shù)的試驗壓力一般選用200kPa。根據(jù)沿線所取的26組試樣統(tǒng)計分析,其濕陷系數(shù)δs范圍值為0.014～0.052,平均值0.024。采用濟(jì)平干渠典型地質(zhì)剖面計算,得出黃土狀土總濕陷量534～567mm,具中等濕陷性(Ⅱ級)。為測定黃土狀土的濕陷起始壓力,室內(nèi)采用了單線法壓縮試驗。共采取12組方塊樣,每組試驗采用7個環(huán)刀樣,均在天然濕度下按50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、400kPa、600kPa、800kPa分級加荷。下沉穩(wěn)定后,各試樣浸水飽和,附加下沉穩(wěn)定。根據(jù)單線法試驗確定的黃土狀土濕陷起始壓力范圍值在60～130kPa,平均值95kPa。濕陷系數(shù)與壓力的典型曲線見圖1。3工程結(jié)構(gòu)泄漏分析黃土狀土引起的渠道滲漏,是產(chǎn)生諸多地質(zhì)災(zāi)害的根源,直接關(guān)系到工程的成敗,因此對滲漏的分析評價尤為重要。本次對濟(jì)平干渠黃土狀土渠道的滲漏研究采用了理論估算和現(xiàn)場試驗兩種方法對比,確定了黃土狀土的滲漏量。3.1渠道滲漏量的估計黃土狀土的渠道滲漏過程分為垂向滲漏、回水滲漏及側(cè)向滲漏3個階段。輸水初期滲漏量較大,本文滲漏量估算均是指達(dá)到穩(wěn)定后的值。為確定各渠段的滲漏階段,依照多年的實踐經(jīng)驗,將地下水位與渠道設(shè)計水位進(jìn)行比較,分為3種情況:當(dāng)?shù)叵滤辉谇滓陨喜坏陀谠O(shè)計水位時,渠道一般不會產(chǎn)生滲漏;當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇滓韵?m,渠道滲漏以垂直滲漏為主;地下水位在渠底以下0～8m范圍內(nèi),由初期的垂直滲漏轉(zhuǎn)換為回水滲漏為主。依據(jù)《中小型水利水電工程地質(zhì)》(第二版),采用半理論半經(jīng)驗公式進(jìn)行估算。引水渠地下水埋深較淺,一般在4.8～5.0m,在渠底以下,僅比地下水位略低,因此引水渠的滲漏主要以回水滲漏為主。滲漏計算采用渠道回水穩(wěn)定后的滲漏計算公式:QΦ=0.0116K(b+2αh1+m2??????√)(1)QΦ=0.0116Κ(b+2αh1+m2)(1)Q回=βQΦ(2)式中:QΦ—每公里長河道上之流量損失[m3/(s·km)];Q回—回水穩(wěn)定階段的滲漏系數(shù)[m3/(s·km)];K—土層的滲透系數(shù)(m/d);b—渠底寬度(m);h—渠中水深(m);α—邊坡側(cè)向滲漏所加的修正系數(shù);m—河道邊坡系數(shù),即邊坡角的余切;β—校正系數(shù)。經(jīng)估算,濟(jì)平干渠黃土狀土渠段滲漏量為0.086～0.15m3/(s·km),即每公里滲漏量309.6～540.0m3/h,占設(shè)計流量50.0m3/s的0.17%～0.30%。對渠道滲漏等級的劃分,一直沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。筆者根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗,將渠道滲漏量等級劃分為三類:一類為強(qiáng)滲漏段,即滲漏損失量占設(shè)計流量大于1.0%渠段;第二類為中等強(qiáng)度滲漏段,即滲漏損失量占設(shè)計流量介于0.1%～1.0%渠段;第三類為弱滲漏段,即滲漏損失量占設(shè)計流量小于0.1%渠段。由此劃分,濟(jì)平干渠黃土狀土滲漏等級為中等強(qiáng)度滲漏。3.2排水系統(tǒng)滲漏試驗為準(zhǔn)確獲得濟(jì)平干渠黃土狀土渠道的滲漏量,現(xiàn)場進(jìn)行了滲透試驗。本次試驗選取了典型工程地質(zhì)段(樁號43+955至43+985)作為試驗段,在該段東側(cè)利用原生產(chǎn)道路作擋水壩,西側(cè)從渠道開挖區(qū)取土修筑頂寬3.0m、內(nèi)外邊坡均為1∶2.0、高為4.3m的擋水壩,為防止擋水壩滲水影響試驗結(jié)果,在擋水壩迎水坡鋪設(shè)塑料薄膜防滲。在試驗段內(nèi),進(jìn)行灌水試驗,保持渠水深度3.0m(與實際運(yùn)行水位一致)持續(xù)168h,試驗要求每當(dāng)渠水下降10cm后即補(bǔ)水至3m水深。期間記錄補(bǔ)入渠內(nèi)的水量及蒸發(fā)量、降雨量。渠道現(xiàn)場滲漏試驗滲漏量與時間關(guān)系曲線見圖2。根據(jù)灌水試驗資料,得出試驗段滲漏穩(wěn)定后滲漏量為每米輸水渠段0.702m3/h,即渠道每公里滲漏量702m3/h,占設(shè)計流量50.0m3/s的0.39%。由關(guān)系曲線可以看出,渠道滲漏的特點(diǎn)是入滲強(qiáng)度在開始的第一個單位時間內(nèi)具有最大的數(shù)值,隨著時間的延續(xù)而逐漸減少,到一定時間后,接近一個定值。根據(jù)滲水試驗記錄,滲漏量經(jīng)過3d左右時間可以達(dá)到穩(wěn)定,初滲值一般為穩(wěn)定值的2.5倍左右。對比理論估算和現(xiàn)場試驗所得出的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩種方法獲得的滲漏量基本一致。最終確定黃土狀土的渠道滲漏等級為中等。4渠底沉造成的地質(zhì)破壞濟(jì)平干渠分布的黃土狀土層具有中等濕陷性,濕陷起始壓力較低,具有較高壓縮性和較強(qiáng)透水性。渠道建成通水后,會因濕陷造成渠底下沉,渠邊坡產(chǎn)生裂縫坍塌,淤積渠道,還會因地下水位升高,引起土壤鹽漬化和沼澤化,部分低洼地段還會出現(xiàn)明水,造成周邊建筑物濕陷破壞等等問題。因此,如何消除濕陷,防止渠道滲漏,是渠道能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。4.1預(yù)浸水法浸水前后表面粗糙度的對比試驗消除渠道黃土狀土的濕陷性,可采用夯實法、預(yù)浸水法和土墊層法。夯實法和土墊層法處理效果理想,經(jīng)驗豐富,但造價相對較高,施工難度較大。預(yù)浸水法施工簡單、造價低,但缺乏施工經(jīng)驗。濟(jì)平干渠黃土狀土渠段在結(jié)合滲漏試驗的同時,現(xiàn)場進(jìn)行了預(yù)浸水試驗。試驗原理是在模擬實際運(yùn)行工況下,將黃土狀土經(jīng)過一定時間的浸泡,再實測其沉陷量及濕陷系數(shù)的變化。預(yù)浸水試驗前后分別在同一位置采取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗。對比預(yù)浸水法試驗前后試驗結(jié)果,浸水之前黃土狀土孔隙比一般在0.721～0.921,濕陷系數(shù)一般0.014～0.052,平均值0.024,浸水之后孔隙比0.798～0.952,濕陷系數(shù)0.011～0.026,平均值為0.017。浸水后比浸水前濕陷系數(shù)略有降低,但沒有從根本上消除黃土狀土的濕陷性。造成此種情況的主要原因有:①該黃土狀土屬于非自重濕陷性土;②渠水壓力小于黃土狀土的濕陷起始壓力;③一次性浸水時間過短,不足以消除黃土狀土的濕陷性(西北地區(qū)經(jīng)驗是經(jīng)過反復(fù)浸水,黃土的濕陷性才會大大降低);④已有經(jīng)驗表明預(yù)浸水法不能完全消除2～4m內(nèi)淺部地基的濕陷性。鑒于濟(jì)平干渠黃土狀土為非自重濕陷性黃土,采用一次預(yù)浸水法不能有效消除其濕陷性,可以采用多次預(yù)浸水,或者對關(guān)鍵部位淺部土層采用夯實處理的方法消除其濕陷性。4.2防凍脹、防濕陷濟(jì)平干渠黃土狀土渠道采用高性能混凝土板防滲和多元功能的排水設(shè)施,這樣可以同時達(dá)到防滲漏、防凍脹、防濕陷的設(shè)計方案。通過建立高效的疏干排水系統(tǒng),同時滿足了