某濕陷性黃土地基進(jìn)口閘沉降監(jiān)測資料分析

張 猛，商 建，王 帥

（1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津，300222；2.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局天津分局，天津，300380）

0 引言

濕陷性黃土因其自身特性，處理不當(dāng)容易對建筑物造成危害，尤其對于水利工程，渠道和建筑物的內(nèi)水外滲可能加重濕陷性黃土基礎(chǔ)對工程的危害[1-2]。對于濕陷性黃土基礎(chǔ)，一般采取的工程處理措施有換填墊層法、強(qiáng)夯法、擠密法和預(yù)浸水法等，對于各種處理措施的效果，一般通過試驗(yàn)檢驗(yàn)地基承載力并計(jì)算濕陷系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。通過現(xiàn)場實(shí)測資料可以避免試驗(yàn)和計(jì)算所帶來的沉降測值誤差,具有獨(dú)特的優(yōu)勢[4]。某引水工程建筑物基礎(chǔ)有濕陷性黃土分布，基礎(chǔ)處理采用換填碎石土墊層的處理方法，通過對其施工期至通水運(yùn)行后2年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評價施工方法的效果，為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 概況

1.1 工程概況

進(jìn)口閘樞紐位于某引水工程的渠首，包括引渠、進(jìn)口漸變段、閘室段、出口漸變段、消力池以及排冰閘等建筑物。自上游至下游分別為引渠段和扭坡段（長148 m）、閘室段（長22.5 m）、消力池段（長21.5 m）。閘室為開敞式3孔整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔凈寬為2.5 m，主體結(jié)構(gòu)高度7.8 m。閘室上部采用封閉式啟閉機(jī)房，啟閉機(jī)房高8.3 m。建筑物等級為Ⅰ級建筑物，設(shè)計(jì)流量50 m3/s，加大流量60m3/s。進(jìn)口閘樞紐縱剖面圖見圖1。

圖1 進(jìn)口閘樞紐縱剖面圖Fig.1 Longitudinal profile of intake gate

進(jìn)口閘樞紐起止樁號為XW0+000～XW0+252，其中樁號XW0+083～XW0+252內(nèi)均有黃土狀壤土分布，厚度0.2～7.30 m，其特征是，粉粒含量高、結(jié)構(gòu)疏松、孔隙發(fā)育。黃土狀壤土為非自重濕陷性黃土，濕陷性黃土地基的濕陷等級為Ⅰ級，濕陷起始壓力為65～198 kPa。

1.2 基礎(chǔ)處理方案

對進(jìn)口閘樞紐濕陷性黃土基礎(chǔ)的處理方案為換填碎石土墊層。碎石土采用路拌法拌和，碎石和土的比例為6∶4，碎石粒徑小于40 mm，每層鋪設(shè)厚度為250 mm。碾壓機(jī)具采用18 t振動碾，碾壓方式采用進(jìn)退錯距法，壓實(shí)度＞0.97。樞紐及沉降測點(diǎn)平面布置圖見圖2。

圖2 進(jìn)口閘樞紐及沉降測點(diǎn)平面布置圖Fig.2 Plan of intake gate and monitoring points

各區(qū)段濕陷性黃土分布情況及處理情況如下：

（1）引渠段及排冰閘段黃土狀壤土中分布壤土透鏡體及含碎石粘土透鏡體，黃土狀壤土厚度為0.5～3.6 m。渠底處理厚度為1.4～3.2 m，兩側(cè)大堤處理厚度為2.3～9.0m。排冰閘處理厚度為2.5～4.0m。

（2）扭坡段及閘室段黃土狀壤土中分布壤土透鏡體，黃土狀壤土厚度為4.0～6.3 m。扭坡段渠底處理厚度為2.7～3.2 m，兩側(cè)大堤處理厚度為2.3～9.0 m。閘室段處理厚度為3.8～4.2 m。

（3）消力池段和漸變段黃土狀壤土厚度為4.6～8.0 m。消力池段處理厚度為2.5～3.8 m，漸變段處理厚度為3.0～4.8 m。

（4）矩形槽段黃土狀壤土厚度為3.1～4.6 m，該段處理厚度為2.2～3.5 m。

2 沉降監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測布置

通過安裝在建筑物表面的沉降標(biāo)點(diǎn)監(jiān)測進(jìn)口閘樞紐沉降變形，監(jiān)測部位包括引渠段、漸變段、閘室段、消力池以及排冰閘等建筑物，測點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)連接縫兩側(cè)，采用跨縫對比方法同時監(jiān)測不同結(jié)構(gòu)之間的不均勻沉降。

2.2 監(jiān)測方法

沉降監(jiān)測采用電子水準(zhǔn)儀按照一等水準(zhǔn)測量要求施測，進(jìn)行單路線往返觀測，監(jiān)測基點(diǎn)采用鋼管標(biāo)水準(zhǔn)標(biāo)石，外觀沉降值按照下式計(jì)算。

D=H0-Hn

式中：D為監(jiān)測點(diǎn)沉降值；H0為監(jiān)測點(diǎn)初始高程測值；Hn為監(jiān)測點(diǎn)當(dāng)前高程測值。

沉降符號定義：下沉為正，抬升為負(fù)。

3 監(jiān)測資料分析

3.1 工程運(yùn)行情況

進(jìn)口閘沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)自2013年6月開始，涵蓋施工期、充水試驗(yàn)期及運(yùn)行期。工程經(jīng)歷2次充水試驗(yàn)，第一次充水試驗(yàn)自2014年3月1日開始，歷時18 d完成充水，首次充水試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行排空檢查；第二次充水試驗(yàn)自2014年8月16日開始，歷時12 d二次充水試驗(yàn)結(jié)束，二次充水結(jié)束后工程處于保水狀態(tài)。自2014年10月開始進(jìn)入試運(yùn)行階段，開始小流量通水運(yùn)行，2015年8月開始大流量運(yùn)行，最大流量44 m3/s左右，截至2016年10月，工程運(yùn)行滿2年。

3.2 變形過程分析

從施工期至運(yùn)行期沉降監(jiān)測資料看，施工期階段的沉降是一個緩慢增大的過程，第一次充水試驗(yàn)期間，過水量相對較小且充水試驗(yàn)結(jié)束后工程隨即排空檢查，沉降沒有明顯增大趨勢，進(jìn)口閘的兩個主要沉降過程發(fā)生在第二次充水試驗(yàn)期間和2015年8月開始加大流量運(yùn)行期間，進(jìn)口閘局部最大沉降量為91.26 mm，其后測值變化趨勢相對趨于平緩。從建筑物的沉降變化規(guī)律來看，其變化過程與工程通水過程基本對應(yīng)，符合工程運(yùn)行的性態(tài)特征。但相比該工程其他部位建筑物，進(jìn)口閘沉降明顯偏大，其他部位沉降量基本在25 mm范圍內(nèi)。進(jìn)口閘樞紐部分監(jiān)測點(diǎn)的沉降過程線見圖3。

圖3 進(jìn)口閘部分監(jiān)測點(diǎn)的沉降變形過程線Fig.3 Graphofsettlementofsomemonitoringpointsonintake gate

3.3 變形主要影響因素分析

對于進(jìn)口閘樞紐沉降測值偏大，分析可能的主要原因有：溫度影響、過水引起建筑物重力增加影響、地基黃土受水環(huán)境變化引起的沉陷。通過橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ鹊姆椒ㄟM(jìn)行分析評價，以確定建筑物沉降的主要影響因素[5]。

橫向?qū)Ρ戎饕ㄟ^與臨近進(jìn)口閘下游的排水涵洞進(jìn)行對比，排水涵洞矩形槽同樣位于黃土地基，但不具備濕陷性，兩者在施工期、充水試驗(yàn)及初運(yùn)行期的工況基本一致，以此比較濕陷性黃土基礎(chǔ)與非濕陷性黃土基礎(chǔ)建筑物不同工況的沉降。

縱向?qū)Ρ戎饕ㄟ^沿時間序列對施工期、充水試驗(yàn)期和運(yùn)行初期不同工況下建筑物的沉降規(guī)律進(jìn)行對比，分析不同原因?qū)ㄖ锍两底冃斡绊懙拇笮　?/p>

3.3.1 溫度影響

在進(jìn)口閘過水前，經(jīng)歷了2013年6月至2014年3月將近1年的觀測期，通過進(jìn)口閘部位一年內(nèi)的監(jiān)測資料分析，未發(fā)現(xiàn)明顯的周期性變化，自沉降監(jiān)測開始后，建筑物沉降值呈逐步增大趨勢，未見明顯的抬升趨勢，至充水試驗(yàn)前的最后1次觀測，局部累計(jì)沉降值最大為27.01 mm。對比排水涵洞矩形槽部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，建筑物沉降值在未通水的一年內(nèi)則呈現(xiàn)明顯的周期性變化規(guī)律，夏季呈現(xiàn)一定的上抬趨勢，冬季呈現(xiàn)一定的下沉趨勢，但變形絕對值整體相對較小，同一測點(diǎn)冬夏測值最大差值為5.74 mm。

分析表明，在非過水的情況下，溫度對非濕陷性黃土基礎(chǔ)的建筑物沉降影響明顯，而對于濕陷性黃土基礎(chǔ)的建筑物沉降，未發(fā)現(xiàn)與溫度有明顯的相關(guān)性，溫度不是其沉降的主要影響因素。

3.3.2 過水引起的重力增加影響

進(jìn)口閘和排水涵洞矩形槽在施工期、充水試驗(yàn)及初運(yùn)行期的過水情況基本一致，水位差別不大。通過橫向?qū)Ρ冗M(jìn)口閘和矩形槽在充水試驗(yàn)和初運(yùn)行期的沉降量，分析建筑物過水后重力增加對黃土地基建筑物沉降的影響。

首次充水試驗(yàn)流量相對較小，基本控制在6 m3/s左右，從沉降監(jiān)測結(jié)果來看，進(jìn)口閘及排水涵洞部位的沉降量均不大，進(jìn)口閘部位的最大沉降量為1.75 mm，排水涵洞部位最大沉降量0.52 mm，但進(jìn)口閘部位的沉降量相對排水涵洞整體偏大。充水試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行了排空檢查，至2014年8月份開始二次充水試驗(yàn)期間，建筑物沉降變化趨勢相對平穩(wěn)。

二次充水試驗(yàn)流量有所加大，基本控制在9 m3/s左右，對比二次充水試驗(yàn)期間進(jìn)口閘和排水涵洞的沉降監(jiān)測結(jié)果，兩者差異更加明顯。排水涵洞部位沉降測值未發(fā)生明顯趨勢性變化，而進(jìn)口閘部位在二次充水試驗(yàn)后發(fā)生較明顯的沉降過程，其中比較明顯的排冰閘部位沉降增加量在21～38 mm之間。

二次充水試驗(yàn)結(jié)束后，工程保水運(yùn)行，進(jìn)入初期運(yùn)行階段。初期運(yùn)行流量為10 m3/s，至2015年8月，開始大流量運(yùn)行，最大流量達(dá)到44 m3/s，進(jìn)口閘部位有兩次明顯的沉降過程，局部最大沉降量增加18 mm，而排水涵洞部位沉降測值同樣未發(fā)生明顯的趨勢性變化。

通過橫向?qū)Ρ冗M(jìn)口閘和排水涵洞在不同運(yùn)行階段的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明重力增加對非濕陷性黃土基礎(chǔ)上的建筑物影響相對較小，而在濕陷性黃土基礎(chǔ)上，重力增加對沉降變形影響則較為明顯。

3.3.3 地基黃土受水環(huán)境變化引起的沉陷

從進(jìn)口閘沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)自施工期至運(yùn)行初期的變化過程線看，二次充水試驗(yàn)開始后，沉降數(shù)據(jù)有一個明顯的增大過程，充水試驗(yàn)結(jié)束后，變化趨勢趨于平緩。進(jìn)入初運(yùn)行期后，在2015年8月份，隨著流量的增加，沉降又有一個明顯增大過程，最大沉降量達(dá)到92.26 mm。通過橫向和縱向的對比分析，進(jìn)口閘部位的沉降與其他部位的變化規(guī)律明顯不同，其主要特征為：（1）在施工期階段就有明顯的沉降，并且與溫度變化無明顯的相關(guān)性；（2）隨著過水流量的加大有較為明顯的沉降變化過程。根據(jù)進(jìn)口閘工程實(shí)際情況，其靠近主干渠，而主干渠部位長期過水，對附近基礎(chǔ)的地下水環(huán)境有一定影響。據(jù)此推斷，進(jìn)口閘的沉降主要是由于附近地下水環(huán)境變化造成的濕陷性黃土地基沉陷，同時進(jìn)口閘過水后重力的增加與黃土的濕陷性沉降具有疊加效應(yīng)，造成的沉降明顯大于其他部位。

3.4 工程影響評價

進(jìn)口閘部位的沉降相比工程其他監(jiān)測部位明顯偏大，通過分析判斷其變形主要是由于濕陷性黃土在附近地下水環(huán)境變化后引起的。根據(jù)GB 50025-2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中建筑物分類的規(guī)定，進(jìn)口閘屬地基受水浸濕可能性較大的重要建筑，但高度未超過30 m，應(yīng)屬于其中的丙類建筑物。丙類建筑物的剩余沉降量應(yīng)不大于200 mm，進(jìn)口部位的沉降變形在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)[6]。對于軟土地基上的建筑物,除控制其沉降量，還應(yīng)控制不同結(jié)構(gòu)之間的不均勻沉降差[7]。此部位雖然整體沉降量相比工程其他部位偏大，但通過比較進(jìn)口閘樞紐各測點(diǎn)之間沉降測值，相鄰結(jié)構(gòu)接縫之間的不均勻沉降差值相對較小，最大不均勻沉降差值為26 mm，一定程度上降低了對工程的不利影響。

4 結(jié)語

沉降監(jiān)測的手段能夠較好反映建筑物在施工期、充水試驗(yàn)期及初運(yùn)行期等不同階段的沉降變形情況，檢驗(yàn)濕陷性黃土處理措施的效果。監(jiān)測結(jié)果表明，本工程采用換填碎石土墊層法對濕陷性黃土基礎(chǔ)進(jìn)行處理效果較好，建筑物沉降變形滿足相關(guān)規(guī)范要求，監(jiān)測建筑物在結(jié)構(gòu)自重增加時與基礎(chǔ)濕陷性變形有一定疊加效應(yīng)。 ■

[1]付新永,杜占鵬,姚順雨,等.上海地區(qū)③土層上無樁基礎(chǔ)水閘實(shí)測沉降資料分析[J].長江科學(xué)院院報,2009,26(8):51-53.

[2]GB 50025-2004,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[3]南京水利科學(xué)研究院勘測設(shè)計(jì)院.巖土工程安全監(jiān)測手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[4]吳正榮.水利工程中濕陷性黃土基礎(chǔ)處理措施[J].農(nóng)業(yè)科技與信息,2017(12):105-106.

[5]羅宇生.濕陷性黃土地基處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[6]李文濤.關(guān)于某水電站黃土濕陷性試驗(yàn)研究[J].陜西水利,2015(1):111-113.

[7]馬國成,王英祿.濕陷性黃土上修建水工建筑物的體會[J].新疆水利,1996(2):45-46.