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        山東黃泛區(qū)沖積地層隔水性與水質(zhì)特征分析

        2013-07-08 05:51:10付大慶曹存先魏守民
        山東水利 2013年1期
        關(guān)鍵詞:隔水層壤土腐蝕性

        付大慶,曹存先,魏守民

        (1.東華理工大學(xué),江西 撫州 344000;2.濰坊市水利建筑設(shè)計(jì)研究院,山東 濰坊 261031;3.山東設(shè)協(xié)勘察設(shè)計(jì)審查咨詢中心,山東 濟(jì)南 250001;4.濱州市簸箕李引黃灌溉管理局,山東 濱州 251700)

        近幾十年來(lái),山東省黃河沖積平原地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱黃泛區(qū))興建了數(shù)十座大中小型水庫(kù),水庫(kù)勘察須查明黃泛區(qū)地層的結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì),重點(diǎn)確定其滲透性。庫(kù)區(qū)是否存在相對(duì)隔水層,是影響水庫(kù)防滲方案設(shè)計(jì)的重要因素。若庫(kù)區(qū)分布穩(wěn)定的隔水層,一般采用防滲墻或防滲帷幕等垂直截滲方式;若庫(kù)區(qū)無(wú)分布穩(wěn)定的隔水層,則采用懸掛式垂直截滲或采用水平鋪塑方案等。

        環(huán)境水水質(zhì)問(wèn)題決定著水利工程中所采用的材料是否進(jìn)行防腐處理。根據(jù)水質(zhì)分析成果,多為硫酸根離子含量偏高對(duì)混凝土的硫酸鹽型腐蝕,以及氯離子含量偏高對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性。對(duì)于硫酸鹽型腐蝕,一般選擇抗硫酸鹽型水泥。地層隔水性與水質(zhì)分析是相互關(guān)聯(lián)的,二者的結(jié)論直接影響著工程的設(shè)計(jì)和投資,是水利工程非常重要的兩個(gè)工程地質(zhì)問(wèn)題。

        1 沖積地層的隔水性

        黃泛區(qū)地層具典型的各向異性,巖性主要包括砂壤土、壤土、黏土、淤泥和粉細(xì)砂等,以砂性土居多。壤土一般夾姜石,蟲(chóng)孔發(fā)育,貫通性較好;黏土裂隙發(fā)育,寬約2~10 mm,充填砂壤土;壤土和黏土的滲透系數(shù)一般為1.74×10-4~8.10×10-3cm/s,具中等透水性,不可作為相對(duì)隔水層;淤泥的滲透系數(shù)為2.89×10-6~6.71×10-5cm/s,具微~弱透水性,從滲透性上分析,淤泥可以做為隔水層。由于淤泥層厚度較小,一般為0.50~2.50 m,在低洼區(qū)分布一般不連續(xù),易發(fā)生越流補(bǔ)給。因此,很難將淤泥用作整個(gè)水庫(kù)庫(kù)底的隔水屏障。同時(shí),淤泥具雙重工程地質(zhì)特性:一方面其滲透性弱,可作為隔水層,對(duì)工程防滲是有利的;另一方面,它是典型的軟土,屬特殊性土。其孔隙比(e)為1.566~1.734,液性指數(shù)(IL)為1.06~1.07,呈流塑狀,壓縮系數(shù)(a1-2)為0.98~2.33 MPa-1,具高壓縮性,標(biāo)貫擊數(shù)(N)為1~2 擊,力學(xué)強(qiáng)度極低,易發(fā)生塑流變形和側(cè)向擠出,對(duì)工程的穩(wěn)定性非常不利,通常需進(jìn)行地基處理。

        2 隔水層的表現(xiàn)形式

        隔水層在工程中有典型的表現(xiàn)形式,在進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)時(shí),分層水位明顯差異;在基坑開(kāi)挖時(shí),隔水層上部多存在上層滯水,當(dāng)上部地層為砂壤土?xí)r易發(fā)生流砂破壞。上部的砂壤土或粉土等含水層易發(fā)生流砂、流土破壞,影響基坑的安全。

        2.1 分層水位觀測(cè)

        圖1 為鄒平縣某工程抽水試驗(yàn)分層水位觀測(cè)圖。

        由鉆孔B8-1 主要土層的穩(wěn)定水位知:①層砂壤土的潛水位埋深為2.05 m,⑤層壤土的水位埋深為1.65 m,高出潛水位0.40 m,壤土中賦存微承壓水,起隔水作用的為③層淤泥。因黃河多次決口泛濫,沉積旋回多,形成多層水平紋理,③層淤泥在垂向上滲透性很小,而在水平方向上滲透性較強(qiáng)。⑥層黏土的水頭高度低于潛水位0.38 m,該層黏土在垂向上滲透性較弱,為弱透水層,與上下含水層的水力聯(lián)系不密切,故水頭高度較低。

        圖1 抽水試驗(yàn)鉆孔主要土層的地下水位

        從地下水位分層觀測(cè)分析,可知③層淤泥可作為相對(duì)隔水層,其下賦存微承壓水。(但是)各土層間水位差異較小,說(shuō)明該區(qū)地下水的補(bǔ)排關(guān)系比較單一。

        2.2 上層滯水及流砂破壞

        包氣帶局部存在隔水層時(shí),隔水層上部會(huì)聚集具有自由水面的重力水,即上層滯水。隔水層是形成上層滯水的決定因素,相反,如果存在了上層滯水,那么可反推弱透水地層是否可作為相對(duì)隔水層。

        基坑開(kāi)挖時(shí),隔水層及上層滯水是典型的水文工程地質(zhì)問(wèn)題。當(dāng)隔水層位于建基面或者建基面以上時(shí),采用管井降水,盡管井內(nèi)降深很大,也形成了較大的降落漏斗。但建基面表層仍然有水,給施工過(guò)程帶來(lái)很大的困難,這是由于隔水層的阻隔作用造成的,管井降水對(duì)隔水層上部水不起作用。

        上層滯水受基坑邊坡切割出露時(shí),形成懸掛下降泉。隔水層以上的砂壤土或粉砂便產(chǎn)生流土(流砂)破壞,隔水層之上形成長(zhǎng)長(zhǎng)的滲水帶,然后出現(xiàn)逐漸變大的土洞,最后導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。為消除上層滯水,可采用輕型井點(diǎn)降水,并采取反濾措施,既保護(hù)了基坑邊坡,又將上層滯水排除。

        3 常規(guī)地下水水質(zhì)分析過(guò)程

        常規(guī)地下水水質(zhì)分析步驟是:鉆孔抽水→取水樣→化驗(yàn)分析→水質(zhì)分析報(bào)告→腐蝕性評(píng)價(jià)。

        鉆孔抽水與取水樣在野外勘察區(qū)進(jìn)行,一般為鉆孔混合抽水,將抽出來(lái)的水裝瓶取樣,取兩瓶,并在其中一瓶水樣中放入大理石粉,密封保存。由于是混合抽水,未考慮相對(duì)隔水層的影響,所取水樣只代表抽水鉆孔最大降深范圍內(nèi)的地下水水質(zhì)。

        依據(jù)各鉆孔的水質(zhì)分析成果,判定某個(gè)區(qū)域地下水是否具腐蝕性,從平面上確定出腐蝕性地下水的分布特征。假如某一點(diǎn)地下水判定為具腐蝕性,就認(rèn)為該處的水質(zhì)全部具腐蝕性,未從深度方向上區(qū)分水質(zhì)的變化情況。

        4 隔水層上下水質(zhì)情況

        濟(jì)南市小清河某工地建基面處分布厚度為1.20~3.50 m 的淤泥隔水層,由于該處靠近某大型化工廠,施工時(shí)對(duì)地下水水質(zhì)情況進(jìn)行復(fù)核。分別取開(kāi)挖基坑內(nèi)的水(隔水層以上)和降水井的水(隔水層以下),發(fā)現(xiàn)水質(zhì)情況存在明顯的差異,表1 為水質(zhì)分析SO42-含量的分布情況。

        從表1 可知,靠近化工廠處樁號(hào)13+105~13+320段相鄰取水點(diǎn)距離為5.0~10.0 m,因淤泥層的阻隔,分成上下兩層地下水。上層為地表潛水,受化工廠污水滲入性污染,具中等~強(qiáng)腐蝕性;下層由于厚層的淤泥阻隔,為微承壓水,不會(huì)發(fā)生越流污染,因此水質(zhì)不具腐蝕性。

        在鄒平縣某工程進(jìn)行分層抽水試驗(yàn),在同一個(gè)鉆孔分層取不同深度的地下水樣,分析結(jié)果見(jiàn)表2。

        表1 濟(jì)南某項(xiàng)目水質(zhì)分析成果

        表2 鄒平某項(xiàng)目水質(zhì)分析成果

        表2 可知,在地面埋深10.0 m 以上,SO42-含量為14.2~246.7 mg/L,不具腐蝕性。在地面埋深10.0 m 以下,SO42-含量為367.6~4 814.6 mg/L,具硫酸鹽型弱~強(qiáng)腐蝕性。水樣中SO42-含量具垂向分帶性,說(shuō)明該處存在相對(duì)隔水層。上部無(wú)腐蝕、下部具弱~強(qiáng)腐蝕的情況與長(zhǎng)期引黃灌溉有關(guān),SO42-離子積聚到下部地層中,隔水層以下水的離子含量過(guò)高,便會(huì)具腐蝕性。

        5 水質(zhì)分析空間概念

        在同一地點(diǎn)(同一鉆孔內(nèi))、不同深度的地下水存在水質(zhì)差異,根本原因是存在隔水層。進(jìn)行水質(zhì)分析時(shí),不但確定區(qū)域平面的水質(zhì)情況,而且也要在縱向上確定出水質(zhì)的分帶性,即建立水質(zhì)分析的空間概念。

        若將地層按各向同性體考慮,水質(zhì)按常規(guī)一點(diǎn)帶面的分析方法,獲取的水質(zhì)分析結(jié)果具片面性。未查清水質(zhì)腐蝕的深度,會(huì)造成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)存在腐蝕隱患;將上部腐蝕情況應(yīng)用于整個(gè)地層深度,將不需要處理的部位做了防腐處理,則會(huì)造成極大的工程浪費(fèi)。

        建立水質(zhì)分析的空間概念,充分考慮隔水層的影響,揭示水質(zhì)的縱向分帶性,為基礎(chǔ)防腐措施提供準(zhǔn)確可靠依據(jù)。

        在黃泛區(qū)進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí),應(yīng)用套管止水分層抽水法,分層觀測(cè)地下水位,確定是否存在相對(duì)隔水層。然后分層取水樣,根據(jù)水質(zhì)分析成果,在垂向上分析水質(zhì)的變化,判定是否存在越流污染等工程問(wèn)題。

        6 結(jié) 論

        1)地層隔水性與水質(zhì)差異是密不可分的。地層中存在了隔水層,才有可能引起水質(zhì)的變化,相反,通過(guò)水質(zhì)的差異可反推是否存在有隔水層,孤立地分析其中的某一項(xiàng),會(huì)得出片面的結(jié)論。

        2)建立水質(zhì)分析的空間概念,充分考慮隔水層的影響,由水平向分區(qū)轉(zhuǎn)向水質(zhì)的垂向分帶性研究,準(zhǔn)確、可靠地確定出水質(zhì)的變化情況。

        3)重視分層抽水試驗(yàn)、分層觀測(cè)水位和分層采取地下水樣,分析所取水樣代表的地層層位。在水質(zhì)分析結(jié)果及滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮隔水層,不能以完全透水層簡(jiǎn)單處理,錯(cuò)誤地認(rèn)識(shí)和反映工程地質(zhì)條件。

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