范曉嶺 安靜 李長(zhǎng)洙

1.北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100191

2.中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì) 北京 100055

1 引言

由于我國(guó)西部地區(qū)特殊的自然環(huán)境和地理位置等方面的原因，在實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的過(guò)程中，必須注重脆弱生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，特別是公路、鐵路等線狀工程，在穿越濕地保護(hù)區(qū)時(shí)，工程建設(shè)方案應(yīng)最大可能的減少對(duì)地下水徑流場(chǎng)的擾動(dòng)，保護(hù)工程建設(shè)范圍內(nèi)的地下水資源。

新疆位于歐亞大陸腹地，在地質(zhì)構(gòu)造作用下形成了三山夾兩盆，具有典型的內(nèi)陸盆地氣候特征，其水的循環(huán)主要為內(nèi)循環(huán)，地下水通常為干旱區(qū)的主要供水資源[1]。

柴窩堡湖位于歐亞大陸腹地，屬典型溫帶大陸性干旱氣候，年均氣溫5.0℃，年降水量64mm，年蒸發(fā)量2716mm。其整體位于構(gòu)造斷陷盆地，盆地四周冰水型河流水系發(fā)育，是形成湖體的主要補(bǔ)給源。流域內(nèi)含有豐富的地下水資源，是烏魯木齊市供水的主要貯備水源[1]。近些年由于水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)度，匯入湖體水量減少，目前主要接受地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給[2]，且湖泊水位出現(xiàn)不斷下降，面積不斷萎縮，生態(tài)環(huán)境極為脆弱[3]。

根據(jù)盆地內(nèi)水文地質(zhì)單元的劃分情況，湖體位于封閉的柴窩堡-鹽湖強(qiáng)烈沉降帶水文地質(zhì)區(qū)，沿洼地中心分布著條帶狀承壓-自流水帶，多見(jiàn)地下水溢出，是湖體的主要地下水補(bǔ)給來(lái)源之一[4]。該條帶狀在長(zhǎng)期浸泡和緩慢水流作用下，是盆地范圍內(nèi)主要的軟弱土分布地帶，寬度2-4km不等，厚度約5-7m，見(jiàn)圖1。

圖1 柴窩堡盆地水文地質(zhì)略圖

公路等現(xiàn)狀工程在以路基形式穿越該條帶狀承壓-自流水帶時(shí)，需要進(jìn)行軟弱土地基處理。在地基處理過(guò)程中不可避免對(duì)地下土體的滲透性產(chǎn)生影響，改變地下水的滲流場(chǎng)。在該條帶狀的地下水滲流作為柴窩堡湖主要的補(bǔ)給來(lái)源之一情況下，需要選擇合適的地基處理方式，最大限度的減少對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響。

2 工程概況

結(jié)合某高速公路穿越葦湖濕地工程方案開(kāi)展研究，該工程建設(shè)位置及方案見(jiàn)圖2。受線路展線影響，線路同柴窩堡湖重要地下水補(bǔ)給帶呈小角度交叉，穿越里程約3.2km，其中跨越自流區(qū)域位置工程方案為橋梁，其他部分為路基，路基最大填高3.5m。該段場(chǎng)地主要為粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂及角礫土等地層互層分布為主，其中淺部地層為粉質(zhì)黏土，厚度5-8m不等。該區(qū)域?yàn)榈叵滤淖粤鲄^(qū)域，受長(zhǎng)期地下水浸泡影響，淺部的粉質(zhì)黏土多呈軟塑、流塑狀，一般地基承載力在80kPa左右，根據(jù)路基填筑要求，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。

圖2 線路穿越承壓-自流水帶工程方案

3 柴窩堡湖區(qū)域水文地質(zhì)條件

柴窩堡湖流域?yàn)樯介g盆地型閉流水系，受地形地貌控制，北側(cè)地下水總體由北向南東運(yùn)移，柴窩堡湖東北，受三個(gè)山方向地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水總體流向?yàn)槟衔飨?；在湖盆軸部，受多層結(jié)構(gòu)承壓水影響，地下水流向?yàn)闁|南方向，向洼地軸部及柴窩堡湖和鹽湖方向運(yùn)移。

湖盆地層由山前沖洪積的粗顆粒土逐漸向湖盆中心過(guò)渡到土砂互層狀分布，地下水類(lèi)型也由單一的豐富潛水過(guò)渡為潛水、承壓水等多層結(jié)構(gòu)。地下水主要接受山前地表徑流經(jīng)粗顆粒下滲后的側(cè)向補(bǔ)給，以蒸發(fā)和人工開(kāi)采為主要排泄方式。

線路穿越位置為湖盆的軸部位置，同軸部夾角約為30°，見(jiàn)承壓地下水的溢出，流向東南，匯至柴窩堡湖，流速緩慢，地表多以飽和軟塑流塑狀粉質(zhì)黏土為主，承載力低，不滿足路基承載力要求。根據(jù)勘察揭露的地層情況，線路穿越位置淺部地層存在5-7m厚的軟塑狀粉質(zhì)黏土，其下部為8-10m的厚層角礫土和礫砂層，其中角礫土充填物的細(xì)中砂，滲透系數(shù)較高。共揭露一層地下水，靠近地表，為承壓水，含水層為軟塑狀粉質(zhì)黏土下部的角礫土和細(xì)中砂，承壓水頭約5-7m。

4 地基處理后地下水滲流演化過(guò)程及對(duì)公路路基邊坡穩(wěn)定性影響

4.1 計(jì)算模型與工況

目前常用的軟土地基處理方法包括碾壓、夯實(shí)、排水固結(jié)、換土墊層、擠密、振沖碎石樁、高壓噴射注漿、深層攪拌及鋪設(shè)土工聚合物等多種方法[5]-[9]。考慮不同地基處理方法對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響，建立包括地基處理后近似完全阻斷地下水滲流、以透水樁作為地下水滲流通道和部分阻斷地下水滲流等三種模式[10-11]，其中近似完全阻斷對(duì)應(yīng)的地基處理方式為碾壓、夯實(shí)、換土墊層、擠密、深層攪拌、高壓噴射注漿，以透水樁作為地下水滲流通道對(duì)應(yīng)的地基處理方式為振沖碎石樁，部分阻斷地下水滲流對(duì)應(yīng)的地基處理方式為CFG樁、管樁等。計(jì)算橫斷面選取垂直與湖盆軸部的條帶狀承壓-自流水帶，計(jì)算模型分別見(jiàn)圖3和圖4，模型長(zhǎng)度300m，高23m，共劃分2259單元，2393個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 不同滲透性地基處理方案地下水滲流計(jì)算模型

圖4 以透水樁作為地下水滲流通道計(jì)算模型

物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)勘察成果、室內(nèi)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)給出，計(jì) 算采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，數(shù)值分析所用的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

4.2 不同地基處理方式對(duì)地下水滲流的影響

柴窩堡湖主要以條帶狀承壓-自流水帶的地下水滲流作為主要補(bǔ)給來(lái)源，本次模擬在正常滲流作用下，不同地基處理方式對(duì)地下水滲流的影響，模擬見(jiàn)圖5、圖6和圖7。

圖5 近似完全阻斷地下水滲流計(jì)算模型

圖6 以透水樁作為地下水滲流通道計(jì)算模型

圖7 部分阻斷地下水滲流計(jì)算模型

（1）根據(jù)圖5分析，當(dāng)采用近似不透水地基處理方式時(shí)，地下水在含水層中靠近地基處理下部，單位流量由小變大，過(guò)渡不明顯，流量同下部位置變化近似相等。

（2）根據(jù)圖6和圖8分析，當(dāng)采用部分阻斷地下水滲流的地基處理方式時(shí)，部分地下水在承壓水頭作用下沿地基處理位置運(yùn)動(dòng)至地表和路基位置；在地基處理位置靠近地下水滲流上游，單位流量出現(xiàn)較大的增加和突變，水平方向的流量大于垂直向上方向的流量，并沿地下水滲流方向逐漸減少。分析主要是由于地下水總流量在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中損失了向下游補(bǔ)給的地下水水量。

圖8 X、Y水通量沿自流帶變化趨勢(shì)

（3）根據(jù)圖7分析，當(dāng)采用透水樁的地基處理方式時(shí)，因透水樁滲透系數(shù)較大，地下水在承壓水頭作用下，主要沿透水樁由樁底運(yùn)動(dòng)至地表和路基位置。因地基處理一般情況下大于路基填筑范圍，在無(wú)路基壓覆位置，地下水自由滲出，有路基壓覆位置，地下水繼續(xù)在路基范圍內(nèi)發(fā)生滲流，且流量在路基壓覆起始位置沿地下水滲流方向逐漸降低，無(wú)路基壓覆位置，流量變化不大。分析主要是路基的壓覆作用延長(zhǎng)了地下水的滲流通道，增大了路基中的孔隙水壓力。

4.3 不同地基處理方式對(duì)路基穩(wěn)定性影響

路基穩(wěn)定性一方面受填筑材料、地基及地下水的影響，另一方面，孔隙水壓力的存在也同時(shí)降低坡體的安全儲(chǔ)備系數(shù)，誘發(fā)滑動(dòng)[12-13]。當(dāng)采用不同地基處理方式時(shí)，地下水的滲流對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響差異較大。因本次主要考慮地下水的滲流對(duì)路基邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)采用近似不透水或部分阻斷地下水滲流的地基處理時(shí)，地下水滲流對(duì)路基邊坡影響較小，因此本次以透水樁地基處理方式為例，說(shuō)明地下水滲流對(duì)路基邊坡的穩(wěn)定性影響，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別見(jiàn)圖8和圖9。

圖9 考慮滲流作用的路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)圖9和圖10對(duì)比分析，在不考慮滲流的情況下，路基邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.331-1.996，處于穩(wěn)定狀態(tài)，如考慮滲流，路基邊坡最大穩(wěn)定系數(shù)為1.145，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)圖9和圖10模擬對(duì)應(yīng)的處理方式，圖9不考慮滲流作用的狀態(tài)即為采用近似不透水的地基處理方式，圖10即為采用透水樁作為地下水滲流通道的地基處理方式。當(dāng)采用部分阻斷地下水滲流的地基處理方式，地下水的滲流對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響介于二者之間。

圖10 未考慮滲流作用的路基邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

5 結(jié)論

項(xiàng)目在以路基形式穿越柴窩堡盆地條帶狀承壓-自流水帶時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬方法，建立了3種模型，分別模擬了不同地基處理方式對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響，以及滲流對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性的影響。

（1）根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)采用碾壓、夯實(shí)、高壓噴射注漿、深層攪拌等近似不透水滲流模型時(shí)，對(duì)地下水的滲流影響相對(duì)較小，且對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響最小。

（2）當(dāng)采用振沖碎石樁等透水樁作為地下水滲流通道模型時(shí)，地下水滲流水流量在樁底位置變化較大，且隨著地下水沿透水樁向上滲流至路基邊坡位置，孔隙水壓力的增大降低了路基邊坡的穩(wěn)定性。

（3）當(dāng)采用部分阻斷地下水滲流地基處理方式時(shí)，對(duì)地下水的滲流及路基邊坡的穩(wěn)定性介于上述兩者之間。

（4）項(xiàng)目處于干旱區(qū)，地下水的滲流補(bǔ)給受區(qū)域水資源利用及調(diào)蓄補(bǔ)給作用影響，滲流場(chǎng)的變化相對(duì)較復(fù)雜。文章采用的數(shù)值模擬方法主要依據(jù)現(xiàn)有的水文地質(zhì)條件進(jìn)行研究，其適用時(shí)段有一定的局限性，必要時(shí)應(yīng)通過(guò)水文地質(zhì)試驗(yàn)獲得更加直觀的數(shù)據(jù)作為研究的參考依據(jù)。