務(wù)坪水庫軟基筑壩基礎(chǔ)處理技術(shù)

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(1.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京　100044；2.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京　100044；
3.云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，云南 昆明　650021)

　　飽和軟土具有高壓縮性、高靈敏度、高流變性和低強(qiáng)度、低滲透系數(shù)的工程特性，因此在軟基上施工面臨著孔壓過高、變形過大、抗力過小的難題。在堤壩施工期間，如果上壩速度過快，軟基內(nèi)的水無法及時(shí)排出，會使地基孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生開裂、滑坡或者地基失穩(wěn)等事故。技術(shù)人員一直在尋找有效的工程措施，通過對軟基進(jìn)行處理來保證大壩的安全，主要方法有設(shè)置砂井加快排水、控制上壩速度、分期施工提高軟土的固結(jié)度和振沖碎石樁處理地基等方法。過去一般認(rèn)為振沖碎石樁不適宜加固軟弱黏土，被加固的軟土需要具有20kPa以上的天然不排水抗剪強(qiáng)度。劉復(fù)明等^[1]通過試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，如果加大置換率，加速樁間土的排水固結(jié)，碎石樁仍可在淤泥地基中使用，可提高地基承 載力0.2～2.5倍。近年來，利用高置換率振沖碎石樁處理軟弱黏土地基的工程實(shí)例逐漸增多，但是在大壩壩基處理中卻仍然少有應(yīng)用。云南務(wù)坪水庫采用振沖碎石樁處理其厚達(dá)33.0m的湖積軟土地基，大壩填筑完成已有3年，運(yùn)行和沉降觀測都表明效果很好。本文主要介紹務(wù)坪水庫軟基加固處理方案及其驗(yàn)證，以及振沖碎石樁的檢測結(jié)果。

1 工程概況

　　務(wù)坪水庫位于云南省西北部的華坪縣境內(nèi)，為中型三等工程，水庫總庫容4990萬m³，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉。攔河壩為黏土心墻碾壓堆石壩，設(shè)計(jì)壩高52.00m，壩軸線長210.00m，壩體最大橫斷面282.00m，壩體典型剖面見圖1。

　　務(wù)坪水庫壩址區(qū)的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，分布著滑坡群和深厚湖積軟土層。壩軸線上游左岸分布有體積達(dá)10萬m³的3號滑坡、9號滑坡，右岸分布有5號滑坡及可能滑坡體積達(dá)23萬m³的不穩(wěn)定山體。右壩肩存在2號和4號滑坡，右壩肩下游側(cè)為滑動面寬42m、體積123萬m³的1號滑坡。壩軸線上游分布著面積超過0.4km²湖積層軟土，其最大埋深33.0m，一般埋深達(dá)20.0m，而且這種軟土遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到自重固結(jié)，孔隙比在1.5～2.0之間，天然含水量一般為60%～80%，呈流塑狀，不排水抗剪強(qiáng)度c_u不到20kPa。

　　在軟土地基上修建最大壩高52m的大壩，國內(nèi)外還沒有先例，已建成的加拿大Lornex尾礦壩壩高43m^[5]、我國浙江紹興湯浦水庫壩高37.2m^[2]，均小于務(wù)坪大壩的高度。國內(nèi)外軟基筑壩工程實(shí)例見表1。

表1　國內(nèi)外軟基筑壩工程實(shí)例

工程名稱

最大壩高

地基情況

處理方法

資料來源

云南務(wù)坪水庫

52.0m

33.0m厚的湖積軟土與滑坡堆積體

振沖碎石樁，預(yù)壓固結(jié)，分期施工

本文

浙江慈溪杜湖水庫

17.5m

16m厚軟黏土，含水量45%，塑性指數(shù)16%，有效內(nèi)摩擦角28°

正三角形分布砂井，直徑42cm,間距3.0m

文獻(xiàn)［2］

浙江紹興湯浦水庫

37.2m

3.0～5.0m厚的淤泥質(zhì)黏土

振沖碎石樁

文獻(xiàn)［3］

阿爾伯特Mildred Lake

11～43m一系列壩

1m多厚的泥炭土，長120m(湖的西邊)和220m(湖的東邊)。1～4m厚很軟的有機(jī)粉土

挖除部分泥炭土，分期施工

文獻(xiàn)［4］

Lornex尾礦壩

43m

夾雜透水砂層的黏土，不排水強(qiáng)度為5～90kPa，最上面4m的工程性質(zhì)較差，下面兩層相對較好

坡度3∶1，分期施工，砂井排水系統(tǒng)

文獻(xiàn)［5］

阿爾伯特Forty Mile Coulee

東西兩座壩均為28m

湖積軟土，東部壩下60m厚，西部35m厚。塑限18%～25%，有效內(nèi)摩擦角19.5°

分期施工，1∶8的坡度，下游砂井排水

文獻(xiàn)［6］

Saskatchewan Rafferty

20m高，700m長

20～24m厚高塑性軟土

袋裝砂井

文獻(xiàn)［7］

　　由于沒有其它可以比選的壩址，壩體不得不座落在相對較強(qiáng)的滑坡堆積體土層和軟弱的湖積軟土層這兩種強(qiáng)度和變形特性相差很大的不均勻地基上。如何處理極為軟弱的淤泥質(zhì)黏土地基，提高地基承載力和抗剪強(qiáng)度，解決兩種不同地基土層的差異沉降是務(wù)坪工程中最大的難題。

　　湖積層軟土分布于壩軸線上游的務(wù)坪盆地，沉積于老河床的砂卵礫石之上。為查明湖積層軟土的組成、性質(zhì)、分布范圍以及物理力學(xué)性質(zhì)，從20世紀(jì)70年代開始，先后在20多年的時(shí)間里對壩軸線上游的湖積層軟土區(qū)進(jìn)行了68孔共1593m的鉆孔勘探工作。根據(jù)勘探結(jié)果，由岸坡至河床軟土層厚度逐漸變大，最大厚度33m，一般8～20m。典型地質(zhì)剖面如圖1所示。從地表至老河床沖積層共分3個(gè)大層，即：①粉土層，厚10m，夾黏土、樹葉及砂礫層；②粉質(zhì)黏土層，厚7～12m，夾透鏡狀粉砂、樹葉層；③粉砂層，厚5～7m，夾樹葉層。

　　湖積層軟土的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)，湖積層軟土孔隙比、含水量、壓縮性和有機(jī)質(zhì)含量都很高，抗剪強(qiáng)度很低。因此，對湖積層軟土必須進(jìn)行謹(jǐn)慎有效的地基處理，才能滿足工程安全的需要。

表2　原狀軟土主要工程特性

0

含水量(%)

干容重/(kN/m³)

孔隙比

壓縮系數(shù)/(MPa^-1)

有機(jī)質(zhì)含量(%)

飽和快剪

φ/(°)

c/kPa

最大值

136.00

16.90

18.85

3.10

21.75

19.05

24.50

最小值

13.00

6.70

0.39

0.20

4.30

4.60

4.40

平均值

66.99

9.93

1.87

1.35

10.70

12.20

14.03

2　基礎(chǔ)加固處理設(shè)計(jì)

　　湖積層軟基處理的好壞直接關(guān)系到大壩的安全，要改善軟土的物理力學(xué)性質(zhì)，必須采取行之有效的工程措施。在綜合考慮各方面的因素和多個(gè)方案的對比論證之后，確定采用振沖碎石樁和預(yù)壓固結(jié)相結(jié)合同時(shí)控制加載速率的處理方案。在1.51萬m²的軟基上布置75kW和30kW兩種振沖功率的碎石樁，碎石樁呈三角形分布。由于整個(gè)振沖區(qū)湖積層軟基埋深及受力有一定的差別，因此將振沖區(qū)劃分為主要應(yīng)力區(qū)和次要應(yīng)力區(qū)。主要應(yīng)力區(qū)設(shè)計(jì)振沖置換率為40%，起保護(hù)作用的次要應(yīng)力區(qū)，設(shè)計(jì)置換率為32%。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3　振沖碎石樁的設(shè)計(jì)

振沖區(qū)域

振沖器類型

樁距/m

排距/m

樁數(shù)/根

單位填料量/(m³/m)

主要應(yīng)力區(qū)

30kW

1.6

1.40

380

≥0.891

75kW

1.8

1.56

2501

≥1.125

次要應(yīng)力區(qū)

30kW

1.8

1.56

1241

≥0.891

75kW

2.0

1.73

1757

≥1.125

3　方案驗(yàn)證

3.1　加固方案驗(yàn)證　針對振沖碎石樁加固處理方案，通過物理模型、數(shù)值模型以及生產(chǎn)性試驗(yàn)論證軟基筑壩的可行性。同時(shí)為碎石樁設(shè)計(jì)方案、大壩填筑速率以及生產(chǎn)工藝的控制與改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

3.1.1　物理模型　使用中國水利水電科學(xué)研究院450g·t的大型土工離心機(jī)進(jìn)行了比尺為1∶200的6組模型試驗(yàn)，再現(xiàn)了原型的應(yīng)力和變形情況。試驗(yàn)對采用不同的碎石置換率對軟基的加固效果以及壩體填筑速率對壩體的變形影響進(jìn)行了研究。從離心模型試驗(yàn)的結(jié)果看，若湖積層軟基不處理直接建壩，在筑壩過程中壩基、壩體均發(fā)生很大的變形破壞，其中壩體迎水坡腳淤泥隆起達(dá)4m，基礎(chǔ)明顯破壞，防滲心墻與壩殼嚴(yán)重分離，心墻水平位移4.0m，垂直位移8.6m，壩體的整體穩(wěn)定已遭到破壞。離心模型對不同置換率的方案進(jìn)行了比較，當(dāng)置換率達(dá)到30%時(shí)，位移與置換率關(guān)系曲線明顯變緩，尤其是水平位移已趨于水平。再增大置換率，位移減小量不大。在置換率34%左右時(shí)，上游不發(fā)生隆起。軟基在經(jīng)40%振沖置換率加固后，復(fù)合地基的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，若同時(shí)輔以分期施工，效果更好，總體沉降量將減少80%～90%。

3.1.2　數(shù)學(xué)模型　采用基于比奧固結(jié)理論的有限元方法對大壩和地基的應(yīng)力應(yīng)變與固結(jié)過程進(jìn)行預(yù)測和分析。本文采用的二維平面應(yīng)變固結(jié)程序CON2D由美國著名學(xué)者鄧肯等開發(fā)^[8]，后經(jīng)中國水利水電科學(xué)研究院陳祖煜等人的改進(jìn)^[9]，能更好地模擬大壩的分層、分期施工過程，進(jìn)行大壩施工和蓄水過程的固結(jié)計(jì)算分析。該程序曾在美國New Melones大壩和我國小浪底大壩中應(yīng)用。

　　在分析中采用了修正劍橋模型和鄧肯張非線性模型，有限元網(wǎng)格如圖2所示。通過固結(jié)計(jì)算預(yù)測了碎石樁加固方案施工過程和蓄水后壩體與地基中孔壓、應(yīng)力和位移的變化過程。計(jì)算成果表明采用加固方案后，軟基內(nèi)的超靜孔壓較小，最大值約為120kPa，出現(xiàn)在反壓平臺中心下軟基中部的粉質(zhì)黏土層中。圖3為粉質(zhì)黏土層中某3個(gè)代表單元的孔壓歷時(shí)曲線，單元在地基中的位置見圖2。其中244號單元為碎石樁，由于碎石樁樁徑較大，滲透性好，因此超靜孔壓消散較快。245號、246號單元為粉質(zhì)黏土。圖3中出現(xiàn)3個(gè)峰值是因?yàn)槭┕み^程中有兩次停工度汛。經(jīng)過反壓平臺預(yù)壓14個(gè)月后，軟基內(nèi)的超孔隙水壓力基本消散。軟基最大沉降為0.33m，壩體最大沉降為0.84m。有關(guān)固結(jié)計(jì)算的詳細(xì)內(nèi)容可參見文獻(xiàn)［10］。

圖2　有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖3 軟基中部孔壓隨時(shí)間變化曲線

　　在大量的物理力學(xué)特性試驗(yàn)成果和固結(jié)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用中國水利水電科學(xué)研究院陳祖煜開發(fā)的邊坡穩(wěn)定程序STAB95^[9]，進(jìn)行不同條件下壩體的穩(wěn)定性分析。除進(jìn)行常規(guī)的確定性分析外，還引入概率論和風(fēng)險(xiǎn)分析的概念，應(yīng)用Rosenblueth法對大壩穩(wěn)定的可靠度和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。采用有效應(yīng)力法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，按設(shè)計(jì)施工進(jìn)度，軟基振沖處理和反壓平臺施工結(jié)束半年后開始壩體填筑，1年后大壩封頂，水庫不蓄水，此時(shí)上游壩坡施工期穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)1.82(見圖4)，可靠度指標(biāo)為4.81(見圖5)，均超過了相應(yīng)的規(guī)范要求。因而，從確定性模型和風(fēng)險(xiǎn)分析兩個(gè)方面論證了壩坡的穩(wěn)定性。

圖4　設(shè)計(jì)施工進(jìn)度下上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖5　設(shè)計(jì)施工進(jìn)度下上游壩坡的穩(wěn)定可靠度計(jì)算結(jié)果

3.1.3　振沖處理的生產(chǎn)性試驗(yàn)　在振沖區(qū)域內(nèi)選擇代表性較好的場地(面積340m²)分別進(jìn)行了30kW及75kW兩種不同功率的生產(chǎn)性振沖試驗(yàn)，共布置30kW樁49根、75kW樁34根，試樁深度8～20m。振沖制樁結(jié)束4周后，對施工質(zhì)量及效果進(jìn)行檢驗(yàn)，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行了雙橋式靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)、重(2)型動力觸探和標(biāo)貫試驗(yàn)，以及壓水試驗(yàn)檢查成孔質(zhì)量。同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場直剪三組和大型靜載試驗(yàn)30kW區(qū)與75kW區(qū)各一組，并取原狀樣25組進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。根據(jù)這些試驗(yàn)得出，在強(qiáng)度恢復(fù)期后實(shí)測復(fù)合地基天然容重1.83g/cm³，干容重1.41g/cm³，凝聚力(飽和快剪)c=8kPa，內(nèi)摩擦角=23°；復(fù)合地基承載力，30kW振沖區(qū)191.4kPa，75kW振沖區(qū)達(dá)256.6kPa；實(shí)測30kW置換率31.7%；75kW置換率32.5%。

　　從以上方案驗(yàn)證結(jié)果看，振沖碎石樁置換處理務(wù)坪湖積軟土有明顯提高承載力、增加抗剪強(qiáng)度、加快軟土排水固結(jié)和減少軟基沉降的效果。

3.2　振沖碎石樁施工及效果檢測　振沖碎石樁的樁距、排距與設(shè)計(jì)值(見表3)完全一致。振沖碎石料采用新鮮的灰?guī)r加工而成。30kW振沖設(shè)備的振沖碎石最大粒徑為80mm，75kW振沖設(shè)備的振沖碎石最大粒徑為120mm，粒徑小于5mm的顆粒含量不大于10%。振沖碎石樁實(shí)際工程量見表4，共加固湖積軟土1.52萬m²，制樁4834根，總進(jìn)尺52357m，碎石樁最大深度22.0m。

　　為全面檢查碎石樁成樁質(zhì)量，樁間土及復(fù)合地基各項(xiàng)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，并對振沖碎石樁加固軟基質(zhì)量作出全面評價(jià)，1996年9月和10月對振沖碎石樁復(fù)合地基質(zhì)量進(jìn)行了兩次質(zhì)量檢測試驗(yàn)。根據(jù)這些檢測結(jié)果得知：(1)樁體承載力。16組單樁靜載試驗(yàn)表明，其中13根樁的樁體承載力達(dá)到了較高水平，最高達(dá)500～800kPa，少數(shù)幾根承載力較低的樁也達(dá)到320～400kPa。42根樁的重(2)型動力觸探試驗(yàn)表明，樁體的承載力為248～512kPa。由于湖積軟土工程性差，加之地下水豐富，樁間土難以固結(jié)，對樁身施加的側(cè)限小，在此情況下能保持這樣高的承載力，充分說明了施工質(zhì)量是可靠的；(2)各單元鉆孔抽芯檢查結(jié)果表明，碎石樁體連續(xù)，樁體材料基本為灰?guī)r碎石，僅有個(gè)別樁在8m以下處夾有少量黏土。樁斜、樁深均滿足要求；(3)樁體容重和動力觸探結(jié)果表明，樁體密實(shí)，基本達(dá)到N_63.5>9擊，天然容重基本達(dá)到20kN/m³的標(biāo)準(zhǔn)；(4)樁間土室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場原位試驗(yàn)成果表明，由于碎石的擠入，分布范圍和深度最廣的樁間粉質(zhì)黏土，承載力在86～101kPa左右；(5)復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值大于200kPa。

表4　振沖碎石樁實(shí)際完成工程量

振沖區(qū)域

振沖器類型

樁數(shù)/根

進(jìn)尺/m

單位填料量/(m³/m)

主要應(yīng)力區(qū)

30kW

224

2243

≥0.891

75kW

2253

2567

≥1.125

次要應(yīng)力區(qū)

30kW

1016

8275

≥0.891

75kW

1341

16162

≥1.125

4　結(jié)語

　　長期以來學(xué)術(shù)界對使用振沖法加固飽和軟土存在不同看法，認(rèn)為過軟的地基可能無法對碎石樁提供足夠的側(cè)向約束力。務(wù)坪水庫是使用振沖技術(shù)成功加固特軟地基的實(shí)例，工程中方案驗(yàn)證和針對加固后地基進(jìn)行的質(zhì)量檢測試驗(yàn)為全面評價(jià)振沖加固軟土地基效果提供了翔實(shí)的資料，豐富了振沖軟土地基加固的技術(shù)。



參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2004-01-16
作者簡介：陳祖煜(1943-)，男，浙江鎮(zhèn)海人，教授級高級工程師，主要從事邊坡工程和水利工程的研究。
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