華坪霧坪水庫軟基築壩基礎處理技術

簡介：本文通過離心物理模型試驗、有限元固結計算、壩坡穩定數值分析和振沖碎石樁生產性試驗，確認了振沖碎石樁加固軟基、修築14m高的反壓平台預壓固結和分期施工綜合應用方案修建務坪水庫的可行性與有效性。經過精心設計和施工，2001年5月大壩順利封頂，目前運行正常，表明振沖碎石樁處理軟基是成功的。

關鍵字：軟基 振沖 碎石樁 離心模型

(1.中國水利水電科學研究院 岩土工程研究所，北京　100044；2.北京交通大學 土建學院，北京　100044；3.雲南省水利水電勘測設計院，雲南 昆明　650021)

飽和軟土具有高壓縮性、高靈敏度、高流變性和低強度、低滲透係數的工程特性，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，軟基內的水無法及時排出，會使地基孔隙水壓力升高，有效應力降低，進而導致壩體產生開裂、滑坡或者地基失穩等事故。技術人員一直在尋找有效的工程措施，通過對軟基進行處理來保證大壩的安全，主要方法有設置砂井加快排水、控制上壩速度、分期施工提高軟土的固結度和振沖碎石樁處理地基等方法。過去一般認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度。劉復明等[1]通過試驗和研究發現，如果加大置換率，加速樁間土的排水固結，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例逐漸增多，但是在大壩壩基處理中卻仍然少有應用。雲南務坪水庫採用振沖碎石樁處理其厚達33.0m的湖積軟土地基，大壩填築完成已有3年，運行和沉降觀測都表明效果很好。本文主要介紹務坪水庫軟基加固處理方案及其驗證，以及振沖碎石樁的檢測結果。

1 工程概況

務坪水庫位於雲南省西北部的華坪縣境內，為中型三等工程，水庫總庫容4990萬m3，主要用於農業灌溉。攔河壩為黏土心牆碾壓堆石壩，設計壩高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。

圖1　務坪水庫大壩剖面

務坪水庫壩址區的地質條件十分複雜，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23萬m3的不穩定山體。右壩肩存在2號和4號滑坡，右壩肩下游側為滑動面寬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20.0m，而且這種軟土遠遠沒有達到自重固結，孔隙比在1.5～2.0之間，天然含水量一般為60%～80%，呈流塑狀，不排水抗剪強度cu不到20kPa。

在軟土地基上修建最大壩高52m的大壩，國內外還沒有先例，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]，均小於務坪大壩的高度。國內外軟基築壩工程實例見表1。

由於沒有其它可以比選的壩址，壩體不得不座落在相對較強的滑坡堆積體土層和軟弱的湖積軟土層這兩種強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黏土地基，提高地基承載力和抗剪強度，解決兩種不同地基土層的差異沉降是務坪工程中最大的難題。

湖積層軟土分布於壩軸線上游的務坪盆地，沉積於老河床的砂卵礫石之上。為查明湖積層軟土的組成、性質、分布範圍以及物理力學性質，從20世紀70年代開始，先後在20多年的時間裡對壩軸線上游的湖積層軟土區進行了68孔共1593m的鑽孔勘探工作。根據勘探結果，由岸坡至河床軟土層厚度逐漸變大，最大厚度33m，一般8～20m。典型地質剖面如圖1所示。從地表至老河床沖積層共分3個大層，即：粉土層，厚10m，夾黏土、樹葉及砂礫層；粉質黏土層，厚7～12m，夾透鏡狀粉砂、樹葉層；粉砂層，厚5～7m，夾樹葉層。

湖積層軟土的主要物理力學指標見表2。從表2可以發現，湖積層軟土孔隙比、含水量、壓縮性和有機質含量都很高，抗剪強度很低。因此，對湖積層軟土必須進行謹慎有效的地基處理，才能滿足工程安全的需要。

2　基礎加固處理設計

湖積層軟基處理的好壞直接關係到大壩的安全，要改善軟土的物理力學性質，必須採取行之有效的工程措施。在綜合考慮各方面的因素和多個方案的對比論證之後，確定採用振沖碎石樁和預壓固結相結合同時控制載入速率的處理方案。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。由於整個振沖區湖積層軟基埋深及受力有一定的差別，因此將振沖區劃分為主要應力區和次要應力區。主要應力區設計振沖置換率為40%，起保護作用的次要應力區，設計置換率為32%。具體的設計參數見表3。

3　方案驗證

3.1　加固方案驗證針對振沖碎石樁加固處理方案，通過物理模型、數值模型以及生產性試驗論證軟基築壩的可行性。同時為碎石樁設計方案、大壩填築速率以及生產工藝的控制與改進提供科學依據和參考。

3.1.1　物理模型使用中國水利水電科學研究院450g·t的大型土工離心機進行了比尺為1∶200的6組模型試驗，再現了原型的應力和變形情況。試驗對採用不同的碎石置換率對軟基的加固效果以及壩體填築速率對壩體的變形影響進行了研究。從離心模型試驗的結果看，若湖積層軟基不處理直接建壩，在築壩過程中壩基、壩體均發生很大的變形破壞，其中壩體迎水坡腳淤泥隆起達4m，基礎明顯破壞，防滲心牆與壩殼嚴重分離，心牆水平位移4.0m，垂直位移8.6m，壩體的整體穩定已遭到破壞。離心模型對不同置換率的方案進行了比較，當置換率達到30%時，位移與置換率關係曲線明顯變緩，尤其是水平位移已趨於水平。再增大置換率，位移減小量不大。在置換率34%左右時，上游不發生隆起。軟基在經40%振沖置換率加固後，複合地基的強度滿足設計要求，若同時輔以分期施工，效果更好，總體沉降量將減少80%～90%。

3.1.2　數學模型採用基於比奧固結理論的有限元方法對大壩和地基的應力應變與固結過程進行預測和分析。本文採用的二維平面應變固結程序CON2D由美國著名學者鄧肯等開發[8]，後經中國水利水電科學研究院陳祖煜等人的改進[9]，能更好地模擬大壩的分層、分期施工過程，進行大壩施工和蓄水過程的固結計算分析。該程序曾在美國New Melones大壩和我國小浪底大壩中應用。

在分析中採用了修正劍橋模型和鄧肯張非線性模型，有限元網格如圖2所示。通過固結計算預測了碎石樁加固方案施工過程和蓄水後壩體與地基中孔壓、應力和位移的變化過程。計算成果表明採用加固方案後，軟基內的超靜孔壓較小，最大值約為120kPa，出現在反壓平台中心下軟基中部的粉質黏土層中。圖3為粉質黏土層中某3個代表單元的孔壓歷時曲線，單元在地基中的位置見圖2。其中244號單元為碎石樁，由於碎石樁樁徑較大，滲透性好，因此超靜孔壓消散較快。245號、246號單元為粉質黏土。圖3中出現3個峰值是因為施工過程中有兩次停工度汛。經過反壓平台預壓14個月後，軟基內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。有關固結計算的詳細內容可參見文獻［10］。

圖2　有限元計算網格

圖3 軟基中部孔壓隨時間變化曲線

在大量的物理力學特性試驗成果和固結計算的基礎上，採用中國水利水電科學研究院陳祖煜開發的邊坡穩定程序STAB95[9]，進行不同條件下壩體的穩定性分析。除進行常規的確定性分析外，還引入概率論和風險分析的概念，應用Rosenblueth法對大壩穩定的可靠度和風險進行研究。採用有效應力法計算髮現，按設計施工進度，軟基振沖處理和反壓平台施工結束半年後開始壩體填築，1年後大壩封頂，水庫不蓄水，此時上游壩坡施工期穩定安全係數達1.82(見圖4)，可靠度指標為4.81(見圖5)，均超過了相應的規範要求。因而，從確定性模型和風險分析兩個方面論證了壩坡的穩定性。

圖4　設計施工進度下上游壩坡的穩定計算結果

圖5　設計施工進度下上游壩坡的穩定可靠度計

3.1.3　振沖處理的生產性試驗在振沖區域內選擇代表性較好的場地(面積340m2)分別進行了30kW及75kW兩種不同功率的生產性振沖試驗，共布置30kW樁49根、75kW樁34根，試樁深度8～20m。振沖制樁結束4周後，對施工質量及效果進行檢驗，在試驗區內進行了雙橋式靜力觸探、十字板剪切試驗、重(2)型動力觸探和標貫試驗，以及壓水試驗檢查成孔質量。同時進行現場直剪三組和大型靜載試驗30kW區與75kW區各一組，並取原狀樣25組進行室內物理力學試驗。根據這些試驗得出，在強度恢復期後實測複合地基天然容重1.83g/cm3，干容重1.41g/cm3，凝聚力(飽和快剪)c=8kPa，內摩擦角=23°；複合地基承載力，30kW振沖區191.4kPa，75kW振沖區達256.6kPa；實測30kW置換率31.7%；75kW置換率32.5%。

從以上方案驗證結果看，振沖碎石樁置換處理務坪湖積軟土有明顯提高承載力、增加抗剪強度、加快軟土排水固結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、排距與設計值(見表3)完全一致。振沖碎石料採用新鮮的灰岩加工而成。30kW振沖設備的振沖碎石最大粒徑為80mm，75kW振沖設備的振沖碎石最大粒徑為120mm，粒徑小於5mm的顆粒含量不大於10%。振沖碎石樁實際工程量見表4，共加固湖積軟土1.52萬m2，制樁4834根，總進尺52357m，碎石樁最大深度22.0m。

為全面檢查碎石樁成樁質量，樁間土及複合地基各項指標是否符合設計要求，並對振沖碎石樁加固軟基質量作出全面評價，1996年9月和10月對振沖碎石樁複合地基質量進行了兩次質量檢測試驗。根據這些檢測結果得知：(1)樁體承載力。16組單樁靜載試驗表明，其中13根樁的樁體承載力達到了較高水平，最高達500～800kPa，少數幾根承載力較低的樁也達到320～400kPa。42根樁的重(2)型動力觸探試驗表明，樁體的承載力為248～512kPa。由於湖積軟土工程性差，加之地下水豐富，樁間土難以固結，對樁身施加的側限小，在此情況下能保持這樣高的承載力，充分說明了施工質量是可靠的；(2)各單元鑽孔抽芯檢查結果表明，碎石樁體連續，樁體材料基本為灰岩碎石，僅有個別樁在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果表明，樁體密實，基本達到N63.5>9擊，天然容重基本達到20kN/m3的標準；(4)樁間土室內試驗及現場原位試驗成果表明，由於碎石的擠入，分布範圍和深度最廣的樁間粉質黏土，承載力在86～101kPa左右；(5)複合地基承載力標準值大於200kPa。

4　結語

長期以來學術界對使用振沖法加固飽和軟土存在不同看法，認為過軟的地基可能無法對碎石樁提供足夠的側向約束力。務坪水庫是使用振沖技術成功加固特軟地基的實例，工程中方案驗證和針對加固後地基進行的質量檢測試驗為全面評價振沖加固軟土地基效果提供了翔實的資料，豐富了振沖軟土地基加固的技術。

參考文獻：

［4］　Sowa V A, Hardy R M, Constant B D. Design and construction of a dam on soft foundations［A］. 31st Canadian Geotechnical Conference［C］.1978.

［5］　Burke H H, Smucha S S. Lornex tailings dam on a soft foundation［A］.　Proceedings of the Sixth PanAmerican Conference on soil mechanics and foundation engineering［C］.1979.

［6］　Chin B G, Davis D M, Koohn E J, Benson R P, Campell J W. Construction performance of the Forty Mile Coulee east dam on a soft clay foundation［A］.　Canadian Geotechnical Conference［C］.1991.

［7］　Holubec I, Dobson J, Manson S. Design and construction of an earth dam on highly plastic clay using wick drain foundation［A］.　Canadian Geotechnical Conference［C］.1993.

［8］　Chang S C, Duncan J M. Analysis of consolidation of earth and rockfill dams［M］.Report No. TE 77-3,Vol.Ⅱ.University of California, Berkeley,1997.

［9］　陳祖煜.土質邊坡分析的原理與方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［10］　陳祖煜，周曉光，張天明，等.雲南務坪水庫軟基築壩關鍵技術研究［R］.北京：中國水利水電科學研究院，2003.

作者簡介：陳祖煜(1943-)，男，浙江鎮海人，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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