振沖碎石樁在黃金坪水電站壩基處理中的應(yīng)用

谷江波，劉永波，閔勇章

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072)

1 概述

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫(kù)22級(jí)”中的第11級(jí)電站，是以發(fā)電為主的二等大(2)型工程。電站采用水庫(kù)大壩和“一站兩廠”的混合式開發(fā)，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條岸邊溢洪道、1條泄洪(放空)洞、左岸大廠房引水發(fā)電建筑物和右岸小廠房引水發(fā)電建筑物等組成。水庫(kù)正常蓄水位高程為1476m、相應(yīng)水庫(kù)庫(kù)容為1．28億m3，最大壩高85．5m，壅水高度73m，電站總裝機(jī)容量為850MW。

黃金坪水電站壩基河床覆蓋層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂層透鏡體厚度較大，分布較廣、開挖難度大，其承載力、壓縮模量及抗剪強(qiáng)度低且有液化的可能，故選擇振沖碎石樁進(jìn)行加固，以防止液化，提高其承載力和抗變形能力。振沖碎石樁是以潛水電機(jī)帶動(dòng)偏心塊使振沖器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，同時(shí)，通過(guò)振沖器尖端噴嘴噴射出高壓水流，在邊振邊沖的聯(lián)合作用下，將振沖器沉到土中的設(shè)計(jì)深度。經(jīng)清孔后，從地面向孔中分段填入適量碎石，每段填料均在振動(dòng)作用下被振擠密實(shí)，在達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的密實(shí)度后提升振沖器，如此重復(fù)填料和振密，在土體中由下而上制作成一根大直徑、密實(shí)的碎石樁體。該樁與原地基土一起構(gòu)成復(fù)合地基，使承載力提高，沉降減少［1］。

2 基本地質(zhì)條件

黃金坪水電站工程區(qū)位于松潘-甘孜地槽褶皺系巴顏喀拉冒地槽褶皺帶與揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)內(nèi)的康滇地軸過(guò)渡部位，地處鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶和安寧河～小江斷裂帶、金湯弧形構(gòu)造帶的交接復(fù)合部位，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜。外圍區(qū)域斷裂帶發(fā)育歷史悠久，規(guī)模宏大，北西向鮮水河斷裂帶和北東向龍門山斷裂帶分別具有發(fā)生8級(jí)潛在地震的危險(xiǎn)性。工程區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)性主要受鮮水河斷裂南東段以及龍門山斷裂帶西南段地震活動(dòng)的波及影響。壩址區(qū)50a超越概率10%基巖水平峰值加速度為220cm/s2，對(duì)應(yīng)的工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。

壩址區(qū)河谷兩岸基巖裸露，河谷呈較開闊的“U”型谷。谷坡自然坡度左岸為45°～55°?？菟诤铀鎸?5～90m，河谷相對(duì)開闊。壩址區(qū)屬高山寬谷地貌，臨河坡高大于600m，水流湍急。壩址左岸上游約500m發(fā)育有叫吉溝泥石流，溝床切割較深，常年流水;壩址右岸下游約400m發(fā)育有龍達(dá)溝泥石流，為季節(jié)性溝谷。壩址區(qū)無(wú)區(qū)域性斷裂通過(guò)，地質(zhì)構(gòu)造以次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶、節(jié)理裂隙、巖脈為特征。

據(jù)勘探資料，壩基(開挖后高程1399m)河床覆蓋層深厚，一般厚度為56～130m，最厚達(dá)133．92 m;層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自下而上總體分為3層:

第①層。漂(塊)卵(碎)礫石夾砂土(fglQ3):分布于河床底部，厚29．44 ～81．57m，頂面埋深46～57．8m，均位于1396m高程以下。

第②層。漂(塊)砂卵(碎)礫石層(alQ41):分布于河床覆蓋層中部和左岸河漫灘，厚20．3～46m，頂面埋深0～25．12m。②層中有②-a、②-b、②-c、②-d砂層分布，其中②-c和②-d分布于1399m高程以上，壩基開挖時(shí)被完全挖除。②-a、②-b呈數(shù)個(gè)透鏡體分布在壩軸線及下游部位(圖1)，其中② -a厚度為0．5～6．9m，頂板埋深為7．49～25．5m，頂 板 分 布 高 程 為1373．5 ～1391．51m，底板分布高程為1371．3 ～1391．01m，為含泥(礫)中～粉細(xì)砂;②-b厚度為0．2 ～6．24m，頂板埋深為0 ～14．25m，頂板分布高程為1384．75～1399m，底板分布高程為1381．9 ～1398．77m，為含泥(礫)中 ～粉細(xì)砂。壩基開挖時(shí)②-a層完全保留、②-b層少部分被挖除(圖1)。

圖1 壩址覆蓋層中②-a、②-b層平面分布圖

第③層。漂(塊)砂卵礫石(alQ42):分布于河床表部，厚13～25．12m。③層中有③-a、③-b砂層分布，均分布于1396m高程以上，壩基開挖時(shí)被完全挖除。

3 壩基工程地質(zhì)問題分析

3．1 壩基抗滑穩(wěn)定

黃金坪水電站壩基覆蓋層結(jié)構(gòu)總體較密實(shí)，粗顆粒基本構(gòu)成骨架，其抗剪強(qiáng)度較高，φ=30°～32°，但河床覆蓋層中②-a、②-b等砂層分布較廣，厚度較大且埋藏較淺，其承載、抗變形和抗剪強(qiáng)度均較低，當(dāng)外圍強(qiáng)震波及影響時(shí)因砂土動(dòng)強(qiáng)度降低可能引起的地基剪切變形對(duì)壩基抗滑穩(wěn)定不利。

3．2 壩基變形

上述壩基覆蓋層地基具多層結(jié)構(gòu)，持力層主要為第②、①層，少部分為第③層，總體為漂(塊)卵礫石層，粗顆?；緲?gòu)成骨架，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，其允許承載力［R］=0．5 ～0．55MPa，變形模量 E0=40～45MPa，其承載和抗變形能力均較高，可滿足基礎(chǔ)承載變形和抗滑穩(wěn)定要求。但由于覆蓋層結(jié)構(gòu)不均一，壩基②-a、②-b砂層分布較廣，厚度較大，埋藏較淺，為中～粉細(xì)砂，其承載力和變形模量均較低，對(duì)覆蓋層地基的強(qiáng)度和變形性能影響較大，存在不均勻變形問題。

3．3 砂層液化

壩基河床覆蓋層中分布有②-a、②-b砂層和其它零星砂層透鏡體，厚度為0．2～6．24m，相對(duì)1399m高程建基面埋藏深度為0～27．7m，為含泥(礫)中～粉細(xì)砂。

砂層液化初判:上述砂層均為第四紀(jì)全新世Q4地層;砂層粒徑小于5mm顆粒含量為79．46%～98．59%，質(zhì)量百分率大于30%，其中粒徑小于0．005mm的顆粒含量百分率為5% ～8．28%，小于相應(yīng)地震設(shè)防烈度七度、八度和九度含量16%、18%和20%;判定為可能液化砂。

根據(jù)標(biāo)貫復(fù)判:砂層在七度、八度地震烈度條件下均有發(fā)生液化的可能。

根據(jù)相對(duì)密度復(fù)判:②-a、②-b在八度地震烈度條件下，除個(gè)別黏土質(zhì)砂層透鏡體不液化外，其余砂層均有發(fā)生液化的可能。

根據(jù)相對(duì)含水量、液性指數(shù)復(fù)判:經(jīng)對(duì)②-a、②-b砂層物性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，其相對(duì)含水量為1．19，大于 0．9，其液性指數(shù) IL=1．46，大于 0．75，均存在發(fā)生液化的可能。

4 振沖碎石樁處理方案

4．1 試驗(yàn)樁布置

振沖碎石樁試驗(yàn)在設(shè)計(jì)選定的大壩左岸基礎(chǔ)范圍內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)開挖高程不低于1400m。

試驗(yàn)區(qū)分為A、B兩個(gè)區(qū)，分別位于砂層②-a、②-b。試驗(yàn)A區(qū)砂層埋深約為32m，厚度約為9m，試驗(yàn)B區(qū)砂層埋深約為25m，厚度約為6 m。兩個(gè)區(qū)每區(qū)分別布置13個(gè)試驗(yàn)孔，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)孔距為1．5m和2m，試驗(yàn)孔成等邊三角形布置，設(shè)計(jì)孔深至第②-a、②-b層砂層的底部，設(shè)計(jì)樁徑為1m。試驗(yàn)樁具體布置情況見圖2。

4．2 振沖區(qū)復(fù)勘孔施工

圖2 振沖試驗(yàn)樁平面布置圖

壩基振沖樁工程施工復(fù)勘孔的目的主要有:勘察大壩基礎(chǔ)覆蓋層中砂層的位置、厚度、顆粒組成等情況;作為設(shè)計(jì)勘探的補(bǔ)充資料，與設(shè)計(jì)給出的地質(zhì)條件進(jìn)行對(duì)比分析;更加合理的指導(dǎo)振沖區(qū)砂層處理的深度。

4．3 振沖樁孔位分區(qū)

根據(jù)復(fù)勘成果，將黃金坪水電站大壩振沖處理劃分為8個(gè)區(qū)域，共計(jì)2873根樁，等邊三角形布置。振沖碎石樁孔間距分為三種:振沖1區(qū)、9區(qū)按2．5m ×2．5m 布置;振沖2 區(qū)、4 區(qū)、5 區(qū)、8 區(qū)按2．5m ×2．5m 布置;振沖 6 區(qū)、7 區(qū)按 1．8m ×1．8m布置。實(shí)際孔深至砂層底部1m，成樁樁徑為1m。振沖施工在設(shè)計(jì)提供的工作面1399．5m高程進(jìn)行。

振沖孔位在施工過(guò)程中本著邊施工、邊布設(shè)、邊校核的原則進(jìn)行。

圖3 振沖碎石樁施工流程示意圖

4．4 振沖樁施工過(guò)程

根據(jù)前期試驗(yàn)振沖器無(wú)法直接貫入的情況，采用“沖擊鉆造引孔后振沖”的施工方法。振沖碎石樁施工程序見圖3。振沖樁施工設(shè)備包括CZ-6D型沖擊鉆機(jī)、振沖器、50t履帶吊、泵送輸水系統(tǒng)、控制操作臺(tái)等。

5 地基振沖處理后的效果分析

5．1 地基檢測(cè)試驗(yàn)方法

(1)動(dòng)力觸探試驗(yàn)。

動(dòng)力觸探原位測(cè)試試驗(yàn)主要是利用一定的落錘能量，將探頭打入地基土層中，根據(jù)其打入一定深度的難易程度確定處理后的復(fù)合地基承載力特征值。

復(fù)合地基的承載力:根據(jù)樁、土應(yīng)力及面積置換率確定。通過(guò)一定的原位測(cè)試手段(如動(dòng)力觸探，標(biāo)準(zhǔn)貫入等)分別確定樁及土的承載力，根據(jù)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況確定面積置換率m，根據(jù)復(fù)合地基的荷載作用機(jī)理以及樁、土共同承擔(dān)的上部荷載確定復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算公式如下:式中 fsp，a為復(fù)合地基的承載力特征值;m為面積置換率;fp，a為樁的承載力特征值;fs，a為樁間土的地基承載力特征值。

(2)標(biāo)貫試驗(yàn)。

試驗(yàn)前應(yīng)鉆孔至試驗(yàn)地層的標(biāo)高以上15 cm，清孔后用標(biāo)準(zhǔn)貫入器并測(cè)量深度，以每分鐘15～30擊的速度貫入試驗(yàn)地層中。先打入15 cm，不記錘擊數(shù);繼續(xù)貫入30cm，記錄錘擊數(shù)。若砂層較密實(shí)、貫入擊數(shù)較大時(shí)，也可記錄小于30cm進(jìn)尺的錘擊數(shù)然后將其換算成貫入30cm的錘擊數(shù)。

(3)靜載試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用模擬建筑物地基豎向受荷實(shí)際工作條件的試驗(yàn)方法:慢速維持荷載法。即逐級(jí)加荷，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載，直到試驗(yàn)進(jìn)行到滿足試驗(yàn)規(guī)范的要求時(shí)方可終止加載條件，然后分級(jí)卸荷到零。

5．2 檢測(cè)及計(jì)算成果

基于試驗(yàn)成果，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》等得到的計(jì)算成果見表1。在實(shí)施振沖碎石樁處理砂層地基后，復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度、變形模量等物理力學(xué)特性均滿足設(shè)計(jì)要求。標(biāo)貫試驗(yàn)亦表明復(fù)合地基均為不液化土。

6 結(jié)語(yǔ)

表1 復(fù)合地基力學(xué)指標(biāo)計(jì)算成果表

(1)黃金坪水電站壩基在特定的地質(zhì)背景下，河床覆蓋層分布有規(guī)模較大的砂土層，在地震、動(dòng)力荷載或其它外力作用下，可能存在砂土地震液化及地基變形等工程地質(zhì)問題。

(2)振沖碎石樁對(duì)砂土層等軟弱地基的擠密效果與置換作用明顯，可有效解決軟弱地基砂土液化問題、承載力問題及抗剪問題。黃金坪水電站壩基通過(guò)振沖碎石樁形成復(fù)合地基，在承載力、壓縮模量等方面較明顯地提高并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(3)振沖碎石樁施工時(shí)，根據(jù)復(fù)勘孔勘探成果，對(duì)砂層等軟弱地基進(jìn)行了分區(qū)處理，既達(dá)到了補(bǔ)充查明軟弱地層空間展布的目的，同時(shí)亦方便了施工，又節(jié)約了工程量。

(4)黃金坪水電站采用振沖碎石樁處理壩基軟弱地層，既減少了壩基開挖的工程量，又解決了基坑由于涌水量大而產(chǎn)生的施工難度大問題。

［1］ 水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范，DL/T5214-2005［S］．