水利水電工程設(shè)計中的地基處理技術(shù)分析

潘亞輝，付海峰，劉敏

1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430063；2.武漢楚江水利水電工程質(zhì)量檢測有限公司，武漢 430063）

1 引言

我國城市電力需求隨著人口密度而不斷增加，為實現(xiàn)水能環(huán)保資源的充分利用就需要建設(shè)數(shù)量規(guī)模龐大的水利水電工程。水電工程的建設(shè)選址多選擇在一些偏遠地區(qū)，考慮到地形、地質(zhì)、水文等生態(tài)環(huán)境的影響，水電站建設(shè)需要選擇承載強度足夠的地基，其中壩基加固是確保水電站長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵技術(shù)，如何科學(xué)合理地進行不良建設(shè)地基的有效處治需要綜合工程質(zhì)量和社會經(jīng)濟效益兩個方面。因此，需要加強重視地基處理的重要性。

2 工程概況

2.1 工程位置及技術(shù)指標(biāo)

某水電站為引水式龍頭水庫電站，項目采取混合式開發(fā)類型，位于湖北省內(nèi)某干流上，能夠?qū)⒏闪魉恳廉?dāng)?shù)剌^大支流實現(xiàn)支流、干流匯合大型發(fā)電的效果。項目輸水閘壩位于干流上游3 km，廠址則建設(shè)在支干流匯合口處下游1 km，壩址距離當(dāng)?shù)厥兄行?02 km，壩址和廠址之間的直線距離為14 km，其中廠址附近存在國道和公路的連接路段，對外部交通較為便利，該水電項目是湖北省內(nèi)重點水利工程，對當(dāng)?shù)毓┧?、發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉等具備極其重要的現(xiàn)實意義。

該水電站水庫水源直接來源于本區(qū)徑流，控制流域面積達到了403 km2，百年一遇設(shè)計峰值流量為190 m2/s，平均年徑流量達到了14 500 萬m3，年平均輸沙量為15.2 萬t/a，水庫蓄水正常量為2 950 m，死水位設(shè)計為2 910 m，庫容為11 350 萬m3，調(diào)節(jié)庫容達到了9 150 萬m3，當(dāng)水庫為死庫容時，其起到發(fā)電的效果，水電站工程等別為II 等，規(guī)模控制在大（2）型，臨時及次要建筑結(jié)構(gòu)物級別為3 等，堆石壩級別為I級，項目建設(shè)位置具備較為復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為VII 度，該水庫電站總裝機容量為240 MW，共有2 臺裝機，主要構(gòu)造物為引水系統(tǒng)、壩區(qū)樞紐、廠區(qū)樞紐、輸水樞紐，堆石壩型為復(fù)合土工膜和混凝土防滲墻相互結(jié)合形式[1]，水電站主要特性參數(shù)如表1 所示。

表1 水庫電站工程特性參數(shù)

2.2 壩區(qū)工程地質(zhì)

壩區(qū)地質(zhì)上下游是U 形冰川谷，具備較為開闊的地勢，且覆蓋層厚度較大，上游水深最大可達到30 m，壩基河床具備較復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)，且河床覆蓋層厚度大，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔厚度結(jié)果，地質(zhì)情況可分為7 層，自下而上勘測結(jié)果為第⑦層淤泥質(zhì)壤土層，第①~⑥層為砂礫石層。

其中，淤泥質(zhì)壤土層主要分布在河床頂部左岸位置，為湖積(Ql42)，在壩基橫向方向的寬度為170~250 m；該土層內(nèi)部有機質(zhì)豐富，且主要以粉粒和細砂為主，比例分別占到了42%、39%，其余部分為黏粒構(gòu)成，土層級配較為連續(xù)，孔隙比在0.6~1.5，天然密度為1.8 g/cm3，含水率為25%~52%，液限和塑限分別為27%和16%，塑性指數(shù)為11，整體表現(xiàn)為軟塑狀，是高液限性軟土。經(jīng)過室內(nèi)相關(guān)技術(shù)試驗表明，其壓縮模量在5~9 MPa，黏聚力為0.04~0.06 MPa，內(nèi)摩擦角為7°~10°，滲透系數(shù)較低，為1.35×10-4cm/s，透水性較差，力學(xué)指標(biāo)較弱。根據(jù)該指標(biāo)可以判斷土層整體為液化土，考慮到該土層并沒有鋪滿整個河床，且厚度不厚，難以形成較為穩(wěn)定的隔水結(jié)構(gòu)，為此需要解決壩基覆蓋層下游滲漏缺陷，并且對于壩坡和壩基的穩(wěn)定性需要進行必要的加固。

第①~⑥層為砂礫石層，深度達到了130 m，是整個大壩的主要持力層，內(nèi)部多還有塊碎石，是堆積冰川(Qg131)，主要分布在河床底部位置，其中塊碎石內(nèi)部含有較少的板巖及石英巖，含有較多比例的變質(zhì)砂巖，級配較為疏松，最大公稱粒徑可以達到1.1 m，呈現(xiàn)棱角狀；最大比例的粉質(zhì)土呈現(xiàn)淺灰色，較為密實。

3 壩基處理方案

3.1 方案目標(biāo)確定

根據(jù)專家推薦，壩基軟土加固主要采取強夯置換或者振沖置換兩種方式，兩種方法都是為了通過部分軟土的置換，而達到復(fù)合地基較高的抗剪強度和壓縮模量，并不僅僅只為了加密土層結(jié)構(gòu)。其中，振沖碎石置換可以達到土層排水固結(jié)加快的效果，當(dāng)碎石置換率控制在25%~38%時，則能夠大幅度提升強度和模量，施工成本投入較高，且技術(shù)應(yīng)用簡單，具備較多的應(yīng)用經(jīng)驗案例。為此本項目主要采取振沖碎石樁法進行壩基處理。

另外，為了有效驗證該技術(shù)的使用效果和可行性，本項目選取了相關(guān)施工技術(shù)指標(biāo)進行壩基處理效果的對比。試驗流程按如下開展：首先，振沖設(shè)備采取德國OMS 振沖器，分別為377-75 kW，377-130 kW 兩種型號。進行振沖試驗后獲取施工參數(shù)和復(fù)合地基處理后的變形模量、抗剪強度、滲透系數(shù)、承載強度指標(biāo)；其次，對不同方案之間的加固效果進行對比，對大范圍應(yīng)用的設(shè)備方案進行確定；最后，需要對振沖施工質(zhì)量進行必要的檢驗及確定振沖碎石樁法的關(guān)鍵性參數(shù)（填料數(shù)量、施工填料級配、碎石樁樁徑、樁間距、樁排列方式）[2]。

3.2 試驗要求

本項目采取地基淤泥質(zhì)壤土分布范圍較為均勻且厚度較大的區(qū)域進行相關(guān)試驗。試驗要求如下：

1）淤泥質(zhì)壤土的加固深度控制在5~20 m；

2）加固后的復(fù)合地基整體平均密度需要達到2.2 g/cm3以上，孔隙率需要控制在0.28 以下；

3）復(fù)合地基承載力達到250 kPa 以上，變形模量達到40 MPa 以上，壓縮系數(shù)小于0.25 MPa-1，黏聚力大于25 kPa，內(nèi)摩擦角大于25°，滲透系數(shù)要大于1×10-3cm/s，整體具備抗液化水平；

4）現(xiàn)場試驗按照分區(qū)（I 區(qū)和II 區(qū)）開展，每個位置進行100 根碎石樁振沖處理。其中，I 區(qū)采取的振沖器為377-130 kW，II 區(qū)采取的振沖器為337-75 kW，兩個位置的樁形布置都為梅花形，其中I 區(qū)樁間距控制為2 m，II 區(qū)樁間距控制位1.5 m[3]。

3.3 軟基處理效果

現(xiàn)場振沖試驗結(jié)束3 周后開展復(fù)合地基樁間土工程特性、碎石置換率、樁體質(zhì)量的檢測，根據(jù)N120動力觸探試驗、靜載試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入實驗、室內(nèi)土工試驗開展要求及內(nèi)容，如表2所示，進行復(fù)合地基相關(guān)指標(biāo)的計算（內(nèi)摩擦角、變形模量、密度、孔隙率、承載力強度特征值、壓縮系數(shù)等），具體如表3 所示。

表2 試驗開展內(nèi)容及要求

表3 試驗檢測指標(biāo)

根據(jù)不同試驗位置的N120動力觸探試驗、靜載試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、室內(nèi)物理及力學(xué)試驗數(shù)據(jù)可以看出，通過振沖碎石樁的物理力學(xué)作用，復(fù)合地基的整體力學(xué)性能都有了較大幅度的提高，因兩個試驗位置采取的振沖器及樁間距離的差異，指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果存在較為明顯的差異性。其中，II 區(qū)復(fù)合地基的承載力特征值和變形模量大于I 區(qū)，且兩個功率的振沖器在施工中采取的填筑量都要比試驗規(guī)劃量少，現(xiàn)場都控制在1.3 m3/m 左右，樁體直徑在施工完成后控制在1.15~1.18 m；施工置換率的計算需要根據(jù)完成后樁徑及布樁形式來計算，I 區(qū)、II 區(qū)置換率分別為0.31 和0.52。通過簡要分析可以得出結(jié)論，II 區(qū)比I 區(qū)的加固效果更好，項目宜采取II 區(qū)施工方式進行加固。

4 結(jié)語

在水電工程地基處理中，需要針對多年凍土層、可液化層、淤泥質(zhì)土層進行相應(yīng)的物理力學(xué)指標(biāo)分析，選擇合適的地基處理技術(shù)及施工方案，技術(shù)的應(yīng)用也要充分結(jié)合壩基所處的地形、地質(zhì)、水文生態(tài)情況，以提升復(fù)合地基的承載力、變形模量及降低孔隙率和施工成本為重要指標(biāo)，優(yōu)化施工技術(shù)，為后續(xù)的水電工程上部結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的地基基礎(chǔ)。