大坝冲水库扩建工程—振冲碎石桩地基处理

大坝冲水库扩建工程—振冲碎石桩地基处理

郑书琼

陆良县水务局655699

摘要：为了提高大坝冲老坝上游坝脚的湖积层和冲洪积层承载力及内摩擦角，保证坝基的稳定，对坝基范围内的湖积层和冲洪积层作振冲碎石桩处理。通过振冲处理后的动力触探试验，静载荷试验，桩间土标准贯入试验和土工试验，来检验复合地基物理力学指标是建坝坝基要求。

关键词：大坝冲水库；扩建工程；振冲碎石桩地基处理

一、水库基本情况

大坝冲水库位于陆良县板桥镇东北部，现状是一座以农业灌溉为主的小（1）型水库，总库容436万m3，兴建于1957年4月，1958年3月竣工，本次将大坝冲水库扩建为中型水库，水库总库容2028万m3，工程建设任务为农村人畜饮水和农业灌溉供水。水库设计灌溉面积1.6万亩，将解决4.14万人饮水困难问题，并对下游河道及两岸村庄、农田起到一定的保护作用。

该工程主要由枢纽工程和引水工程两部分组成。

枢纽工程主要包括大坝、溢洪道、输水隧洞等，大坝坝型为粘土斜心墙风化料坝，坝顶高程1883.0m，最大坝高49m，坝顶宽6.0m，坝顶长485m；泄输水建筑物均位于左岸，输水隧洞总长382.56m、溢洪道总长359.30m、导流洞总长322.46m。

引水工程包括马家河引水坝和引水隧洞等，引水坝坝顶高程1886.5m，最大坝高12.5m，坝长82m；引水隧洞全长738.10m，设计流量6.5m3/s。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》规定，大坝冲水库属Ⅲ等工程，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。

大坝冲水库扩建工程于2011年12月29日，云南省发改委以云发改农经[2011]2876号文批复了《云南省发展和改革委员会关于陆良县大坝冲水库扩建工程可行性研究报告的批复》批准列项。2012年5月25日，云南省水利厅以云水技审[2012]79号文批复了《云南省水利厅关于陆良县大坝冲水库扩建工程初设报告的批复》。

二、地基基本情况

根据河床钻孔资料和测量资料，老坝上游泥沙淤积高程为1849.3m左右，河床基岩面以上的覆盖物主要有：湖积层和冲洪积层。

1、湖积层：水库淤积产物，厚4～6m。根据其松软状态分为两层：第一层为淤泥及淤泥质粘土，呈流-软塑状，天然干密度为1.10～1.25g/cm3，c值为0～10KPa，φ值为1°～4°，遍布于库底表层，厚0.9～1.1m；第二层为含砂淤泥质粘土夹砂砾石透镜体，3～5m，呈可塑状，天然干密度为1.17～1.2g/cm3，c值为23.4～23.6KPa，φ值为14.8°～15.2°。

2、冲洪积层：为含砾砂质粘土、粉细砂质粘土及粉细砂夹砂砾石组成，厚1.8～2.6m。天然干密度为1.22～1.4g/cm3，c值为10.3～24.1KPa，φ值为17.1°～17.8°。

三、地基处理方案

为了消除淤泥对扩建坝体稳定的影响，对坝基范围以内的淤泥进行彻底清除，决定采取清挖方案或振冲加固方案进行比较。

根据大坝冲水库清淤范围和淤积厚度为减少清淤范围面积，围堰布置尽量靠近上游坝脚，采用坝肩开挖风化料沿围堰轴线进行填筑，形成上游围堰后，先利用老暗涵把基坑内的积水尽量排走，剩余积水在库岸清挖形成集水井，然后在淤泥表面清理出纵横交错的排水沟，汇集到集水井采用大流量水泵抽排至上游围堰，以减少淤泥中的含水量。清淤时，表层软塑状淤泥采用泥浆泵抽排至上游围堰以上的库区内，表层以下的可塑状和硬塑状淤泥采用挖掘机和装载机结合自卸汽车装运至弃渣场堆放。

清挖处理能彻底消除淤泥对扩建坝体的不利影响，但考虑到淤积面积较大，淤积厚度较厚，实际施工难度较大。在表面的软塑状清除之后，对其余部分湖积层和冲洪积层作振冲碎石桩加固处理。淤泥振冲处理后可以作为大坝基础，其物理力学指标可满足设计要求。根据选用的振冲设备结合本工程地质的物理力学指标，振冲碎石桩的设计平均直径为1.0m，桩距为1.5m，排距为1.3m，采用梅花型布置。

综上所述，老坝上游坝脚附近的湖积层和冲洪积层采用清挖和振冲加固处理都是可行的，方案经济技术比较分析主要从两方案的工程量增减引起的投资变化、施工难易程度及对大坝施工进度的影响等几个方面进行比较分析。两种方案的投资估算成果分别见表。

淤泥处理方案投资比较表

编号项目单位单价（元）工程量投资（万元）一振冲方案1045.70振冲碎石桩m237.17440911045.70二清淤方案982.431淤泥清挖m³17.235420393.392土方开挖m³19.413458167.123石方开挖m³42.3651871219.734风化坝壳料填筑m³56.0699551558.085石渣回填m³8.625116344.10合计振冲方案投资-清淤方案投资63.27

经过对两个处理方案的经济分析比较，振冲加固方案较清淤方案投资多63.27万元。考虑到清淤方案施工难度大，根据坝址区的实际地质情况，坝址附近没有淤泥晾晒的场地，从而导致淤泥运输困难，尽管振冲加固方案投资稍多于清淤方案，但可以减少土石方开挖8.65万m3，淤泥清挖5.4万m3，坝壳料填筑10.0万m3，由于本工程施工度汛的施工强度较大，减少上述工程量对缓解工程施工度汛压力较为有利，减少弃渣也符合国家的环保政策要求。因此，本工程选定振冲加固方案作为上游坝脚淤泥的最佳处理方案。

为了提高老坝上游坝脚的湖积层和冲洪积层承载力及内摩擦角，保证坝基的稳定，对坝基范围内的湖积层和冲洪积层作振冲碎石桩处理。在清除软状湖积层（位于1848.2m高程以上）后，对1848.2m高程以下的湖积层和冲洪积层作振冲碎石桩加固处理。振冲处理的复合地基后可以作为大坝基础，其物理力学指标可满足设计要求。

四、振冲碎石桩设计

结合本工程的实际情况，选用的振冲器不小于75kW，加密电流150A以内。本工程采用等边三角形梅花型布桩，根据选定的施工设备及地基力学指标确定碎石桩的平均直径为1.0m，碎石桩间距1.50m，排距为1.3m。

1、地基加固范围及深度

（1）加固处理的长度为153.0m～226.5m，宽度为52.0m（41排桩），总计处理地基面积为10003.5m3。振冲桩长度46094.76m。

（2）设计桩长为1.2m～12.6m。

2、振冲碎石桩处理中设计总体要求

（1）单位填料量大于1.1m3/m。

（2）填料石料粒径为2～10cm，d＜5mm含量不大于5%，超径颗粒含量不大于3%，逊径颗粒含量不大于5%，压碎指标不大于10%，坚固性不大于5%，含泥量不大于5%。

（3）桩身密实度要求重（Ⅱ）触探检验不小于7～10击，平均击数不小于10.0击，最小击数应大于7.0击。

（4）加固后的复合地基置换率的确定，施工阶段根据实验情况确定振冲置换率必须达到40%以上。

（5）湖积层C≥16kPa，φ≥10°；冲洪积层C≥10kPa，φ≥12°；加固后的复合地基指标：C≥3kPa，φ≥24°。

（6）复合地基承载力≥300kPa，干密度≥16.0kN/m3，桩间土承载力≥150kPa，复合地基变形模量≥20MPa。

3、碎石桩试验

坝基振冲加固的效果直接关系大坝的合理设计和经济安全问题，因此振冲碎石桩试验研究非常必要。

（1）试验目的

a、主要检验振冲法处理地层的处理效果，取得合理的复合地基承载力标准值及压缩模量。

b、选定施工机械（振冲器功率及其相匹配的辅助机具）、施工工艺。确定施工参数（空载电流、密实电流、留振时间、水冲压力、填料量、填料粒径级配，为工程施工和施工检验创造条件以及地基处理的效果创造条件。

c、选定经济、合理的设计参数，桩间距、桩排距及桩长度的布置形式，置换率等，选取切实可行的施工工艺方法和技术参数。

（2）试验方案

振冲试验碎石桩孔距为1.5m，排距为1.3m。形成2个区域，每个区域114孔，共计228孔。碎石振冲试验经设计、监理批准同意，现场施工平台开挖形成，满足施工条件，组织3套施工试验设备。试验人员由建设、施工、设计、监理、质检等组成。

对每个试验区内委托方选定的实验点分别进行以下试验：

a、桩体：进行重型动力触探试验。

b、桩间土：对桩间土进行钻孔取样，测试试验桩深度范围内桩间各土层加固前后的物理力学指标；对桩间土进行标准贯入试验。

（3）基础振冲加固效果检测要求

a、振冲孔完成后进行了静荷载试验，在2个试区内共进行单桩6个点（每一区3点），桩间土6个点（每一区3点），单桩复合地基载荷试验6点（每一区3点），2个试区内共进行2组多桩复合地基载荷试验（每一区各抽取一组测试2个相邻的2桩），要求复合地基承载力≥设计值300kPa。

b、复合地基变形模量≥20MPa。

c、单桩地基承载力≥设计值550kPa，桩间土地基承载力≥设计值150kPa。

d、单桩复合地基承载力≥设计值400kPa。

（4）振冲碎石桩载荷试验提交成果

为保证振冲碎石桩的施工质量，及时发现和处理问题，振冲施工结束90天后进行成桩检验，采用自检方式对施工质量进行检测。

1）试验内容

a、碎石：进行物理力学指标检测。

b、碎石桩：采用动力触探试验对照相关规范确定单桩的密实度。

c、桩间土：采用标准贯入试验对照相关规范确定桩间土的密实度，钻芯取样做抗剪强度确定桩间土的黏聚力和内摩擦角。

2）试验方法

本次采用钻探和原位测试，并结合野外工程地质土样试验分析及地面踏勘调研等手段，对场地工程中的碎石桩和桩间土质量进行综合分析评价。

a、钻探工程：XY—1A型油压给进回旋岩芯取样钻机，孔径130—91mm，施工过程中采用非连续取芯钻进，土层中采用无泵钻进。严格控制回次进尺。钻探记录真实及时，并按钻进回次逐段填写。

b、桩间土土样（原状）：为提供地基土的物理力学性质指标，采用薄壁敞口取土器用压入法或锤击法从钻孔中采取原状土样进行物理力学性质试验。样品及时封存送检，质量等级达到Ⅱ级试样的要求。

c、标准贯入试验：为综合判定坝基土的力学性质和坝基土的均匀性，按《冶金工业岩土勘察原位测试规范》（GB/T50480—2008）中第6章规定进行试验。

d、重（Ⅱ）动力触探试验：采用锤重63.5±0.5kg，落距76±2cm，圆锥探头，锥角60°，锥底直径7.4cm，面积43cm2贯入指标：贯入10cm的锤击数N63.5，触探深度自地表向下分段贯入，按《冶金工业岩土勘察原位测试规范》（GB/T50480—2008）中第7章规定进行试验。

e、土工试验：为提供地基土的物理力学性质指标，从钻孔中采取原状土样进行物理、力学性质试验，按《土工试验方法标准》（SL237—1999）规定执行。

3）试验成果

碎石桩和桩间土恢复龄期均超过90天，经大坝基础开挖后，振冲区域内排水，存在固结效果，土体物理力学指标得到改善，提升了自身的剪切强度，从而达到强度要求。

a、对振冲碎石取样4组，其各项检测指标均满足规范和设计要求，质量合格。

b、对碎石桩进行动力触探密实度的检测，共抽检41根桩，全部为密实桩，统计分析评价为碎石桩的振冲密实度满足设计要求，质量合格。

c、对桩间土进行标准贯入密实度的检测，共抽检11根桩，统计分析评价为桩间土的密实度满足设计要求，质量合格。抽检原状样19组，其抗剪强度指标统计分析满足设计要求，质量合格。

综上所述，该工程地基处理达到了设计要求，符合大坝填筑所需的地基条件。

参考文献：

[1]DL/T5214-2005，水电水利工程振冲法地基处理技术规范.中华人民共和国国家发展和改革委员会，2005.

[2]GB/T50480-2008，冶金工业岩土勘察原位测试规范.中华人民共和国建设部和国家质量监督检验检疫总局，2008.

[3]何广讷.振冲碎石桩复合地基.北京：人民交通出版社，2001.

[4]GB50021-2001【2009年版】，岩土工程勘察规范.中华人民共和国建设部和国家质量监督检验检疫总局，2009.