水利水電工程設計與地基處理技術分析

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【摘要】軟土地基處治主要為了優化軟土地基的壓縮特性、剪切及透水特性、動力特性等。論文結合湖北某水電工程淤泥質土地基處理工程，闡述壩基軟土地質處理方案的確定及試驗要求，分析兩個試驗區域的軟土地基處理效果，得出試驗II區的施工方式加固效果更好。

【關鍵詞】壩基加固；軟土地基處理；振沖碎石樁；質量檢測

1引言

我國城市電力需求隨著人口密度而不斷增加，為實現水能環保資源的充分利用就需要建設數量規模龐大的水利水電工程。水電工程的建設選址多選擇在一些偏遠地區，考慮到地形、地質、水文等生態環境的影響，水電站建設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定運行的關鍵技術，如何科學合理地進行不良建設地基的有效處治需要綜合工程質量和社會經濟效益兩個方面。因此，需要加強重視地基處理的重要性。

2工程概況

2.1工程位置及技術指標

某水電站為引水式龍頭水庫電站，項目采取混合式開發類型，位于湖北省內某干流上，能夠將干流水量引至當地較大支流實現支流、干流匯合大型發電的效果。項目輸水閘壩位于干流上游3km，廠址則建設在支干流匯合口處下游1km，壩址距離當地市中心102km，壩址和廠址之間的直線距離為14km，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重點水利工程，對當地供水、發電、農業灌溉等具備極其重要的現實意義。該水電站水庫水源直接來源于本區徑流，控制流域面積達到了403km2，百年一遇設計峰值流量為190m2/s，平均年徑流量達到了14500萬m3，年平均輸沙量為15.2萬t/a，水庫蓄水正常量為2950m，死水位設計為2910m，庫容為11350萬m3，調節庫容達到了9150萬m3，當水庫為死庫容時，其起到發電的效果，水電站工程等別為II等，規模控制在大（2）型，臨時及次要建筑結構物級別為3等，堆石壩級別為I級，項目建設位置具備較為復雜的地質構造，建筑結構的抗震設防烈度為VII度，該水庫電站總裝機容量為240MW，共有2臺裝機，主要構造物為引水系統、壩區樞紐、廠區樞紐、輸水樞紐，堆石壩型為復合土工膜和混凝土防滲墻相互結合形式[1]，水電站主要特性參數如表1所示。

2.2壩區工程地質

壩區地質上下游是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30m，壩基河床具備較復雜的層次結構，且河床覆蓋層厚度大，根據現場鉆孔厚度結果，地質情況可分為7層，自下而上勘測結果為第⑦層淤泥質壤土層，第①~⑥層為砂礫石層。其中，淤泥質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170~250m；該土層內部有機質豐富，且主要以粉粒和細砂為主，比例分別占到了42%、39%，其余部分為黏粒構成，土層級配較為連續，孔隙比在0.6~1.5，天然密度為1.8g/cm3，含水率為25%~52%，液限和塑限分別為27%和16%，塑性指數為11，整體表現為軟塑狀，是高液限性軟土。經過室內相關技術試驗表明，其壓縮模量在5~9MPa，黏聚力為0.04~0.06MPa，內摩擦角為7°~10°，滲透系數較低，為1.35×10-4cm/s，透水性較差，力學指標較弱。根據該指標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，難以形成較為穩定的隔水結構，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130m，是整個大壩的主要持力層，內部多還有塊碎石，是堆積冰川(Qg131)，主要分布在河床底部位置，其中塊碎石內部含有較少的板巖及石英巖，含有較多比例的變質砂巖，級配較為疏松，最大公稱粒徑可以達到1.1m，呈現棱角狀；最大比例的粉質土呈現淺灰色，較為密實。

3壩基處理方案

3.1方案目標確定

根據專家推薦，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構。其中，振沖碎石置換可以達到土層排水固結加快的效果，當碎石置換率控制在25%~38%時，則能夠大幅度提升強度和模量，施工成本投入較高，且技術應用簡單，具備較多的應用經驗案例。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的使用效果和可行性，本項目選取了相關施工技術指標進行壩基處理效果的對比。試驗流程按如下開展：首先，振沖設備采取德國OMS振沖器，分別為377-75kW，377-130kW兩種型號。進行振沖試驗后獲取施工參數和復合地基處理后的變形模量、抗剪強度、滲透系數、承載強度指標；其次，對不同方案之間的加固效果進行對比，對大范圍應用的設備方案進行確定；最后，需要對振沖施工質量進行必要的檢驗及確定振沖碎石樁法的關鍵性參數（填料數量、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壤土分布范圍較為均勻且厚度較大的區域進行相關試驗。試驗要求如下：1）淤泥質壤土的加固深度控制在5~20m；2）加固后的復合地基整體平均密度需要達到2.2g/cm3以上，孔隙率需要控制在0.28以下；3）復合地基承載力達到250kPa以上，變形模量達到40MPa以上，壓縮系數小于0.25MPa-1，黏聚力大于25kPa，內摩擦角大于25°，滲透系數要大于1×10-3cm/s，整體具備抗液化水平；4）現場試驗按照分區（I區和II區）開展，每個位置進行Municipal·Traffic·WaterResourcesEngineeringDesign市政·交通·水利工程設計100根碎石樁振沖處理。其中，I區采取的振沖器為377-130kW，II區采取的振沖器為337-75kW，兩個位置的樁形布置都為梅花形，其中I區樁間距控制為2m，II區樁間距控制位1.5m[3]。

3.3軟基處理效果

現場振沖試驗結束3周后開展復合地基樁間土工程特性、碎石置換率、樁體質量的檢測，根據N120動力觸探試驗、靜載試驗、標準貫入實驗、室內土工試驗開展要求及內容，如表2所示，進行復合地基相關指標的計算（內摩擦角、變形模量、密度、孔隙率、承載力強度特征值、壓縮系數等），具體如表3所示。根據不同試驗位置的N120動力觸探試驗、靜載試驗、標準貫入試驗、室內物理及力學試驗數據可以看出，通過振沖碎石樁的物理力學作用，復合地基的整體力學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，指標數據結果存在較為明顯的差異性。其中，II區復合地基的承載力特征值和變形模量大于I區，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劃量少，現場都控制在1.3m3/m左右，樁體直徑在施工完成后控制在1.15~1.18m；施工置換率的計算需要根據完成后樁徑及布樁形式來計算，I區、II區置換率分別為0.31和0.52。通過簡要分析可以得出結論，II區比I區的加固效果更好，項目宜采取II區施工方式進行加固。

4結語

在水電工程地基處理中，需要針對多年凍土層、可液化層、淤泥質土層進行相應的物理力學指標分析，選擇合適的地基處理技術及施工方案，技術的應用也要充分結合壩基所處的地形、地質、水文生態情況，以提升復合地基的承載力、變形模量及降低孔隙率和施工成本為重要指標，優化施工技術，為后續的水電工程上部結構提供穩定的地基基礎。

【參考文獻】

[1]浦銳.淺談物探技術在強巖溶地區壩基處理中的運用[J].建材與裝飾,2020(12):2.

[2]何見春.淺談固結灌漿與帷幕灌漿在壩基處理中的應用[J].科技資訊,2013(8):82-83.

[3]倪國俊.振沖碎石樁在水電站厚覆蓋層壩基處理中的應用研究[J].中國水能及電氣化,2019(12):16-19.

作者：潘亞輝 付海峰 劉敏 單位：湖北省水利水電規劃勘測設計院 武漢楚江水利水電工程質量檢測有限公司