大功率振沖器在水電站壩基深厚覆蓋層中的振沖試驗與施工

李全福

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川都江堰 611830)

1 工程概況

魯基廠水電站位于云南省祿勸縣境內,距昆明公路里程 177 km。該電站為普渡河流域梯級開發的一座中型引水式電站,裝機容量 102 MW。工程等別屬Ⅲ等。電站工程區地震基本烈度為Ⅷ度,設計烈度為Ⅷ度。

首部樞紐主要建筑物包括擋水壩、泄水閘、沖砂閘,最大壩高 30 m,除左岸部分混凝土重力壩連接段建于基巖外,其余均建于河床覆蓋層上。因天然地基承載力不能滿足設計要求,擬采用振沖處理形成復合地基,提高壩基河床覆蓋層的地基承載力,以滿足各主要建筑物對地基的要求。

2 工程地質條件

本工程壩址處河床覆蓋層厚度呈“V”型分布,中間厚、兩邊薄,變化范圍從 8.5 ～41.9 m。根據勘探結果,河床覆蓋層大致分為四層(圖 1)。

圖 1 魯基廠水電站大壩壩基地質剖面圖

第一層:0～18 m為含泥砂礫卵石,以卵石為主,次為砂、礫石及粘粉粒,錐形貫入試驗擊數為 6.5～33擊,呈松散 ～稍密狀,天然狀態承載力特征值為 200～300 kPa;

第二層:18～25 m為泥質粉細砂,松散狀,以粉細砂為主,次為粘粉粒,標貫擊數為 4～5擊,稍密狀,天然狀態承載力特征值為 70～80 kPa;

第三層:25～30 m為粉質粘土,可塑狀,標貫擊數為 11～12擊,天然狀態承載力特征值為 150～180 kPa;

第四層:30～35 m為泥質砂礫卵石,中密 ～密實狀,以卵石為主,次為砂礫石及粘粉粒,天然狀態承載力特征值為 350～400 kPa。

3 現場振沖試驗

3.1 試驗目的

(1)確定合理的振沖樁布樁間距、填料級配及數量等參數,以及振沖樁終孔條件。

(2)選定施工機械(主要是振沖器型號)、施工工藝,確定施工技術參數(每 m進尺填量、加密電流、留振時間、造孔水壓、加密水壓、加密段長度等),為大面積振沖施工優選合理的參數。

(3)通過試驗,為壩基振沖加固施工確定現場質量檢測的方法和參數。

3.2 振沖試驗要求達到的設計參數

經過振沖處理后的壩基復合地基承載力特征值:A區≥690 kPa,B區≥500 kPa,振沖后砂卵礫石基礎相對密度≥0.8,提出了相應的壓縮系數及壓縮模量。

3.3 試驗分區及樁位布置(圖 2)

(1)試驗區位置的確定。

表 1 ZCQ-180 kW電動振沖器的技術參數表

圖 2 壩基振沖試驗區布置示意圖

根據地質資料揭示的地層情況以及設計所需的地基承載力要求,在壩址振沖區內選擇具有代表性的區域分別進行振沖試驗。

(2)樁位布置及試驗設備。

A、B區選用 180 k W振沖設備進行施工,等邊三角形布樁,初步擬定樁間距 2.0 m,實際樁間距可通過現場試驗情況由設計進行調整。

(3)樁徑及振沖深度。

振沖礫石樁徑暫按 1 000～1 200 mm考慮,最終通過現場試驗確定。

振沖試驗平臺高程為 1 065.5～1 066.0 m,根據地質鉆探資料初步確定試驗區的振沖深度為23～29 m,各試驗區的振沖深度需結合試驗區原土(砂)地基重(Ⅱ)動力觸探結果以及施工過程中振沖器造孔電流的大小最終確定。

3.4 振沖試驗的實施

3.4.1 試驗選用的主要施工設備

工程試驗實際選用的振沖設備為:180 kW電動振沖器、32 t汽車吊、50 t履帶吊車等。

3.4.2 A試驗區施工

振沖碎石樁現場試驗采用 180 kW電動振沖密實法施工工藝,“直接振沖”施工方案。

施工參數控制:ZCQ-180型電動振沖器造孔電流最大值為 260 A,加密電流 190～210 A;加密留振時間 10～15 s;提升段長控制在 50 cm以內;填料量大于 1.12 m3/m(樁徑大于 1 m);樁長達到設計要求深度;造孔水壓為 0.8～1.3 MPa;密實水壓為 0.6～0.8 MPa;孔間距為 2 m×2 m。

振沖試驗 A區成樁 24根,共計 340.5 m,填料 600.1 m3,平均孔深 14.2 m,平均樁徑 1.25 m。

對于不同密實度的地層,采用不同的振動頻率以提高其振沖器的穿透能力。A區振沖試驗樁全部采用變頻技術穿透密實或塊石地層,效果較顯著。

3.4.3 B試驗區施工

(1)B試驗區現場試驗仍采用 180 kW電動振沖器密實法施工工藝,“直接振沖”施工方案,用以驗證 180 kW電動振沖器是否能夠穿透表層及 11～18 m塊石層。振沖施工控制參數與 A試驗區相同。

在實際振沖造孔過程中多次遇到強透水層及孔口不返水現象。Sb-4-1孔遇塊石長時間沒有進尺且孔口不返水,孔口、孔壁坍塌將振沖器“抱死”,孔深 16.0 m。后來施工的 3孔均未穿透11～18 m塊石層。

(2)鑒于 180 kW電動振沖器無法直接穿透11～18 m塊石層,隨即采用沖擊鉆機引孔穿透塊石層后,再用振沖器造孔至設計深度,然后進行清孔并按技術要求填料振密成樁。振沖造孔至設計深度時,如果振沖器下沉速度仍較快,應繼續造孔至地層較密實為止。該試驗區最大振沖深度達33.50 m。

B試驗區工作面高程為 1 068.8 m,成樁 17根,共計 553.8 m,最大孔深 33.50 m,平均孔深32.58 m,填料 726.1 m3,平均樁徑為 1.12 m。

3.5 振沖試驗成果

A區試驗成果:面積置換率 m=0.39;復合地基承載力特征值 fspk=354.3 kPa;復合地基變形模量 Eop=38.8 MPa。重型觸探檢測成果:振沖樁體密實均勻,振沖后樁間土上部2～4 m為松散、稍密,說明加密效果不明顯。

B區試驗成果:面積置換率 m=0.28;復合地基承載力特征值 fspk=497.92 kPa,復合地基變形模量 Eop=41.1 MPa。。檢測點平臺 高程1 067.00 m。高程 1 062.5 m基礎面的復合地基修正承載力特征值 fa=fspk+ηdγm(d-0.5)=569.92(kPa)。重型觸探檢測成果:振沖樁體密實均勻,振沖后樁間土加密效果顯著。

B試驗區復合地基承載力特征值達到了設計要求,A試驗區復合地基承載力特征值未達到設計要求。B與A區復合地基承載力特征值差距如此之大是因為:①A區表層是粉質粘土,可加密性差,振沖后的樁間土承載力特征值 fspk=185 k Pa;B區表層為砂礫卵石,可加密性強,振沖后的樁間土承載力特征值可達 350～400 kPa。②A試驗區采用振沖器直接振沖成樁工藝,試驗區地層底部均存在滾石、塊石現象,多數試驗孔均未達到設計振沖深度(A區設計深度均為到達基巖面),所以 A試驗區樁體的承載力特征值(620 kPa)也偏低。

3.6 振沖試驗的結論及建議

(1)電站壩基振沖加固范圍內地層中均分布有較多塊石層,振沖器不能直接成孔到設計深度。

(2)采用“沖擊鉆機 +振沖器”振沖施工工藝可以滿足設計及施工要求。

(3)經處理后 B區樁間土承載力有顯著的提高;A區樁間土承載力提高不顯著。

(4)B區處理后的復合地基承載力滿足設計要求(≥500 k Pa),并達到設計要求的處理深度,說明 180 kW電動振沖器及試驗施工參數選擇正確,均滿足設計要求。

A區處理后的復合地基承載力不滿足設計要求(≥690 kPa)。建議:①加密振沖孔間距;②采用“引孔 +振沖器”振沖施工工藝,使振沖孔達到設計深度(基巖面);③適當降低設計復合地基承載力指標。

4 壩基振沖加固施工

4.1 壩基振沖設計范圍及設計要求

壩基振沖設計范圍見圖 2。設計工程量約為70 000 m。設計要求復合地基承載力特征值≥500 k Pa。

Ⅰ區(A試驗區)部分區域(左岸重力壩段)振沖樁孔距為 1.5 m,其它壩段振沖孔距為 2.0 m,上游防滲墻區域與下游消力池及防沖墻部位振沖孔孔距為 2.5 m。

4.2 壩基振沖施工工藝

根據設計要求、地質報告、振沖試驗施工情況和施工工期要求,在施工中采取了以下兩種振沖施工工藝:

(1)電動振沖器直接振沖施工工藝。

直接采用 ZCQ-180型振沖器和液壓振沖器(HD-225)直接造孔后填料振沖加密成樁。適合在工程地質條件較好的部位實施。

(2)旋挖鉆機 +沖擊鉆機 +電動振沖器施工工藝。

①旋挖鉆機挖孔 3.0 m,埋設 φ1 000護壁鋼桶并引孔至塊石層;②沖擊鉆機鉆孔穿透塊石層(一般鉆孔至 20～24 m);③電動振沖器造孔至設計深度并密實成樁。

4.3 壩基振沖施工參數

引孔振沖施工碎石樁的控制參數與振沖試驗參數一樣。

4.4 振沖施工

工程振沖加固施工分兩期進行,自 2007年11月至 2008年 4月全部完成,歷時 5個月,共完成振沖工程量 65 000 m。

在一期振沖施工中,對Ⅰ、Ⅱ區地層上部存在粉質粘土的區域(振后)及時進行了檢測,發現復合地基承載力偏低(342～458 kPa和 478～647 kPa),遂采用液壓振沖器進行直接加密施工。經振沖加密后第三方檢測,復合地基承載力達到578～670 kPa,解決了部分區域加固效果不好、復合地基承載力偏低的問題。

4.5 壩基振沖施工質量檢測成果

工程振沖加固后經第三方檢測,各項指標均達到或超過設計要求,證明振沖加固施工方案正確。

5 結 語

本工程地質條件較復雜,振沖加固處理深度大(最大深度 33.5 m),180 kW電動振沖器不能穿透塊石地層。采用鉆機引孔加振沖器振沖的施工工藝,解決了地質條件復雜、振沖處理深度大的難題。

180 k W電動振沖器是我國目前生產的最大功率的電動振沖器,本工程是第一次大規模使用。180 kW電動振沖器配備變頻器共同使用,較大程度地提高了振沖器穿透較密實地層的能力;同時,振沖器在造孔和密實過程中通過對振沖電流的實時監控,在振沖電流突變時及時調整供電頻率,解決了振沖器突然跳閘的機率;即使跳閘,通過變頻器重新啟動振沖器也變得較為容易。

180 kW電動振沖器由于激振力比較大,其減震構件和聯結螺栓經常出現損壞和松脫現象,振沖器的電機也較易燒毀。這一點有待于振沖器生產廠家進一步完善。

本工程在河床砂卵礫石層引進旋挖鉆機進行鉆孔施工,其施工工效遠高于沖擊鉆機鉆孔工效,較大程度的解決了本工程工程量大、工期緊的問題。同時,也為旋挖鉆機在砂卵礫石地層中的鉆孔技術積累了經驗。

[1] 水電水利工程振沖法地基處理技術規范,DL/T5214-2005[S].

[2] 建筑地基處理技術規范,JGJ 79—2002[S].

[3] 建筑地基基礎設計規范,GB 50007-2002[S].