振沖技術在羊坪水庫除險加固設計中的運用

張麗芬 譚乃元

(麗江市水利水電勘察設計研究院 云南麗江 674100)

1 前言

羊坪水庫位于云南省麗江市永勝縣境內,總庫容為3799萬m3,于1957年動工興建,1976年完工。大壩施工期長達19年。上壩土料在高程2528～2530m以下為亞粘土,碾壓質量尚可。以上致壩頂以亞粘土為主,兼有大量風化料上壩,碾壓質量差。

該水庫1997年作病險鑒定,2003年除險加固完畢。原狀壩坡上游平均坡比1∶2.9,下游平均坡比1∶2.63。工程地處高烈度地震區 (地震設防烈度為9°)。原設計未作抗震設防,導致已建壩坡過陡。根據大壩原狀土試驗資料作原壩體穩定復核,得知上下游壩坡均不滿足抗震設防要求。需對壩體作抗震加固設計。因地形條件限制,經多方案比較,可行性研究及初步設計階段,上級有關部門批文:“壩軸線不移動,上游振沖加固,下游培厚放緩壩坡”為羊坪水庫大壩除險加固方案。技施設計階段經進一步的方案比較,認為利用振沖技術加固上游壩腳長達40年的淤積層,再培厚壩坡是增加該工程上游壩坡抗滑穩定性的最佳辦法,并報上級有關部門批準。該方案實施后,經過近五年的運行,效果良好。庫盆淤積層中振沖置換用于水庫大壩除險加固設計在云南省是首家。本文僅就上游振沖加固設計作介紹。

2 地質概況

壩址海拔高程2520m,大壩為均質土壩,壩頂總長167m,寬7m,壩前水庫淤積層厚約13m。壩址區出露的地層主要為三迭系上統玄武巖中段(P2β2)致密狀、氣化狀、杏仁狀、角閃狀玄武巖。河床及兩岸分布有第四系沖積、坡積層。玄武巖層面產狀290～320∠50°～70°。由于受中羊坪斷裂 (F3)的影響,巖石破壞及風化程度更高。由于巖石礦物成份的不均一和熱液影響程度的不同,巖石出現明顯的差異性風化,其中角閃玄武巖風化程度最高。壩基砂礫石層厚約0.5～4m,砂礫層以下是全風化玄武巖厚1～6m。壩基為透水地基,除險加固設計已考慮作圍幕灌漿處理。

水庫運行近40年,庫前淤積高程已達2533m,淤積層厚約13m。在可研和初設階段,對庫區泥沙淤積層雖作了研究,但只掌握了泥沙的淤積厚度及淤積形態,而且由于當時庫水位較高,沒有對泥沙進行取樣試驗。技施設計階段,利用水庫新建輸水隧洞施工、水庫完全泄空的條件下在壩前左、右岸的淤積層中進行了取樣試驗。本次一共取了6組原狀土樣,經試驗其物理力學性指標算術平均值為:干容重1.04t/m3,濕容重1.7t/m3,內摩擦角9.62°,凝聚力1.18t/m2；小值平均值為:干容重0.96t/m3,濕容重1.64t/m3,內摩擦角8.69°,凝聚力10.99t/m2。根據試驗資料淤積層為褐紅色高液限重粘土,其粉粒和粘粒含量分別為47.32%和55.7%,天然含水量W=64.19%,液限WL=51.65%、塑限 WP=25.67%,塑性指數 IP=25.98、液性指數IL=1.48,表層呈流塑狀。雖然土樣取樣深度只為0.5～0.8m,但因泥沙成因、顆粒組成、沉積環境、沉積條件都相似。且隨著沉積時間的長短,泥沙固結程度也不相同,下層土的固結度要比上層土好,其物理力學指標也應高于上層土的物理力學指標。試驗土樣主要取自上層土,設計中取用算術平均值是偏安全的。

3 振沖加固設計機理

3.1 振沖法加固軟土的作用機理

振沖加固軟性土時的作用機理主要指復合地基(土體)作用,即通常講的復合地基的作用機理。

3.1.1 碎石樁在復合地基中的工程特性

所謂振沖置換就是利用振沖器在軟弱的粘性土地基 (土體)中成孔,再在孔內分批填入碎石或堅硬的材料制成一根根樁體。這些樁體與原來的粘性土組成一個整體,共同承受外部荷載,這就是所謂的復合地基。復合地基比原來地基承載能力高,壓縮性小。習慣上稱這種加固技術為振沖置換法或碎石樁法。

很顯然,復合地基中,由振沖器制成的樁體的物理力學性能直接關系到復合地基的物理力學性能。因此,探討復合地基中樁體的工程特性是研究復合地基工程特性的關鍵所在,在復合地基中樁體的主要工程特性如下。

視樁體為柔軟體,這種情況是指被加固地基軟土層很厚,樁體打不到相對硬層,這時復合地基(土層)與相對硬層不直接接觸。此時,樁土變形基本相容。復合地基實質上主要起著墊層的作用。墊層能將荷載引起的應力向周圍橫向擴散,使應力分布趨于均勻,從而可提高地基整體承載力,減少沉降量。

視樁體類似剛性體。這種情況是指被加固地基軟土層不很厚,使復合土層與其下臥層相接觸,此時,復合土層的樁體可將荷載通過樁體直接傳至下臥層。樁體的效應較前種明顯增大。

在復合地基中的碎石樁之所以能成為樁體,完全是靠四周土體擠壓,嚴格地講,碎石樁是被嵌入土中的,因此,它在受力過程中必須與四周土體共同作用。故碎石樁就其本質而言它是地基的一部分。

碎石樁在受力過程中可以適應較大的變形,與剛度很大的鋼筋混凝土相比,它是一種 “柔性樁”。

碎石樁是嵌固在土體中的散粒體樁,當碎石樁頂部承受荷載后,樁體就會產生側向膨脹。而樁四周土體會阻止碎石樁的側向膨脹。因此,碎石樁的承載力受四周土體的制約。

復合地其中樁體是由碎石、礦楂、礫石以及中粗砂等硬骨料制成。因此,在復合地基中由散粒體形式的樁體一般都具有較好的透水性。

3.1.2 振沖碎石樁法在壩體抗滑穩定中的作用機理

通過對羊坪水庫現有壩體原狀土試驗成果作整理,原壩土力學指標的小值平均值為φ=24°,C=24kPa；物理性指標的平均值r濕=1.82t/m3,r飽=1.85t/m3。壩前淤積層物理力學性指標算術平均值為:干容重1.04t/m3,濕容重1.7t/m3,內摩擦角9.62°,凝聚力1.18t/m2。采用此指標并考慮上游淤積層的有利影響,對原壩體作穩定復核得知:當正常水位遇9°烈度地震；三分之一壩高水位遇9°烈度地震；驟降水位遇9°烈度地震。三種工況下,上游壩坡的最小穩定安全系數均小于規范要求,壩坡有滑動的危險。

原壩土物理力學性質一般,粘粒含量高,滲透性能差,含水量高,承載能力較低,壩坡較陡,必將在遇地震時引起壩坡滑動。另外,當庫水位驟降時,外部水壓力消失,而內部滲透水壓力并未降低,內外荷載失去平衡,最易導致壩坡失穩。

羊坪水庫可研、初設階段采用振沖碎石樁,不但以強度較高的碎石體置換了部分強度較低的土體,樁土共同作用構成復合土體,使物理力學指標有所提高,同時,碎石樁群的強透水性還可以較快有效地降低因庫水位驟降產生的附加孔隙水壓力,降低導致壩坡失穩的滑動力,從而達到穩定壩體的目的。羊坪水庫技設階段采用振沖碎石樁,主要是以強度較高的碎石體置換了部分強度較低的土體,樁土共同作用構成復合土體,形成復合基礎,在此基礎上培厚壩坡,不僅增加阻滑力,穩固壩坡,還為培厚壩坡穩固了基礎,從而徹底消除壩坡不穩的隱患。

3.1.3 振沖碎石樁法在羊坪水庫上游壩坡抗滑穩定中的作用

羊坪水庫初設階段,振沖的主要作用是置換土體和降低附加孔隙水壓力。羊坪水庫技設階段,振沖的主要作用是加固基礎和置換土體。

4 羊坪水庫振沖加固設計方法

4.1 初步設計階段的設計方法

羊坪水庫初設階段,上游庫水位較高,上游淤積層無法取樣試驗,淤積情況不明。設計的最可靠方案就是上游壩坡振沖置換法。該方案雖然最后沒有取用,但經過可行性研究設計和初步設計兩個階段的多次反復試算,通過了省水利廳專家組的評審,積累了一定經驗,總結出來和同行探討。

4.1.1 結構布置

根據大壩原壩體穩定分析成果,找出各種計算工況下最危險滑弧位置,滑弧底部大約三分之二的區域定為振沖區前后的范圍,反復調整計算,找出抗滑穩定最小安全系數不滿足要求的部位,據此按一定的坡度定出振沖邊界,從而得出壩坡最大斷面的振沖區范圍。

對不同的壩高斷面作原壩體穩定分析,得知,當壩底高程為2548.00m時,原壩斷面已滿足穩定要求。壩底高程為 2550.00m以上的斷面無需振沖,據此定出平面上壩的振沖范圍。

振沖碎石樁按正三角型布孔,樁徑1.15m,面積置換率 40%。初定樁距為 1.79m,排距為1.5m。準確樁間距由振沖試驗最后確定。

4.1.2 振沖加固設計計算

穩定分析采用圓弧分析計算。在圓弧分析法中,假設滑動面呈圓弧形。在圓弧滑動面上,總剪切力記為T,總抗前切力記為S,則沿該圓弧滑動面發生滑動破壞的安全系數為K=S/T。

取不同的圓弧滑動面,可得到不同的安全系數值,通過試算可以找到最危險的圓弧滑動面,并以此確定最小安全系數值。

在圓弧分析法計算中,假設的圓弧滑動面往往經過加固區和未加固區。土體的強度分區計算,加固區和未加固區采用不同的強度指標。加固區土體強度指標采用復合土體綜合強度指標。

復合土體綜合強度指標采用面積比法計算。復合土體粘聚力Csp和內摩擦角Фsp用下列二式表示。

式中:Cs、Cp分別為樁間土和樁體的粘聚力；m為碎石樁置換率；ФS、ФP分別為樁間土和樁體的內摩擦角。

設計選用75kW振沖器,成樁直徑取1.15m,樁體碎石填料用新鮮玄武巖加工。

(1)樁距、排距

m=As/A ； A=I1/I2； m=40%

計算求得I1=1.73m； I2=1.5m

式中 ,A為一根碎石樁負擔的面積,As為一根碎石樁面積,I1為樁距,I2為排距。

(2)振沖區物理力學指標

振沖前原壩土干容重r干 =1.29t/m3,濕容重r濕=1.82t/m3,玄武巖填料r干 =2.0t/m3,濕容重r濕=2.15t/m3。

經計算振沖復合土體rsp干 =1.57t/m3,rsp濕=1.95t/m3。

振沖前原壩土 Фs=24°,Cs=29.4kPa；碎石填料 Фp=38°,Cp值按無凝聚力材料考慮。

計算得復合土體的力學指標為 Фsp=30.09°,Csp=17.64kPa。

4.1.3 振沖填料要求

振沖樁體材料需用新鮮玄武巖石料,粒徑2～10cm,要求級配良好,不宜用單級配材料。

4.1.4 振沖效果分析

從設計成果比較,振沖后,復合土體的物理性指標較原來增加28.8%,凝聚力C值較原來減少40%。

相同情況下,壩體最小穩定安全系數較原來增加17.5%至25%。振沖后的壩體最小穩定安全系數已能滿足規范要求。

4.2 技施設計階段的設計方法

技施設計階段,利用水庫新建輸水隧洞施工、水庫完全泄空的枯水期在壩前左、右岸的淤積層中進行了取樣試驗。經分析、計算、比較,認為利用振沖技術加固上游壩腳長達40年的淤積層,再培厚壩坡是增加該工程上游壩坡抗滑穩定性的最佳辦法。該方案還得到了云南省有關部門的批準。

4.2.1 結構布置

根據大壩原壩體穩定分析成果,找出各種計算工況下最危險滑弧位置,滑弧底部壩腳區域定為振沖區前后的范圍,按不同的振沖置換率及其他振沖置換參數、不同的置換區域反復調整計算,找出抗滑穩定最小安全系數不滿足要求的部位,據此定出振沖邊界,從而初步得出壩腳於積層最大斷面的振沖區范圍。

在此基礎上再培厚壩坡,進一步作壩體穩定分析,以確定培厚壩坡的坡度并校核振沖復合土體的承載力,調整確定壩腳於積層最大斷面的振沖區范圍。振沖復合土體作上壩腳基礎,不僅增加阻滑力,穩固壩坡,還為培厚壩坡穩固了基礎。

對不同的壩高斷面作原壩體穩定分析,得知,當壩底高程為2548.00m時,原壩斷面已滿足穩定要求。壩底高程為2550.00m以上的斷面無需加固,不必振沖,據此定出平面上壩的振沖范圍。

振沖碎石樁按正三角型布孔,樁徑1.15m,面積置換率 27.96%。初定樁距為 1.8m,排距為1.56m。準確樁間距由振沖試驗最后確定。

4.2.2 振沖加固設計計算

穩定分析采用圓弧分析計算。在圓弧分析法中,假設滑動面呈圓弧形。在圓弧滑動面上,總剪切力記為T,總抗前切力記為S,則沿該圓弧滑動面發生滑動破壞的安全系數為K=S/T。

取不同的圓弧滑動面,可得到不同的安全系數值,通過試算可以找到最危險的圓弧滑動面,并以此確定最小安全系數值。

在圓弧分析法計算中,假設的圓弧滑動面往往經過加固區和未加固區。土體的強度分區計算,加固區和未加固區采用不同的強度指標。加固區土體強度指標采用復合土體綜合強度指標。

復合土體綜合強度指標采用面積比法計算。復合土體粘聚力Csp和內摩擦角Фsp用下列二式表示。式中:Cs、Cp分別為樁間土和樁體的粘聚力；m為碎石樁置換率；ФS、ФP分別為樁間土和樁體的內摩擦角 。

設計選用75kW振沖器,成樁直徑取1m,樁體碎石填料用新鮮玄武巖加工。

(1)樁距、排距。計算求得I1=1.8m； I2=1.56m

式中,A為一根碎石樁負擔的面積,As為一根碎石樁面積,I1為樁距,I2為排距 。

(2)振沖區物理力學指標。

振沖前原淤泥濕容重r濕=1.64t/m3,飽和容重 r飽 =1.55t/m3,玄武巖填料r干 =2.0t/m3,濕容重r濕 =2.15t/m3。

經計算振沖復合土體rsp濕 =1.77t/m3,rsp飽 =1.70t/m3。

振沖前原淤泥 Фs=9.62°,Cs=11.8kPa；碎石填料Фp=38°,Cp值按無凝聚力材料考慮。

計算得復合土體的力學指標為 Фsp=18.8°,Csp=8.5kPa。

4.2.3 振沖填料要求

振沖樁體材料需用新鮮玄武巖石料,粒徑2～10cm,要求級配良好,不宜用單級配材料。

4.2.4 振沖效果分析

從設計成果比較,振沖后,復合土體的物理性指標較原來增加8%～10%,內摩擦角增加95.43%,凝聚力C值較原來減少27.97%。

相同情況下,壩體最小穩定安全系數較原來增加17.5%至25%。振沖后的壩體最小穩定安全系數已能滿足規范要求。

羊坪水庫2003年投入使用,運行六年的檢驗,證明用振沖法加固上游壩腳淤積層,穩定可靠。

5 結論

應用振沖法加固土壩及壩腳淤積層具有如下優點:

(1)施工簡單,效果顯著。

(2)振沖法施工機具十分簡單,維修方便,易于操作,這就為大量采用該法提供了極好的條件。經振沖加固的土石壩具有較好的安全性。

(3)振沖填料一般可就地取材。在進行了各種加固方法比較后發現,振沖法加固的費用是較低的。

運行多年的病險水庫,淤積層較厚,上游壩腳需要加固時,使用振沖加固法是方便有效的方法,此法在云南省永勝縣羊坪水庫除險加固工程中已得到成功運用。