振沖碎石樁在金康水電站中的應(yīng)用

蘇瑋

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

金康水電站位于四川省甘孜州康定縣境內(nèi)的大渡河一級(jí)支流金湯河上，系金湯河梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃的最末一級(jí)電站，為低閘引水式開發(fā)。工程主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等建筑物組成。水庫具有日調(diào)節(jié)性能，水庫正常蓄水位高程為1974 m，死水位高程為1969 m，電站裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量150 MW。

首部樞紐建筑物從右至左依次布置了右岸擋水壩段、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、1孔排污閘、左岸擋水壩段及取水建筑，取水建筑由取水口和進(jìn)水閘室組成。閘壩壩頂高程為1976 m，閘壩壩頂全長(zhǎng)約94.91 m，最低建基面高程為1956 m，最大壩高20 m。閘、壩基礎(chǔ)均建于河床覆蓋層上，河床覆蓋層最深達(dá)90 m 以上。

2 工程地質(zhì)條件

金康水電站首部樞紐閘壩基礎(chǔ)河床覆蓋層深厚(大于90 m)，按其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)自下而上可劃分為3層，主要由Ⅰ層:漂(塊)卵(碎)礫石夾沙土(fglQ3)，Ⅱ-①層:粉質(zhì)壤土(lQ4)、Ⅱ-②層:粉細(xì)沙(lQ4)和Ⅲ層:含卵礫石沙土層(alQ4)組成。基礎(chǔ)持力層為Ⅲ層含卵礫石沙土層(該層總體結(jié)構(gòu)較松散，鉆孔注水試驗(yàn)滲透系數(shù)K=8.06×10-3cm/s，具中等透水性)和Ⅱ?qū)拥姆奂?xì)砂及粉質(zhì)壤土層(該層室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果表明K=1.97×10-4～4.82×10-5cm/s，具弱透水性。)，屬軟基建閘。Ⅲ層沖積層顆粒較細(xì)，結(jié)構(gòu)不均一，局部為架空結(jié)構(gòu)，允許承載力［R］=0.25～0.3MPa，壓縮模量Es=25～30 MPa，其承載力和抗變形能力較低;Ⅱ?qū)右苑奂?xì)砂、粉質(zhì)壤土為主，允許承載力［R］=0.1～0.12 MPa，壓縮模量Es=3～5 MPa，其承載力和抗變形能力低，不能滿足閘壩基礎(chǔ)要求。閘基覆蓋層地基各層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成因類型不同，顆粒大小懸殊，結(jié)構(gòu)不均一，各層物理力學(xué)性質(zhì)、透水性和抗?jié)B穩(wěn)定性差異較大，存在閘基滲漏、滲透變形、不均勻變形等問題且Ⅱ、Ⅲ層均屬于液化土。

閘址區(qū)覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

由于閘址位于高地震區(qū)，且為深厚覆蓋層上修建的閘壩，成層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各層物理力學(xué)性能、透水性和抗?jié)B穩(wěn)定性能差異較大，存在閘基滲漏、滲透變形穩(wěn)定和不均勻變形等問題且Ⅱ、Ⅲ層均屬于液化土。因此，為防止地基內(nèi)砂土在地震力作用下發(fā)生液化以及地基的不均勻沉陷，必須進(jìn)行閘基防滲和閘基加固處理，以滿足閘壩基礎(chǔ)承載力要求。

3 閘壩基礎(chǔ)處理方案選擇

3.1 地基處理方法

目前地基處理的方式主要有:挖基回填夯實(shí)、挖基回填混凝土、強(qiáng)夯基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、挖孔樁基礎(chǔ)、振沖碎石樁、高壓旋噴樁基礎(chǔ)和基礎(chǔ)灌漿等方式。

(1)挖基回填夯實(shí)。

對(duì)于承載力不夠的地基，采用挖出松散土至合格土層、再回填合格土夯實(shí)的方法。該方法主要適合于挖填土工程量不大的基礎(chǔ)處理。

(2)挖基回填混凝土。

挖基回填混凝土的方法是挖出松散土至設(shè)計(jì)承載力層后再回填混凝土。該方法的原理是因地基承載力不夠，采用混凝土回填基礎(chǔ)以加大地基承載面積，適用于地基承載力差異不大且不液化或地震烈度低的地基。

表1 閘址覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

(3)強(qiáng)夯基礎(chǔ)。

強(qiáng)夯基礎(chǔ)是采用強(qiáng)夯設(shè)備對(duì)地基進(jìn)行強(qiáng)夯加密，以提高地基承載力。一般強(qiáng)夯加密的深度在7 m 以內(nèi)。因此，地基強(qiáng)夯主要是用于基礎(chǔ)淺層處理，且為具有可夯性的、含有一定粘性的砂礫石土。

(4)樁基礎(chǔ)。

樁基礎(chǔ)是利用打樁機(jī)將預(yù)制的樁打入地基。由于水電工程是在河道上修建建筑物，主要需處理河床軟基，而這類基礎(chǔ)一般多含漂、卵石，樁基無法打入。因此樁基礎(chǔ)主要用于工民建。

(5)挖孔樁基礎(chǔ)。

挖孔樁基礎(chǔ)是采用先挖孔再澆鋼筋混凝土樁，適用于對(duì)地基承載面積不大，承載力要求較高且基礎(chǔ)土體含有大的漂卵石的地基，主要用于工民建。

(6)振沖碎石樁。

振沖碎石樁施工是利用振沖設(shè)備對(duì)地基震動(dòng)形成空洞的同時(shí)，碎石沿振沖器一起進(jìn)入土體對(duì)土體進(jìn)行加密。由于所形成的振沖樁具有一定的滲透性，加快了土體的排水，使土體加快固結(jié)，可防止土體液化，提高承載力。目前，國(guó)內(nèi)振沖樁最大深度已達(dá)到近30 m，因此，振沖樁主要適用于軟弱液化地基的處理。

(7)高壓旋噴樁基礎(chǔ)。

高壓旋噴樁處理地基是利用高壓旋噴設(shè)備在將孔打到設(shè)計(jì)深度后，鉆頭噴槍在旋轉(zhuǎn)噴射混凝土漿液的同時(shí)將鉆桿逐漸提出，使鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的土體被混凝土漿液固結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度的樁體。主要適用于覆蓋層深度較深、具有一定滲透性的砂礫石地基。

(8)基礎(chǔ)灌漿。

基礎(chǔ)灌漿是在破碎巖石基礎(chǔ)中采用混凝土灌漿，將破碎巖石膠結(jié)成整體，既提高了基礎(chǔ)的強(qiáng)度，又防止了基礎(chǔ)滲漏，一般用于巖石基礎(chǔ)處理。在土石壩中主要用于對(duì)地基灌漿以形成帷幕，帷幕與大壩和防滲墻一起形成防滲體。

3.2 本工程地基采用的處理方法

本工程等級(jí)為Ⅲ等，永久性擋水、泄水建筑物按3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的水閘設(shè)計(jì)規(guī)范要求，由閘址區(qū)的地質(zhì)條件和閘壩的受力特點(diǎn)確定該基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)的基本原則是:

(1)滿足閘基及兩岸土體的滲透穩(wěn)定，減少繞壩滲漏，控制滲流量為枯水期多年平均來水量的1%左右。

(2)防滲帷幕的布置和深度應(yīng)伸入到透水率不大于5 Lu 的巖層內(nèi)3～5 m 并與防滲墻布置協(xié)調(diào)一致。

(3)為解決閘、壩基礎(chǔ)的抗液化能力，需提高基礎(chǔ)承載能力，減少建筑物的不均勻沉降。

根據(jù)樞紐布置，除岸邊壩段外，閘、壩基礎(chǔ)均置于河床覆蓋層上。鑒于閘址主河槽覆蓋層深度大于90 m ，基礎(chǔ)持力層主要集中在Ⅱ、Ⅲ層，且Ⅱ、Ⅲ層又屬于液化土范疇，為此，要解決閘、壩基礎(chǔ)的抗液化能力，必須提高基礎(chǔ)的承載能力，以減少建筑物的不均勻沉降。

由于本工程閘、壩基礎(chǔ)均屬深厚覆蓋層基礎(chǔ)，抗震能力差，屬液化土，且工程區(qū)域在高地震烈度區(qū)域，基礎(chǔ)處理主要解決地基承載力并提高抗震能力。根據(jù)上述各種地基處理方法的適用性，選擇振沖碎石樁對(duì)地基進(jìn)行處理。

4 大功率振沖器的試驗(yàn)成果

采用振沖碎石樁對(duì)砂層地基進(jìn)行加固是本工程砂層抗液化理想的處理方法，振沖法對(duì)砂類土具有良好的擠密作用，是國(guó)內(nèi)外消除地基液化的有效方法。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，常采用的振沖器功率為75 kW、100 kW。由于金康水電站閘壩基礎(chǔ)地層復(fù)雜和樁深較大，特別是振沖處理基礎(chǔ)部分表層含有大塊漂石層，需要使用更大功率的振沖器進(jìn)行造孔制樁。金康水電站在國(guó)內(nèi)首次采用功率125 kW 的振沖器進(jìn)行大面積的閘壩基礎(chǔ)處理。但是，使用功率125 kW 振沖器的施工經(jīng)驗(yàn)還不成熟，對(duì)含大塊漂石層的地層造孔仍很困難，振沖器不能穿過，因此，設(shè)計(jì)人員從施工工期和振沖方案可行性方面考慮，設(shè)計(jì)開挖除去基礎(chǔ)部分表層所含的大塊漂石后再進(jìn)行振沖法地基處理。

在閘基、海漫等建基面分別進(jìn)行了不同樁間距的振沖碎石樁生產(chǎn)性試驗(yàn)，按兩個(gè)等邊三角形組成平行四邊形布置，試驗(yàn)成果見表2、3。

表2 振沖碎石樁單樁、樁間土靜載荷試驗(yàn)成果表

表3 振沖碎石樁標(biāo)貫(N63.5)、重力觸探(N120)、地震波檢測(cè)成果表

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)成果表明，經(jīng)采用振沖置換法加固地基后，復(fù)合地基承載力、壓縮模量都得到較好的改善，首部樞紐主要建筑物基礎(chǔ)經(jīng)過振沖碎石樁處理后達(dá)到了地基抗液化的各項(xiàng)指標(biāo)，防止了地層在地震情況下發(fā)生液化。

5 閘壩基礎(chǔ)振沖碎石樁的布置設(shè)計(jì)

根據(jù)基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)原則，對(duì)首部樞紐各部位基礎(chǔ)采用直接振沖置換法進(jìn)行加固處理。閘室、擋水壩、進(jìn)水口、鋪蓋、護(hù)坦基礎(chǔ)振沖碎石樁間排距均為2 m，海漫基礎(chǔ)振沖碎石樁間排距為2.5m，按梅花形樁位布置，振沖樁的平均樁徑為1.2 m。

6 閘壩基礎(chǔ)沉降分析與評(píng)價(jià)

根據(jù)首部樞紐的布置及分縫，劃分為泄洪閘部分，沖沙閘、排污閘部分和左、右擋水壩部分，考慮的工況為正常蓄水位工況和完建工況，并進(jìn)行了相應(yīng)的沉降計(jì)算。計(jì)算成果見表4。

綜合分析以上計(jì)算結(jié)果，在地基處理之前，在完建和正常蓄水兩種工況下，閘室的沉降量和沉降差均不滿足規(guī)范要求。閘壩基礎(chǔ)經(jīng)振沖碎石樁處理后，粉細(xì)砂層和粉質(zhì)壤土層的壓縮模量由處理前的4 MPa 提高到27 MPa。經(jīng)計(jì)算，閘室最大沉降量為9.59 cm，最大沉降差為3.62 cm，兩種工況下閘室的沉降量和沉降差均比較小。建基面允許承載力由處理前的0.28 MPa 提高到0.36 MPa，均大于建筑物基礎(chǔ)應(yīng)力。經(jīng)振沖加固處理后，有效地減少了地基沉降，使沉降差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，首部樞紐主要建筑物基礎(chǔ)經(jīng)過振沖碎石樁處理后達(dá)到了地基抗液化的各項(xiàng)指標(biāo)(表4)。

表4 閘、壩基礎(chǔ)處理前、后沉降計(jì)算成果表

7 結(jié)語

目前，對(duì)基礎(chǔ)處理采用的方法和適用性還少有系統(tǒng)介紹，特別是振沖碎石樁的應(yīng)用，過去由于受設(shè)備能力的影響，振沖樁的處理深度不夠，工程應(yīng)用較少。隨著工程設(shè)備制造技術(shù)的提高，振沖碎石樁的技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，筆者通過金康水電站首部樞紐在采用大面積、大功率深孔振沖碎石樁穿過砂卵礫石沙土層進(jìn)行地基處理的實(shí)際成果，系統(tǒng)介紹了各種地基處理的方法和適用性，并著重介紹了振沖碎石樁技術(shù)。對(duì)地基處理，特別是振沖碎石樁技術(shù)的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。