哈達山樞紐工程擋水土壩壩基抗液化處理的對比研究

梁滿福，張 偉，劉偉洋

(中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130062)

0 引言

哈達山水利樞紐工程位于第二松花江下游河段，由壩區樞紐工程、防護區工程和輸水工程組成，為大(Ⅱ)型，水庫總庫容5.45×108m3，電站裝機容量為27.6 MW，擋水土壩壩頂全長1 930.40 m，壩頂高程146.00 m，壩段最低建基高程133.00 m，粘土均質壩最大壩高13.00 m，壩頂寬為10 m。

該區位于松遼平原之松嫩平原的東南部，在差異性升降運動等新老的構造控制作用下，形成了以臺地為代表的剝蝕堆積地形和以崗地漫灘為代表的堆積地形兩大成因類型，而河流侵蝕與堆積、風蝕與風積等近代地質作用構成了本區的沖洪積、沖湖積、冰水堆積平原、沖積湖積平原和河谷平原三個明顯階梯。工程區地震動峰值加速度為0.2 g，相應地震基本烈度為Ⅷ度。土壩抗震設防烈度為Ⅷ度。

擋水壩段第四系地層巖性為:

中砂 黃褐—灰綠色，濕—飽和，松散—中密，層厚10.0～12.0 m。

礫質粗砂 灰綠色，飽和，中密，層厚1.00～1.50 m，較連續分布在中砂之下。

鑒于勘察階段判定擋水土壩段處于飽水狀態下的砂土地基存在地震液化問題，故需對處于飽水狀態下的砂土地基進行抗液化處理，初步擬定抗液化處理方案為:①振沖樁加密;②強夯。為選擇適宜的抗液化處理方案及選擇合理的施工技術參數，于土壩段選擇了一有代表性的地段作為試驗區進行了不同抗液化處理方案的試驗，以比較各抗液化處理方案的處理效果及可行性，為整個壩基抗液化處理施工提供依據。

1 方案布置［1］

本次抗液化處理試驗區選在土壩段一期基坑圍堰內，試驗區的地下水類型為第四系松散層中的孔隙潛水，水位埋深1.1～2.6 m，試驗包括振沖樁試驗和強夯試驗兩種方法。

振沖樁試驗區:試驗深度選用7 m、8 m、10 m 和12 m四種形式，樁位布置均采用等邊三角形，邊長2 m(施工過程中局部調整為1.8 m)。詳見圖1。

振沖樁試驗在施工初期，通過對地面沉陷量的測量，經過統計后，確定施工參數為:①7 m 區和12 m 區分二遍振密和三遍振密兩個區域，8 m 區和10 m 區均為三遍振密。②4 m 以下加密電流控制在85A 以上，4 m以上加密電流控制在65A。③造孔水壓控制在0.5～0.6 MPa，加密水壓控制在0.2～0.4 MPa。④在12 m 區域調整15 根樁為1.8 m 樁距。

強夯試驗區:范圍為30 m×30 m，夯點布置采用5 m×5 m，強夯試驗采用點夯兩遍和滿夯一遍的強夯施工方案，中間插點進行二遍夯。詳見圖2。

1.1 點夯施工參數

(1)單點夯擊能:4 000 kN·m;

(2)采用隔行不隔點方式施工，每夯點夯擊3～5擊;

(3)最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm、100 mm，可連續進行兩遍夯擊。

1.2 滿夯施工參數

(1)單點夯擊能1 000 kN·m，每點2 擊;

(2)對場地進行全面積滿夯，錘印相切。

圖1 振沖樁試驗區檢測點布置圖Fig.1 Arrangement diagram of monitoring points in vibrosinking pile experiment plot

圖2 強夯試驗區檢測點布置圖ig.2 Arrangement diagram of moniroring points in dynamic compaction test area

針對本次土壩地基抗液化處理的試驗方案，布置了抗液化處理試驗檢測方案如下:

①抗液化試驗處理前。在振沖樁試驗區內布置標準貫入試驗檢測點5 個，表部相對密度檢測點3 個。強夯試驗區內布置標準貫入試驗檢測點3 個，表部相對密度檢測點3 個。

②抗液化試驗處理后。在7 m 振沖樁試驗區內布置標準貫入試驗檢測點3 個(其中3 遍加密區1 個，2遍加密區2 個)，表部相對密度檢測點3 個;在8 m 振沖樁試驗區內布置標準貫入試驗檢測點3 個;在10 m振沖樁試驗區內布置標準貫入試驗檢測點3 個;在12 m振沖樁試驗區內布置標準貫入試驗檢測點6 個(其中3 遍加密區2 個，2 遍加密區4 個)，表部相對密度檢測點3 個。在強夯試驗區內布置標準貫入試驗檢測點3 個，表部相對密度檢測點3 個。

2 檢測工作

在振沖樁試驗區內及強夯試驗區內分別取樣進行了天然砂層(為中砂)的相對密度及相關物性指標的試驗測試工作，同時對不同的試驗區分別進行了原位標準貫入試驗，并對有壓重和無壓重兩種情況分別進行了液化評價。

在振沖樁試驗區內(7 m 深度區及12 m 深度區)及強夯試驗區內分別對表部砂層取樣進行了試驗后砂層的相對密度及相關物性指標的試驗、測試工作，同時對強夯試驗區和不同深度(7 m、8 m、10 m、12 m)的振沖樁試驗區及其不同的施工參數區分別進行了原位標準貫入試驗，并對有壓重和無壓重兩種情況分別進行了液化評價。

2.1 取樣試驗

見表1。

2.2 實測標貫擊數與深度關系

處理前后不同深度(7 m、8 m、10 m、12 m)的振沖試驗區實測標貫擊數與深度關系見圖3－圖6。

3 結果分析

3.1 振沖試驗

3.1.1 7 m 深度試驗區

振沖處理前后相關數據對比見表2、表3、表4。

圖3 振沖試驗12 m 深度區實測標貫擊數與深度關系曲線圖Fig.3 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 12 m depth zone

圖4 振沖試驗10 m 深度區實測標貫擊數與深度關系曲線圖Fig.4 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 10 m depth zone

從表2 可以看出，在經過振沖試驗處理后，上述天然密度、天然干密度及相對密度均得到一定的提高，根據《水利水電工程地質勘察規范》，地震設防烈度為八度時，液化臨界相對密度為75%，處理后的相對密度仍小于此數，雖然上述指標均有一定程度改善，但效果并不理想，表明該種試驗方案對表部1.5 m 深度范圍內砂層處理效果不佳。

表1 抗液化試驗處理前、后試驗區表部砂層檢測項目成果(平均值)Table 1 Results of testing item of sand layer before and after anti-liquefaction test

表2 7 m 試驗區抗液化試驗處理前、后表部砂層相關物性指標分析對比表Table 2 Comparative analysis of related physical index before and after anti-liquefaction test in 7 m test area

表3 7 m 試驗區抗液化試驗處理前、后砂層液化分析對比表(不考慮壓重情況下，對比深度1.65～6.65 m)Table 3 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 7 m test area(not considering weighting)

表4 7 m 試驗區抗液化試驗處理前、后砂層液化分析對比表(考慮壓重情況下，對比深度1.65～6.65 m)Table 4 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 7 m test area(comsidering weighting)

從表3 可以看出，該試驗區同一對比深度內，不考慮壓重情況下，通過振沖處理液化率及液化指數亦均有較大程度的降低，地基抗液化性能明顯改善，三遍加密效果略優于兩遍加密效果。但無論是兩遍加密還是三遍加密均不能完全有效地消除振沖處理深度范圍內的液化影響;同時結合液化評價成果，該7 m 深度試驗方案，對振沖深度內的底部0.5～1.0 m 處理效果不佳。

從表4 可以看出，當有壓重條件時(壓重至高程138.5 m，按下游坡水位135.34 m 考慮)，在經過該方案的振沖處理后，無論是兩遍加密還是三遍加密均能夠完全有效地消除振沖處理深度范圍內的液化影響。

3.1.2 8 m 深度試驗區

振沖處理前后相關數據對比見表5。

從表5 可以看出，該試驗區同一對比深度內，不考慮壓重情況下，在經過該方案的振沖處理后，在振沖處理深度范圍內能夠完全消除液化影響。

從表6 可以看出，考慮壓重情況下，在經過該方案的振沖處理后，在振沖處理深度范圍內能夠完全消除液化影響。

3.1.3 10 m 深度試驗區

振沖處理前后相關數據對比見表7。

圖5 振沖試驗8 m 深度區實測標貫擊數與深度關系曲線圖Fig.5 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 8 m depth zone

圖6 振沖試驗7 m 深度區實測標貫擊數與深度關系曲線圖Fig.6 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 7 m depth zone

從表7 可以看出，該試驗區同一對比深度內，不考慮壓重情況下，在經過該方案的振沖處理后，雖未完全有效地消除振沖處理深度范圍內的液化影響，但液化率及液化指數均已極大程度地降低，且僅有的兩個液化點均出現在振沖深度內的底部0.5～1.0 m 處。

從表8 可以看出，考慮壓重情況下，該試驗區同一對比深度內，在經過該方案的振沖處理后，在振沖處理深度范圍內能夠完全消除液化影響。

3.1.4 12 m 深度試驗區

振沖處理前后相關數據對比見表9、表10。

從表9 可以看出，在經過振沖試驗處理后，上述天然密度、天然干密度及相對密度均得到一定提高，根據《水利水電工程地質勘察規范》，地震設防烈度為八度時，液化臨界相對密度為75%，雖然上述指標均有一定程度改善，但效果并不理想，處理后的相對密度仍小于此數，表明該種試驗方案對表部砂層處理效果不理想。

從表10 可以看出，該試驗區同一對比深度內，不考慮壓重情況下，在經過該方案的振沖處理后，無論是兩遍加密還是三遍加密均能夠完全有效地消除振沖處理深度范圍內的液化影響。

3.2 強夯試驗區

強夯處理前后相關數據對比見表11、表12。

從表11 可以看出，該試驗區試驗前表部砂層在經過強夯處理后，上述天然密度、天然干密度及相對密度均得到提高，雖然上述指標均有一定程度改善，但效果并不理想，表明該種試驗方案對表部砂層處理效果不理想。

從表12 可以看出，在經過強夯試驗處理后，其中有兩個檢測點液化率雖有一定程度的降低，其值降為22.2%～33.3%，液化指數降為1.19～3.83，液化等級亦由嚴重變為輕微，液化程度亦有較大改善，由嚴重變為輕微，但并未完全有效地消除液化影響，且另外一個檢測點并無明顯改善，故該方法處理效果不佳，可靠性亦不高，同時由液化評價成果表可以看出，該方法對2～6 m 深度區內效果較為理想，能夠基本消除液化影響，但對2 m 以上及6 m 以下區域內效果不佳，仍存在液化現象。

當考慮壓重條件時(壓重至高程138.5 m，按上游坡水位140.5 m 考慮)，強夯處理前后液化評價見表13。

表5 8 m 試驗區抗液化試驗處理前、后砂層液化分析對比表(不考慮壓重情況下，對比深度1.65～7.65 m)Table 5 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 8 m test area(not considering weighting)

表6 8 m 試驗區抗液化試驗處理前、后砂層液化分析對比表(考慮壓重情況下，對比深度1.65～7.65 m)Table 6 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 8 m test area(considering weighting)

表7 10 m 深度區抗液化試驗處理前、后砂層液化分析對比表(不考慮壓重情況下，對比深度1.65～9.65 m)Table 7 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 10 m depth zone(not considering weighting)

表8 10 m 深度區抗液化試驗處理前、后砂層液化分析對比表(考慮壓重情況下，對比深度1.65～9.65 m)Table 8 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 10 m depth zone(considering weighting)

表9 12 m 深度振沖前、后試驗區表部砂層相關物性指標分析對比表Table 9 Comparative analysis of related physical index before and after vibroflotation in 12 m depth

表10 12 m 深度抗液化試驗處理前、后砂層液化分析對比表(不考慮壓重情況下，對比深度1.65～10.65 m)Table 10 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 12 m depth (not considering weighting)

表11 強夯處理前、后表部砂層相關物性指標分析對比表Table 11 Comparative analysis of related physical index before and after treatment by dynamic compaction

表12 強夯處理前、后砂層液化分析對比表(不考慮壓重情況下，對比深度1.65～9.65 m)Table 12 Comparative analysis of sand liquefaction before and after treatment by dynamic compaction(not considening weighting)

表13 強夯處理前、后砂層液化分析對比表(考慮壓重情況下，對比深度1.65～9.65 m)Table 13 Comparative analysis of sand liquefaction before and after treatment by dynamic compaction(considering weighting)

從表13 可以看出，該試驗區同一對比深度內(考慮壓重情況下)砂層液化率44.4%～77.8%，液化指數16.07～23.19，屬嚴重液化型，在經過強夯試驗處理并采取壓重后，液化率降低為11.1%，液化指數降為0.44～2.35，液化程度亦有較大幅度改善，由嚴重變為輕微，但并不能完全有效地消除液化影響。

4 結論

(1)振沖法和強夯法均適用于本工程的地質條件。

(2)各處理方案表部1.0～1.5 m 深度范圍內的處理效果偏差。

(3)對各種不同深度的振沖處理方案，在振沖深度內的底部0.5～1.0 m 范圍內處理效果偏差;強夯法的有效處理深度為1.5～6.5 m，實用區間相對較小，對6 m 以下區域內處理效果不佳，可能存在無明顯改善的區域，處理可靠性不高。

(4)兩種方法在實用范圍內處理效果均較好，液化程度均有大幅度的改善，振沖法處理效果更佳，能夠完全有效的消除液化影響。

(5)工程區地下水位較高，而強夯法對場地地下水條件要求較高，施工時需要進行排水措施，振沖法則僅需機械設備進場即可。

綜合以上幾點，本工程基礎處理中相對于強夯法，振沖法在實用范圍、處理質量和場地要求上都存在著一定的優勢，而且振沖法無強夯法所必須的施工排水等措施，降低了工程造價，因此建議采用振沖法對本工程壩基進行抗液化處理，施工參數在實際施工中可根據實際情況進一步優化，確定振沖深度時應考慮底部處理效果偏差的情況，適當加深振沖范圍，表部采取其他處理方式，以完全消除表部地震液化影響。

［1］中水東北勘測設計研究有限責任公司工程勘察院.哈達山水利樞紐工程土壩壩基抗液化加密處理試驗檢測報告［R］.長春:中水東北勘測設計研究有限責任公司工程勘察院，2008.