振沖碎石樁在黃金坪水電站壩基處理中的應用

谷江波，劉永波，閔勇章

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

1 概述

黃金坪水電站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規劃“三庫22級”中的第11級電站，是以發電為主的二等大(2)型工程。電站采用水庫大壩和“一站兩廠”的混合式開發，樞紐建筑物主要由瀝青混凝土心墻堆石壩、1條岸邊溢洪道、1條泄洪(放空)洞、左岸大廠房引水發電建筑物和右岸小廠房引水發電建筑物等組成。水庫正常蓄水位高程為1476m、相應水庫庫容為1．28億m3，最大壩高85．5m，壅水高度73m，電站總裝機容量為850MW。

黃金坪水電站壩基河床覆蓋層結構復雜，砂層透鏡體厚度較大，分布較廣、開挖難度大，其承載力、壓縮模量及抗剪強度低且有液化的可能，故選擇振沖碎石樁進行加固，以防止液化，提高其承載力和抗變形能力。振沖碎石樁是以潛水電機帶動偏心塊使振沖器產生高頻振動，同時，通過振沖器尖端噴嘴噴射出高壓水流，在邊振邊沖的聯合作用下，將振沖器沉到土中的設計深度。經清孔后，從地面向孔中分段填入適量碎石，每段填料均在振動作用下被振擠密實，在達到設計所要求的密實度后提升振沖器，如此重復填料和振密，在土體中由下而上制作成一根大直徑、密實的碎石樁體。該樁與原地基土一起構成復合地基，使承載力提高，沉降減少［1］。

2 基本地質條件

黃金坪水電站工程區位于松潘-甘孜地槽褶皺系巴顏喀拉冒地槽褶皺帶與揚子準地臺內的康滇地軸過渡部位，地處鮮水河斷裂帶、龍門山斷裂帶和安寧河～小江斷裂帶、金湯弧形構造帶的交接復合部位，區域地質構造背景復雜。外圍區域斷裂帶發育歷史悠久，規模宏大，北西向鮮水河斷裂帶和北東向龍門山斷裂帶分別具有發生8級潛在地震的危險性。工程區內的危險性主要受鮮水河斷裂南東段以及龍門山斷裂帶西南段地震活動的波及影響。壩址區50a超越概率10%基巖水平峰值加速度為220cm/s2，對應的工程區地震基本烈度為Ⅷ度。

壩址區河谷兩岸基巖裸露，河谷呈較開闊的“U”型谷。谷坡自然坡度左岸為45°～55°。枯水期河水面寬75～90m，河谷相對開闊。壩址區屬高山寬谷地貌，臨河坡高大于600m，水流湍急。壩址左岸上游約500m發育有叫吉溝泥石流，溝床切割較深，常年流水;壩址右岸下游約400m發育有龍達溝泥石流，為季節性溝谷。壩址區無區域性斷裂通過，地質構造以次級小斷層、擠壓破碎帶、節理裂隙、巖脈為特征。

據勘探資料，壩基(開挖后高程1399m)河床覆蓋層深厚，一般厚度為56～130m，最厚達133．92 m;層次結構復雜，自下而上總體分為3層:

第①層。漂(塊)卵(碎)礫石夾砂土(fglQ3):分布于河床底部，厚29．44 ～81．57m，頂面埋深46～57．8m，均位于1396m高程以下。

第②層。漂(塊)砂卵(碎)礫石層(alQ41):分布于河床覆蓋層中部和左岸河漫灘，厚20．3～46m，頂面埋深0～25．12m。②層中有②-a、②-b、②-c、②-d砂層分布，其中②-c和②-d分布于1399m高程以上，壩基開挖時被完全挖除。②-a、②-b呈數個透鏡體分布在壩軸線及下游部位(圖1)，其中② -a厚度為0．5～6．9m，頂板埋深為7．49～25．5m，頂 板 分 布 高 程 為1373．5 ～1391．51m，底板分布高程為1371．3 ～1391．01m，為含泥(礫)中～粉細砂;②-b厚度為0．2 ～6．24m，頂板埋深為0 ～14．25m，頂板分布高程為1384．75～1399m，底板分布高程為1381．9 ～1398．77m，為含泥(礫)中 ～粉細砂。壩基開挖時②-a層完全保留、②-b層少部分被挖除(圖1)。

圖1 壩址覆蓋層中②-a、②-b層平面分布圖

第③層。漂(塊)砂卵礫石(alQ42):分布于河床表部，厚13～25．12m。③層中有③-a、③-b砂層分布，均分布于1396m高程以上，壩基開挖時被完全挖除。

3 壩基工程地質問題分析

3．1 壩基抗滑穩定

黃金坪水電站壩基覆蓋層結構總體較密實，粗顆粒基本構成骨架，其抗剪強度較高，φ=30°～32°，但河床覆蓋層中②-a、②-b等砂層分布較廣，厚度較大且埋藏較淺，其承載、抗變形和抗剪強度均較低，當外圍強震波及影響時因砂土動強度降低可能引起的地基剪切變形對壩基抗滑穩定不利。

3．2 壩基變形

上述壩基覆蓋層地基具多層結構，持力層主要為第②、①層，少部分為第③層，總體為漂(塊)卵礫石層，粗顆粒基本構成骨架，結構較密實，其允許承載力［R］=0．5 ～0．55MPa，變形模量 E0=40～45MPa，其承載和抗變形能力均較高，可滿足基礎承載變形和抗滑穩定要求。但由于覆蓋層結構不均一，壩基②-a、②-b砂層分布較廣，厚度較大，埋藏較淺，為中～粉細砂，其承載力和變形模量均較低，對覆蓋層地基的強度和變形性能影響較大，存在不均勻變形問題。

3．3 砂層液化

壩基河床覆蓋層中分布有②-a、②-b砂層和其它零星砂層透鏡體，厚度為0．2～6．24m，相對1399m高程建基面埋藏深度為0～27．7m，為含泥(礫)中～粉細砂。

砂層液化初判:上述砂層均為第四紀全新世Q4地層;砂層粒徑小于5mm顆粒含量為79．46%～98．59%，質量百分率大于30%，其中粒徑小于0．005mm的顆粒含量百分率為5% ～8．28%，小于相應地震設防烈度七度、八度和九度含量16%、18%和20%;判定為可能液化砂。

根據標貫復判:砂層在七度、八度地震烈度條件下均有發生液化的可能。

根據相對密度復判:②-a、②-b在八度地震烈度條件下，除個別黏土質砂層透鏡體不液化外，其余砂層均有發生液化的可能。

根據相對含水量、液性指數復判:經對②-a、②-b砂層物性指標進行計算，其相對含水量為1．19，大于 0．9，其液性指數 IL=1．46，大于 0．75，均存在發生液化的可能。

4 振沖碎石樁處理方案

4．1 試驗樁布置

振沖碎石樁試驗在設計選定的大壩左岸基礎范圍內進行，試驗區開挖高程不低于1400m。

試驗區分為A、B兩個區，分別位于砂層②-a、②-b。試驗A區砂層埋深約為32m，厚度約為9m，試驗B區砂層埋深約為25m，厚度約為6 m。兩個區每區分別布置13個試驗孔，每個試驗區孔距為1．5m和2m，試驗孔成等邊三角形布置，設計孔深至第②-a、②-b層砂層的底部，設計樁徑為1m。試驗樁具體布置情況見圖2。

4．2 振沖區復勘孔施工

圖2 振沖試驗樁平面布置圖

壩基振沖樁工程施工復勘孔的目的主要有:勘察大壩基礎覆蓋層中砂層的位置、厚度、顆粒組成等情況;作為設計勘探的補充資料，與設計給出的地質條件進行對比分析;更加合理的指導振沖區砂層處理的深度。

4．3 振沖樁孔位分區

根據復勘成果，將黃金坪水電站大壩振沖處理劃分為8個區域，共計2873根樁，等邊三角形布置。振沖碎石樁孔間距分為三種:振沖1區、9區按2．5m ×2．5m 布置;振沖2 區、4 區、5 區、8 區按2．5m ×2．5m 布置;振沖 6 區、7 區按 1．8m ×1．8m布置。實際孔深至砂層底部1m，成樁樁徑為1m。振沖施工在設計提供的工作面1399．5m高程進行。

振沖孔位在施工過程中本著邊施工、邊布設、邊校核的原則進行。

圖3 振沖碎石樁施工流程示意圖

4．4 振沖樁施工過程

根據前期試驗振沖器無法直接貫入的情況，采用“沖擊鉆造引孔后振沖”的施工方法。振沖碎石樁施工程序見圖3。振沖樁施工設備包括CZ-6D型沖擊鉆機、振沖器、50t履帶吊、泵送輸水系統、控制操作臺等。

5 地基振沖處理后的效果分析

5．1 地基檢測試驗方法

(1)動力觸探試驗。

動力觸探原位測試試驗主要是利用一定的落錘能量，將探頭打入地基土層中，根據其打入一定深度的難易程度確定處理后的復合地基承載力特征值。

復合地基的承載力:根據樁、土應力及面積置換率確定。通過一定的原位測試手段(如動力觸探，標準貫入等)分別確定樁及土的承載力，根據設計及現場施工情況確定面積置換率m，根據復合地基的荷載作用機理以及樁、土共同承擔的上部荷載確定復合地基承載力標準值，計算公式如下:式中 fsp，a為復合地基的承載力特征值;m為面積置換率;fp，a為樁的承載力特征值;fs，a為樁間土的地基承載力特征值。

(2)標貫試驗。

試驗前應鉆孔至試驗地層的標高以上15 cm，清孔后用標準貫入器并測量深度，以每分鐘15～30擊的速度貫入試驗地層中。先打入15 cm，不記錘擊數;繼續貫入30cm，記錄錘擊數。若砂層較密實、貫入擊數較大時，也可記錄小于30cm進尺的錘擊數然后將其換算成貫入30cm的錘擊數。

(3)靜載試驗。

試驗采用模擬建筑物地基豎向受荷實際工作條件的試驗方法:慢速維持荷載法。即逐級加荷，每級荷載達到相對穩定后加下一級荷載，直到試驗進行到滿足試驗規范的要求時方可終止加載條件，然后分級卸荷到零。

5．2 檢測及計算成果

基于試驗成果，根據《建筑地基基礎設計規范》等得到的計算成果見表1。在實施振沖碎石樁處理砂層地基后，復合地基的抗剪強度、變形模量等物理力學特性均滿足設計要求。標貫試驗亦表明復合地基均為不液化土。

6 結語

表1 復合地基力學指標計算成果表

(1)黃金坪水電站壩基在特定的地質背景下，河床覆蓋層分布有規模較大的砂土層，在地震、動力荷載或其它外力作用下，可能存在砂土地震液化及地基變形等工程地質問題。

(2)振沖碎石樁對砂土層等軟弱地基的擠密效果與置換作用明顯，可有效解決軟弱地基砂土液化問題、承載力問題及抗剪問題。黃金坪水電站壩基通過振沖碎石樁形成復合地基，在承載力、壓縮模量等方面較明顯地提高并達到設計要求。

(3)振沖碎石樁施工時，根據復勘孔勘探成果，對砂層等軟弱地基進行了分區處理，既達到了補充查明軟弱地層空間展布的目的，同時亦方便了施工，又節約了工程量。

(4)黃金坪水電站采用振沖碎石樁處理壩基軟弱地層，既減少了壩基開挖的工程量，又解決了基坑由于涌水量大而產生的施工難度大問題。

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