振沖砂石樁在處理壩基軟弱覆蓋層中的應用

陳能成　沈　波

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司上海200439）

振沖砂石樁在處理壩基軟弱覆蓋層中的應用

陳能成1沈波2

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司上海200439）

壩基軟弱覆蓋層常采用大開挖換填處理，該法施工簡單，當覆蓋層較厚時，存在施工強度大、基坑排水困難和工程投資大等缺點。本文通過工程實例，建立有限元模型進行分析，探討了振沖砂石樁在處理壩基軟弱覆蓋層中的應用，并結合其他工程，提出了復合地基置換率合理區間，可為類似案例提供借鑒。

振沖砂石樁；槽孔混凝土防滲墻；壩基；軟弱覆蓋層

1　工程概況

羅家堡水庫位于重慶市黔江區馬喇鎮境內，是一座具有農業灌溉和供水等綜合效益的水利工程。水庫總庫容1073.3萬m3，設計灌溉面積2.60萬畝，為Ⅲ等中型工程。擋水壩采用瀝青混凝土心墻石渣壩，壩頂高程809.2m，壩體寬度內河床現狀地面高程約781.5m～783.5m，清基高程778.5m。

2　河床段壩基地質情況

河床寬約130m，覆蓋層最深35.1m，從上至下主要分布有四層：

①淤泥質黏土層：一般厚1.6m～2.5m，灰褐色、灰黃色，軟塑狀，雜植物根系，手搓可成細條狀。

②粉質黏土層：一般厚5m～10m，青灰色～灰綠色，局部有機質含量較高，呈灰黑色，軟塑～可塑狀，手搓易呈細條，黏性強；

礫砂：分布于②粉質黏土層中，分布規律性較差，總體呈青灰色，稍～中密狀。碎礫石原巖以頁巖、粉砂質頁巖為主，少量為砂巖等其他巖類，次棱角狀～次圓狀。

③碎石土：該層埋深較大，主要分布于壩址地表下伏的古河道內。總體呈灰黑色，中密狀，礫石一般呈次棱角狀～次圓狀，原巖以頁巖、粉砂質頁巖為主。

3　壩基軟弱覆蓋層處理必要性

河床部位軟弱覆蓋層最深處達35.1m，清除表面的腐植土和淤泥質粉質粘土后，主要由粉質粘土和碎石土組成。土層含水率33.0%～41.0%，飽和度為100%，壓縮系數0.51 MPa-1～6.2MPa-1，具有高壓縮性、低強度、低承載力的特點。因此，為保證壩坡穩定和減少壩體沉降變形，必須對覆蓋層進行處理。

4　壩基處理方案比選

參照同類壩基處理經驗，選用槽孔混凝土防滲墻+振沖砂石樁方案、高壓旋噴防滲墻+高壓旋噴樁方案和明挖澆筑砼截水槽+換土三個方案進行比較。各方案優缺點詳見表1。

從工程投資和施工強度考慮，選用槽孔混凝土防滲墻+振沖砂石樁方案。

5　壩基處理設計

振沖砂石樁（粗砂、碎石重量比為4:6）直徑1000mm，砂石樁樁底至巖層頂面，在防滲墻軸線兩側各35m范圍內，砂石樁間距@1.5m×1.5m，其余區域@1.8m×1.8m。

槽孔混凝土防滲墻采用C25混凝土澆筑，設計墻厚0.8m，沿壩軸線布置，采用三鉆兩抓的方式成槽。防滲墻頂部施工平臺高程777.0m，底部嵌入弱風化基巖1.0m，最低建基面高程746.0m，最大高度31m。砼防滲墻在振沖砂石樁施工完成后實施。

表1　壩基覆蓋層處理方案優缺點比較表

混凝土防滲墻通過基座和0.6m厚的瀝青混凝土心墻相連，瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻共同形成了一道整體防滲屏幕。

6　壩基處理前后應力變形分析

建立有限元模型，模擬大壩的分層填筑及蓄水過程。平面有限元網格及坐標系如圖1所示，順河向為X坐標，豎向為Z坐標。

圖1　整體分區示意圖

計算采用分級進行，共包括24級，第1級模擬地基（包括覆蓋層及基巖）初始應力場，第2～8級模擬壩體填筑過程，第9～10級模擬蓄水過程，考慮非線性效應，每級填筑步又分5個增量步加載。初始地應力場采用自重作用下的地應力場。壩體與心墻采用同步平層填筑，約5m左右填筑一級。對完建期和蓄水期大壩的應力與變形特征進行分析，完建期和蓄水期分別對應的工況為：

（1）完建期

大壩上下游無水荷載，首先模擬上游圍堰施工過程，然后分級模擬大壩施工過程，大壩從建基面最低高程均勻填筑，到設計壩高809.2m。

（2）蓄水期

大壩填筑完成后，分級模擬大壩上游蓄水至正常水位807m高程，下游無水荷載作用。

壩體與覆蓋層材料采用鄧肯張E-B雙曲線本構模型，基巖和混凝土防滲墻采用線彈性模型。振沖砂石樁間距采用1.8m/1.5m組合，材料參數取值詳見表2。

壩基經振沖砂石樁處理前后壩體應力、變形最大值見表3。

變形、應力水平云圖見圖2～圖7。

表3　壩體應力、變形最大值

圖2　完建期壩體水平位移云圖（m）

圖3　完建期壩體豎向位移云圖（m）

圖4　完建期壩體應力水平云圖

圖5　蓄水期壩體水平位移云圖（m）

圖6　蓄水期壩體豎向位移云圖（m）

表2　材料參數取值

圖7　蓄水期壩體應力水平云圖

通過表3計算結果可知，原狀地基整個壩體變形較大，經振沖砂石樁處理后，可有效地減小了壩體的沉降和水平變形。

7　結語

軟弱覆蓋層經振沖砂石樁處理后，可顯著降低壩體的水平與豎向變形，同時減小瀝青混凝土心墻的應力水平，并有效減小了基座、槽孔混凝土防滲墻豎向拉、壓應力，使防滲體結構安全余度增加；隨著置換率的提高，復合地基彈性模量也隨之提高，可有效降低壩體的應力和變形，但其提升具有局限性。根據浙江湯浦水庫和云南務坪水庫等工程實例，壩體主要應力區的振沖置換率一般為30%～40%，次要應力區為20%～30%。本工程主要應力區置換率為35%，次要應力區置換率為24%。陜西水利

［1］陳祖煜，周曉光，張天明，陳立宏。云南務坪水庫軟基筑壩技術，中國水利水電出版社，2004

［2］中國水利水電出版社，碾壓式土石壩設計設計（SL274-2001），2002

［3］中國電力出版社，水電水利工程振沖法地基處理技術規范（DL/T5214-2005），2005

（責任編輯：暢妮）

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