關于宣威市石城河水庫工程砂礫石壩基強夯處理的粗淺認識

沈祥斌 徐元光

摘 要：宣威市石城河水庫工程實施中，經過試驗研究，采用強夯進行基礎處理，減少河床基礎沖洪積層開挖及大壩填筑工程量，不但節約了資金，為大壩后續施工贏得了時間，還可減少棄渣場征占地，對環境保護有正面積極影響。

關鍵詞：水庫；基礎處理；強夯

一、工程概況

宣威市石城河水庫工程位于云南省宣威市西部的西澤鄉，壩址地處金沙江三級支流迤那河上，其下游分別為西澤河和金沙江一級支流牛欄江。大壩為混凝土面板堆石壩，趾板建基面高程1839.00m，最大壩高81.0m，壩頂高程1920.00m，壩軸線長280.0m，壩頂寬7.0m，最大壩腳寬225.71米，設計上、下游坡均為1：1.4，下游坡分別在1900.0m和1878.0m高程設3m寬戧臺。

石城河水庫工程設計規模為中型水庫，其功能主要以灌溉、人畜飲水為主，兼顧下游防洪防汛及生態用水。總庫容1142.0萬m3，校核洪水位1918.90m；正常蓄水位1915.20m，對應庫容1004萬m3，興利庫容859萬m3；水庫死水位1878.10m，死庫容145萬m3。水庫建成后，每年可為灌區提供供水量1497.7萬m3，其中農灌用水1280.1萬m3，人畜飲水217.6萬m3，能有效解決2.6萬畝耕地灌溉用水及農村2.47萬人、15.35萬頭大小牲畜飲水困難問題。同時可提供下游河道生態用水253萬m3，對提高下游河道防洪防汛能力、保障周邊生態建設用水具有重要作用。

水庫樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、輸水隧洞和導流洞（兼泄洪洞）組成，灌區采用引水管道進行灌溉。石城河水庫工程為中型，工程等別為Ⅲ等，其主要建筑物溢洪道、輸水隧洞為3級建筑物，臨時建筑物及引水管道按5級建筑物設計。因混凝土面板堆石壩最大壩高為81米，超過70米，根據建筑物的重要性，將攔河壩提級至2級建筑物。

二、 問題的提出

石城河水庫工程大壩為面板堆石壩，壩址河床段有由砂質粘土和砂卵礫石組成的沖、洪積層，厚9～20.2m。初步設計階段批復除趾板基礎開挖全部第四系沖、洪積和殘坡積層，建基在弱風化玄武巖上，其余壩基河床部位清除沖、洪積層建基于弱風化基巖上，兩岸基礎清除殘坡積層至強風化層上。“鑒于河床沖、洪積層厚度較大，清除工程量較大，建議下階段進一步研究采取工程措施處理后盡量減少沖洪積層的開挖”。

根據初設批復，設計單位對相關問題進行了研究，在研究分析了國內外一些基礎處理的經驗方法上，初步決定采用強夯的方法進行基礎處理。由于當地水利工程之前未作過類似基礎處理工程，為確保工程安全，計劃對工程基礎處理先進行強夯試驗，分析其是否可行，且通過試驗進一步確定強夯質量控制標準和施工參數，可行的話再全面實施。處理步驟為：強夯試驗-檢測效果-復核-全面實施。

三、 試驗及研究

1.擬保留地基情況

石城河水庫大壩工程于2012年底開始開挖，大壩渡訊節點工期為2013年4月30日，壩體渡訊開挖、填筑工作強度大，工期緊張。實際施工過程中受導流泄洪洞出口工程地質條件差、征占地等工作的影響，造成大壩樞紐有效工期進一步縮短。當時研究工作還沒有來得及深入開展，在大壩工程既要面臨次年渡汛要求又要確保工程安全的前提下，為不影響渡汛壩填筑，結合工程實際對主堆區沖、洪積層作了全面挖除。而次堆區作了部份開挖，開挖后基本為一平臺，高程在1849左右。現場實驗調整在非渡訊壩體區進行。施工階段對壩基進行進一步勘察，壩基地層由第四系沖、洪積松散層及二疊系上統峨眉山組組成，根據鉆孔資料揭示，在當時開挖高程情況下，擬保留砂礫石層地基覆蓋深度7.8～16.4m，保留砂礫石層地基平面面積大約12600m2，其中覆蓋深度7.8～12m范圍面積為8500m2，占總面積12600 m2的2/3強。

2.強夯試驗

設計在次堆區選擇了兩個區域做強夯試驗，即強夯試驗1區和強夯試驗2區。加固深度采用梅那（L.Menard）公式進行估算，砂礫石地基修正系數取0.5～0.6，錘重40t，落距20m時，估算的最大加固深度為14.1～16.9m，強夯能級為8000kN.m。考慮到要處理的砂礫石地基深度最高達16.4m，試驗中采用8000kN.m和10000kN.m兩種能級進行強夯比較。

試驗1區采用夯擊能為8000kN.m，第一遍主點夯8m×8m正方形布點，第二遍主點夯布置在第一遍主點夯相鄰四個夯點的中心處，整體呈梅花形布置。第一、二遍主點夯夯擊次數以最后兩擊平均夯沉量不大于10cm并不少于15擊控制。當夯坑深度超過2.5m且起錘困難時，暫停夯擊，用裝載機將填料填入夯坑內，繼續夯擊，如此重復，直至最后兩擊平均夯沉量小于10cm同時夯坑深度小于2.5m時停止點夯作業。第三遍為加固夯，單擊夯擊能采用4000kN.m，夯點布置在第一、二遍主點夯每四個呈方形布置的夯點中心處。加固夯夯擊次數以最后兩擊平均夯沉量不大于5cm并不少于12擊控制；當夯坑深度超過2.5m且起錘困難時，暫停夯擊，用裝載機將填料填入夯坑內，繼續夯擊，如此重復，直至最后兩擊平均夯沉量小于5cm同時夯坑深度小于2.5m時停止點夯作業。第四遍滿夯，滿夯單點夯擊能采用2000kN.m，夯印搭接1/3布點，夯點擊數3擊。

試驗2區采用10000kN.m，第一遍主點夯8m×8m正方形布點，第二遍夯點布置在第一遍主點夯相鄰四個夯點的中心處，整體呈梅花形布置。第一、二遍主點夯夯擊次數以最后兩擊平均夯沉量不大于15cm并不少于20擊控制；當夯坑深度超過2.5m且起錘困難時，暫停夯擊，用裝載機將填料填入夯坑內，繼續夯擊，如此重復，直至最后兩擊平均夯沉量小于15cm同時夯坑深度小于2.5m時停止點夯作業。第三遍為加固夯，單擊夯擊能采用6000kN.m，正方形布點，夯點布置在第一、二遍主點夯每四個呈方形布置的夯點中心處。加固夯夯擊次數以最后兩擊平均夯沉量不大于8cm控制并不少于15擊；當夯坑深度超過2.5m且起錘困難時，暫停夯擊，用裝載機將填料填入夯坑內，繼續夯擊，如此重復，直至最后兩擊平均夯沉量小于8cm同時夯坑深度小于2.5m時停止點夯作業。第四遍滿夯，滿夯單點夯擊能采用3000kN.m，夯印搭接1/3布點，夯點擊數3擊。

3.強夯試驗質量檢測

（1）強夯試驗1區動力觸探試驗。強夯試驗1區試驗面積為24m×24m，即576平方米。強夯前布有ZKD1、ZKD2、ZKD3三個動力觸探試驗孔，孔深10.0～14.1m，鉆孔間距2.8～4.0m，共完成鉆探進尺35.1m，原位動力觸探測試21次，取擾動土試樣6件，鉆孔注水試驗6段。強夯后布有ZKD4、ZKD5、ZKD6三個動力觸探試驗孔，孔深10.6～11.1m，鉆孔間距2.8～4.0m，共完成鉆探進尺32.5m，原位動力觸探測試22次，取擾動土試樣6件，鉆孔注水試驗6段。

通過強夯試驗前、后重型動力觸探試驗、鉆孔注水試驗檢測資料，壩基砂卵礫石層：0～5.0m夯后比夯前錘擊數增幅85%，承載力增幅47%，密實度由中密～密實變為密實；5.0～7.0m夯后比夯前錘擊數增幅73%，承載力增幅43%，密實度由中密變為密實；7.0～9.0m夯后比夯前錘擊數增幅59%，承載力增幅35%，密實度由松散～中密變為中密～密實；9.0～11.0m夯后比夯前錘擊數增幅26%，承載力增幅15%，密實度由中密變為中密～密實。0～6.2m注水滲透系數夯后比夯前減小約1～2個數量級；6.2～11.0m注水滲透系數夯后比夯前減小約1個數量級。通過強夯工程處理措施后，壩基砂卵礫石層：0～5.0m效果最好，5.0～7.0m效果好，7.0～9.0m效果較好，9.0～11.0m效果較差。

（2）強夯試驗2區動力觸探試驗。強夯試驗二區試驗面積為24m×24m，即576平方米。強夯前布有ZKD7、ZKD8、ZK34三個動力觸探試驗孔，孔深16.2～19.7m，鉆孔間距5.7m，共完成鉆探進尺53.3m，原位動力觸探測試29次，取擾動土試樣3件，鉆孔注水試驗4段。強夯后布有ZKD9、ZKD10、ZKD11三個動力觸探試驗孔，孔深15.8～17.2m，鉆孔間距5.7m，共完成鉆探進尺49.9m，原位動力觸探測試30次，鉆孔注水試驗6段。

通過強夯試驗前、后重型動力觸探試驗、鉆孔注水試驗檢測資料，壩基砂卵礫石層：0～5.0m夯后比夯前錘擊數增幅89%，承載力增幅54%，密實度由中密變為密實；5.0～7.0m夯后比夯前錘擊數增幅81%，承載力增幅49%，密實度由稍密～密實變為密實；7.0～9.0m夯后比夯前錘擊數增幅66%，承載力增幅40%，密實度由稍密～中密變為中密～密實；9.0～11.0m夯后比夯前錘擊數增幅26%，承載力增幅15%，密實度由稍密～中密變為中密；11.0～13.0m夯后比夯前錘擊數增幅15%，承載力增幅10%，密實度由稍密～中密變為中密；13.0～15.0m夯后比夯前錘擊數增幅9%，承載力增幅8%，密實度基本無變化。0～7.5m注水滲透系數夯后比夯前減小約1～2個數量級；7.5～15.0m注水滲透系數夯后比夯前減小約1個數量級。通過強夯，壩基砂卵礫石層：0～5.0m效果最好，5.0～7.0m效果好，7.0～9.0m效果較好，9.0～11.0m效果較差，11.0～13.0m效果差，13.0～15.0m效果最差。

（3）試夯前后干密度、空隙率及滲透系數。試夯前、后進行4組干密度、孔隙率及原位滲透測試（灌水法），成果見表1。

從表1可以看出：

①干密度：夯前干密度為：1.99g/cm3～2.10g/cm3，平均為2.05 g/cm3；夯后干密度為：2.18g/cm3～2.38g/cm3，平均為2.28 g/cm3；對比強夯前、后干密度檢測成果，干密度有效增加，較夯前提高11.2%；平均干密度2.28 g/cm3>2.15 g/cm3滿足設計要求。

②孔隙率：夯前孔隙率為：24.5%～30.3%，平均為27.5%；夯后孔隙率為：17.9%～23.8%，平均為20.8%；空隙率滿足堆石體空隙率要求。對比強夯前后孔隙率檢測成果，孔隙率有效減小，較夯前減小24.4%。

③滲透系數：夯前滲透系數為：2.5×10-2～1.4×10-2，平均為2.0×10-2；夯后滲透系數為：2.7×10-5～1.6×10-5，平均為2.2×10-5；對比強夯前后滲透系數檢測成果，滲透系數有效減小。

（4）試夯前后原位載荷試驗

本次試驗共進行了3個點，其中A2#和 B2#為同一位置強夯前后對比試驗，即B1#（能級8000kN.m強夯加固處理后） 、A2#（強夯加固處理前）和 B2#（能級10000kN.m強夯加固處理后），載荷試驗成果見下表：

表2：壩基淺層平板靜載荷試驗結果匯總表

從試驗結果看出：

A2#（強夯加固處理前）試驗最大荷載為720kPa，承載力特征值fak=320kPa；對應變形模量為56.49MPa；

B1#（強夯加固處理后）試驗最大荷載為800kPa，承載力特征值fak≥400kPa；對應變形模量為77.86MPa。

B2#（強夯加固處理后）試驗最大荷載為1320kPa，承載力特征值fak=600kPa；對應變形模量為105.76MPa。

（5）強夯試驗結論。

①根據強夯試驗施工及檢測的成果來看，河床砂礫石層壩基經強夯處理后，在0～9m深度以內土層干密度有了較大提高，滲透系數及孔隙率有所減少，壓縮模量有大幅提高，砂礫石層性質有較好的改善；9～15范圍內為有影響的范圍，上述指標有一定程度提高。

②設計強夯后的主要控制指標干密度不小于2.15g/cm3、強夯后地基承載力≥400kPa及壓縮模量E0≥80MPa均達預期值，河床砂礫石層地基強夯加固處理滿足設計要求。

③強夯試驗表明采用10000kN.m能級和8000kN.m能級在深度9m范圍內指標差異不大，但10000kN.m能級在深度大于9m時候各項指標稍高于8000kN.m能級強夯，設計擬采用10000kN.m能級和4×4m點距布置強夯點陣，分三序強夯處理壩基。

4.壩體穩定復核

根據強夯試驗結果，設計單位對大壩滲流、穩定進行復核。滲流、穩定分析計算包括校核洪水位、設計洪水位、正常蓄水位、死水位等幾種水位組合情況進行計算分析。

根據各種工況下對壩體滲流的計算結果，浸潤線出逸點均在下游堆石體與河床砂礫石接觸帶上部出逸，下游堆石體不存在滲透破壞。根據滲透穩定計算結果，壩體混凝土面板溢出點水力坡降在校核洪水位、設計洪水位、正常蓄水位、死水位情況下水力梯度在《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL228-98）規定的范圍內，不存在滲透破壞。

本工程因建設征占地難度較大，充分利用棄渣料，可有效減少棄渣場的占地，有利于工程順利開展和節約工程投資，開挖棄渣料（礫石、石渣、土混合料）用于大壩下游壓腳。從計算對口果可以看出大壩下游壩坡做強夯后，同時下游壩腳采用棄渣料壓腳，經計算分析穩定滿足規范要求。

四、 實施情況

1.設計參數及要求

根據試驗研究結果，設計提出石城河水庫砂礫石覆蓋層強夯處理要求及控制參數如下：（1）河床砂礫層經強夯處理后其相對密度不小于0.75，干密度不小于2.15g/cm3。（2）強夯后地基承載力≥400kPa。（3）設計擬采用10000kN.m能級和4×4m點距布置強夯點陣，強夯施工分三序進行，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序布點，點點跳夯、排排跳夯，點夯完成整平后，低能量滿夯一遍。

2.施工情況

施工采用實驗2區能級及方法進行施工。具體施工日期為：2013年7月1日至2013年8月31日。共完成強夯處理面積13258平方米。

強夯工程完工后，按設計要求對次堆區進行大壩填筑（在強夯處理后的基礎上進行填筑），大壩填筑工程于2015年1月完成，經過近三年的觀測，大壩沉降較小，沉降值在規范允許范圍內。

石城河水庫大壩次堆區砂礫石層壩基處理采取強夯法處理地基，減少挖、填方量約12萬立方米，比開挖、回填節約資金740.6萬元，同時提前1個月工期，為大壩后續施工贏得了時間，還可減少棄渣場征占地，對環境保護有正面積極影響。

五、 結語

宣威市石城河水庫工程實施中，經過試驗研究，采用強夯進行基礎處理，減少河床基礎沖洪積層開挖及大壩填筑工程量，不但節約了資金，為大壩后續施工贏得了時間，還可減少棄渣場征占地，對環境保護有正面積極影響。從國內外已建工程經驗看強夯處理砂礫石地基有較多的成功實例，通過本次強夯試驗研究及實施，石城河水庫大壩次堆石區砂礫石壩基做強夯處理是可行的。

參考文獻：

[1]雷蕓.鋼筋砼面板碾壓砂礫石壩設計──介紹兩岔河水庫工程主體大壩設計[J].廣東水利水電，1998（06）：5-7.

作者簡介：沈祥斌（1970-5-），男，漢，云南宣威，本科，副高級工程師，研究方向：水工、水土保持工作。

徐元光（1966-12—），男，漢，云南宣威，大專，副高級工程師，研究方向：水工、水土保持工作。