出山店水庫土壩地基加固處理分析

宋明家

（河南省淮濱縣水利局，河南 淮濱 464400）

0 引言

水庫壩體的安全是水庫安全運行的關鍵，壩基的安全又是一項壩體穩定的一個主要因素。因此，有較多的學者對水庫壩基安全進行了研究。陳戰龍[1]以紅山水庫為例，介紹了強夯法在地基加固中的作用；高超[2]以石佛寺水庫為例，介紹了壩基和壩肩的設計方法，取得了較好的效果；胡海濤等[3]以阿拉溝水庫為例使用理論計算的方法研究了含斷層水庫壩基處理方法；張翔[4]以北疆一引水渠道建設過程中遇到的濕陷性黃土地基為例，提出了一種濕陷性黃土治理方法，取得良好的工程效果；孫林[5]以善卷垸防洪堤建設為研究對象，研究了地基處理施工工藝，取得了較好的工程效果；張小泉[6]對海洋軟土地基固結特性進行了研究，分析了固結與沉降特性的關系。本文以出山店水庫為例，對含軟土地基加固處理進行分析。

1 工程概況

出山店水庫是位于淮河干流的唯一一座大（Ⅰ）型水庫。水庫控制流域面積可達2900 km2，主要包括4部分:主壩、副壩、灌溉洞以及電站廠房。出山店水庫主壩和副壩設計洪水標準均為千年一遇，設計水位為95.78 m；校核洪水為萬年一遇，校核水位為98.12 m。水庫正常蓄水位為88 m，汛期限制水位為86 m，死水位為84 m，水庫修建完成后，總庫容為12.51億m3。出山店水庫的主壩是由混凝土壩和土壩連接的混合壩，主壩全長3690.57 m，混凝土壩段長為429.57 m，土壩段長為3261 m。主壩穿過多種類型的巖土體，包括不利于壩基穩定的軟土、極軟土等地基土類型，工程地質條件極為復雜，處理難度較大。壩基地基土的處理是出山店水庫設計和施工的重難點和關鍵點。

2 土壩段軟土地基加固處理

土壩段包括長里崗丘陵（168 m）、淮河左岸Ⅱ級階地（2001.984 m）、Ⅰ級階地（1138.006 m），全長為 3+274.9 m。各段地基巖土體類型見表1。

表1 土壩地基巖土體類型

根據室內力學實驗獲取巖土體強度參數，見表2。

表2 巖土體強度參數

3 天然地基土壩沉降

3.1 模型建立

出山店水庫土壩延伸較長，在0+900至1+200段，壩基地基存在較大型的斷層同時又穿過不同巖性的地基。同時此段土壩的壩高最高，壩體橫斷面面積最大，壩基含有淺層軟土地基，將會是壩體產生較大沉降和不均勻沉降的易發壩段。此區位于Ⅱ級階地段，根據該段壩基巖土體類型以及壩體結構，建立數值模擬模型。數值模擬強度參數根據室內試驗結果選取。計算模型見圖1。

圖1 出山店水庫土壩模型

3.2 計算結果

Z軸方向的沉降變形結果見圖2，在軟土斷層的心墻處，土壩壩體和地基發生最大的沉降變形，從圖2可以看出，最大沉降變形位移大于1 m，為壩體最易產生沉降變形破壞的部位；同時，壩基的沉降變形不是均勻的，從心墻處向四周擴散壩基沉降逐漸減小，垂直壩體軸線方向的沉降差為0.2 m。垂直土壩軸線方向的沉降差較為均勻且密集。沿著土壩軸線方向沉降差加大，沉降分布較為不均。

圖2 數值模擬計算結果

4 地基處理

4.1 地基處理方案

根據出山店水庫土壩段的工程地質勘查結果，土壩地基Ⅰ級階地段地基材料為中粗的砂層，液化深度可達7.0 m～10.0 m。河槽段砂土為嚴重液化，土壩影響范圍內的砂土液化。為了防止地震導致砂土液化，提高砂土的抗液化能力，防止地基發生較大的沉降量，根據工程設計經驗，選取擠密砂樁作為地基處理方案。

4.2 擠密砂樁基本原理

擠密砂樁是指在荷載（振動或沖擊荷載）作用下，在待處理的軟土地基成孔，再降砂擠入地基巖土體中，從而形成密實度較好的直徑較大的砂柱體，從而起到加固地基的作用。擠密砂樁的加固作用機理如下:

（1）擠密作用:砂土自身具有較大的孔隙，在荷載作用下，尤其是受到振動荷載時易發生變形，從而導砂土地基產生較大變形，造成土壩結構的破壞。砂土地基巖土體的密實度決定了砂土地基的抗液化能力和承載力。隨著砂土密實度的增加，砂土地基的抗液化能力和地基承載力均會有所增加。使用擠密砂樁法進行地基處理時，就是縮小砂土地基的孔隙比，防止振動作用下砂土產生液化，在擠密作用下，土體和樁體強度有所增加，提高了地基巖土體的抗剪強度。在擠密砂樁施工過程中增加砂土的均勻度，也從側面提高砂土地基的強度[7]。

（2）排水作用:根據砂土液化原理，水是砂土產生液化的必要因素。當飽和松散巖土體受到循環剪力作用時，易產生縮小變形，巖土體的變形速率大于超靜孔隙水壓力時，會增大土體的超靜孔隙水壓力。當超靜孔隙水壓力大于上覆砂土自重時，砂土有效應力降為0，此時，砂土發生完全振動液化。擠密砂樁是一條排水通道，有助于地基巖土體中水的排泄，可以迅速降低砂土中的超靜孔隙水壓力，從而有效降低砂土發生液化的可能。快速的排水，可以加速地基砂土的固結[8]。

（3）置換作用:擠密砂樁的部分作用可以替換巖土地基中部分強度較低的巖土體，如強度較低的軟土地基，從而形成復合地基。在外力作用下，砂樁將會承受較大的荷載，從而降低軟土地基所承受的荷載，減小地基的沉降量[9]。

（4）墊層作用:擠密砂樁是兩層巖土體之間的墊層，使地基承受的荷載重新分布，防止局部應力集中[10]。

4.3 地基處理效果研究

根據砂樁設計，設計砂樁間距為5.0 m，按照正方形進行布設，砂樁底部嵌入礫石層。根據砂樁設計結果，建立有限元數值模擬計算模型，見圖3。地基處理數值模擬計算結果見圖4。

圖3 地基處理數值模擬模型

由圖4可知，在使用擠密砂樁對地基巖土體進行處理后，形成復合地基。地基的沉降結果得到了明顯的改善，最大沉降量僅為0.124 m，小于此處土壩高度的百分之一，沉降數據滿足工程設計要求。不均勻沉降差的差值為0.07 m，對整個土壩穩定性的影響可以忽略。因此，使用擠密砂樁進行地基處理，在防沉降方面是可靠的。

圖4 地基處理數值模擬計算結果

5 結論

（1）使用數值模擬方法，對天然地基的沉降進行分析，不進行地基處理時，最大沉降量可達1.0 m以上，嚴重影響土壩結構的穩定性，同時，最大沉降差值為0.2 m，地基中將會產生較大的不均勻沉降。

（2）針對天然地基沉降較大問題，提出使用擠密砂樁法進行地基處理。通過數值模擬分析，最大沉降量減少為0.124 m，最大沉降差為0.07 m，擠密砂樁在進行此類地基處理時具有較好的使用效果，可為類似提供參考。