紅葉二級水電站廠房基礎處理研究

何建華 謝紅英 何朝洗

1 工程概況

1.1 概述

紅葉二級水電站位于四川省阿壩州理縣境內的雜谷腦河干流上,為雜谷腦河干流(蘆干橋至下莊河段)規劃開發的第二梯級電站。電站為低閘引水式開發,由首部擋水和取水建筑物、引水建筑物和發電廠房等建筑物組成,裝機容量為 3×3.5MW。

1.2 廠房基礎地質條件

廠房位于雜谷腦河左岸漫灘上,地形平坦開闊。廠基覆蓋層厚度大于 40m,從上至下共分三層:

①現代河床上部沖積(alQ24)漂(塊)卵石層,厚 5m～8m,結構松散,屬強透水層;②河流沖積(alQ14)砂卵(碎)礫石層,厚 25m～30m,屬中等～強透水層。該層下部(1902m～1905.6m高程)有一厚 2m～4.75m的含卵礫石砂層透鏡體,局部為純砂透鏡體;③冰水堆積(fglQ3)的含砂土漂(塊)卵(碎)石層,結構較密實。

廠房建基面高程為1917m,位于砂卵礫石層(廠房基礎地層分布圖見圖 1),建基面以下大約 12m深處有一含卵礫石砂層,厚度變化較大,約為 2 m～4.75 m,承載力低,僅有 0.15MPa～0.20MPa,其壓縮模量為 15MPa,而且局部為純砂透鏡體,廠房長期運行有可能引起不均勻沉降變形,因此須對廠房進行地基應力和基礎沉降計算復核,并根據計算結果采取一定措施進行基礎處理。

2 廠房地基基礎設計

2.1 計算

1)地基應力計算。計算中,地基應力計算主要選取了正常運行、非常運行、施工完建期、機組未安裝、地震等工況,其計算結果見表 1,表 2。經計算,地基表層最大應力為 0.425MPa,含卵礫石砂層的最大地基應力為 0.23 MPa,均小于地基允許承載力,故須對基礎進行處理。

表1 地基應力計算結果

表2 廠房基礎各層地基應力與地基允許承載力對比表 MPa

2)地基基礎沉降計算。基礎沉降計算主要選取施工完建期、正常運行期以及地震期三種工況,根據《土力學及地基基礎》,采用復合地基單向壓縮分層總和法進行計算。選取地基基礎建基面高程以下 30m進行計算。計算結果見表 3。

表3 地基基礎沉降計算結果表

通過計算可以看出:地基上下游側的沉降差較大,須對基礎進行處理。

2.2 基礎處理方案比較

2.2.1 砂石樁法

砂石樁法適用于擠密松散砂土、粉土、粘性土等,也可用于處理可液化地基,砂石樁法加固的地基深度一般為 7m～8m,而該工程的軟弱層(含卵礫石砂層)位于廠房建基面以下至少 12m深度,故考慮設計樁長至少為 15m,其施工順序為:樁架就位→打設→灌注砂→拔樁管,活瓣樁尖張開,砂留在樁孔內→樁管打到設計標高→灌注砂→拔樁管完成擴大砂樁。其主要用到的機械有:振動機、裝砂料斗、振動套管等組成的振動打樁機、起重機、鏟式裝載機、空壓機等。該方法工序復雜、用到的機械較多。

2.2.2 高壓噴射注漿法

該方法主要適用于處理淤泥、淤泥質土、流塑、軟塑可塑粘性土、粉土、砂土等,分為旋噴、定噴和擺噴三種類別,水電站一般采用高壓旋噴。用到的主要施工機械有:根據現場地質情況選用不同功率的高壓泥漿泵、高壓水泵、鉆機、泥漿泵、空壓機、泥漿拌壓機、單管等。施工中容易出現的問題有:固結體強度不勻、縮頸;壓力上不去,處理效果差;壓力驟然上升,灌漿量太多,投資大;鉆孔、成管困難;固結體頂部下凹。同時,該方法造價高。

2.2.3 振沖法

振沖法也稱振沖水動法,是利用振動器的高頻振動和水泵噴射高壓水流的共同作用成孔,清孔后在孔中填以砂石骨料,借振動器的水平及垂直振動,振密填料,形成碎石樁體與原地基構成復合地基以提高地基承載力和改善土體排水通道、加速土體固結。適用于處理砂土、粉土、粉質粘土、素填土和雜填土等地基。它的設計要點包括:處理范圍、樁位布置、樁體深度、樁體材料、樁體直徑等幾方面。其施工順序是:定位→振沖下沉→振沖至設計標高并下料→邊振邊下料,邊上提→成樁。用到的施工機械有:振沖器、升降機具等。

結論:三種方法比較,砂石樁法施工工序較多,施工較復雜,用到的施工機械多,因而造價較高,在水電工程運用不是很多;高壓噴射注漿法施工過程中對壓力的要求高,對施工機械和施工技術的要求高,難度較大,但在水電工程運用比較多,整體造價較高;振沖法施工簡單,造價低,多數施工后都能達到比較理想的效果。

綜合以上各種方法的特點,參考其他類似工程的經驗,同時考慮適度控制基礎處理工程量和處理造價。經比較,采用振沖碎石樁對基礎進行處理。

3 布置設計

3.1 布置參數(處理范圍、樁徑、樁孔深度、樁體材料)確定

由于該電站廠房建基面整體面積不大,采用全范圍布置費用也不太高,但效果會更理想。因此,在廠房建基面進行滿堂布置。

考慮該工程的規模和工期要求,無做現場試驗的條件,設計過程中,通過工程類比,參考了其他工程的經驗進行設計。考慮目前國內已有振沖器的功率都不太大,如果設計的樁徑太大,而振動力不足,則施工質量難以保證,成樁的密實度不高,影響工程質量;如果設計的樁徑太小,影響器械的操作,也會有施工質量不好的缺陷。因此,設計選取樁徑為 1m。

該工程選用的振沖器為 150 kW,土層上層為砂卵礫石層,樁徑為 1m,故設計中基礎中部大面積選取振沖樁樁距為 2.9m,凈距 1.9m,在基礎邊沿進行加密處理,同時向基礎外增加一排樁,故設計時基礎邊沿樁間距為1.45m,實際凈距 0.45m。

根據廠房基礎的地質條件,建基面位于砂卵礫石層,在距建基面以下大約 12m深處,局部范圍內有含卵礫石砂層,厚度約為2m～4.75m,故樁孔設計深度至少應為 14m～16.75m,故設計時選取樁孔深度 17.00m。由于振沖樁深度受現場實際地質情況影響很大,故該設計深度可根據現場施工情況進行調整。

樁體材料可用含泥量不大于 5%的碎石、卵石、礦渣或其他性能穩定的硬質材料,不宜使用風化易碎顆粒,其填料級配根據現場情況確定。

3.2 施工要求

由于施工方法和施工步驟對質量的影響很大,因此,施工時應嚴格按以下的步驟進行:

1)清理平整施工場地,布置樁位。2)施工機具就位,使振沖器對準樁位。3)啟動供水泵和振沖器,水壓、水量通過試驗調整,將振沖器徐徐沉入土中,造孔速度宜為 0.5m/min～2.0m/min,直到設計深度。記錄振沖器經各深度的水壓、電流和留振時間。4)造孔后邊提升振沖器邊沖水至孔口,再放至孔底,重復兩三次擴大孔徑并使孔內泥漿變稀,開始填料制樁。5)大功率振沖器投料可不提出孔口,小功率振沖器下料困難,可將振沖器提出孔口填料,每次填料厚度不宜大于 50 cm。將振沖器沉入填料中進行振密制樁,當電流達到規定的密實值和規定的留振時間后,將振沖器提升 30 cm～50 cm。6)重復以上步驟,自上而下逐段制作樁體直至孔口,記錄各段深度的填料量、最終電流值和留振時間,并均應符合設計規定。7)關閉振沖器和水泵。

4 現場施工反饋

廠房基坑開挖至基礎振沖作業高程,用 150 kW的振沖機試振沖基礎,其振沖深度難以達到設計深度 17.0m,為了進一步探明廠房基礎下層地質情況,對廠房基坑進行復勘工作。根據現場鉆孔,進一步地質勘測的結果是:廠基覆蓋層由上至下分為三層:①沖積砂卵礫石層,層厚變化為 5.25m～9.2m,其中局部碎屑砂透鏡體分布,層厚 1m,頂面埋深 4.2m;②沖積含礫石砂層,呈透鏡體展布于廠基靠山體一側,層厚小于 1.8m,頂面埋深 8.5m～9.2m;③沖積含(漂塊)卵礫石砂層,分布于廠基下部,其結構密實。因此,對廠房基礎振沖碎石樁的布置設計作出如下調整:

1)對原設計的振沖碎石樁的深度調整為 10.00m左右,直到不能貫入為止。2)對廠房基礎下層有砂層的部位,加密振沖碎石樁,其布置見圖 2。

振沖樁施工完成后,采用超重型動力觸探(N 120)結合聲波穿透測試的方式對廠房基礎振沖樁質量及效果進行了現場測試,其基礎承載力達到 0.625MPa,變形模量 E0=52 MPa,聲波縱波平均速度VP=2900m/s。相對于基礎處理前,其容許承載力及變形模量均有較大提高,滿足對地基承載力和沉降的設計要求。

5 結論及評價

目前,隨著國民經濟的發展,水電站發展和建設都處于我國歷史高峰期,由于水電站一般都處于山區,其地形地質條件復雜多變,很多的水電站都面臨基礎處理的問題。基礎處理的方法很多,隨著工程機械、施工技術的發展進步,選擇安全合理、經濟節約、施工簡單的基礎處理方法,成為工程發展的趨勢,振沖法作為一種處理效果好,工程造價低,施工機械簡單,施工方法可行的基礎處理方法,會越來越多地運用于水電工程。

[1]錢家歡.土力學[M].第 2版.南京:河海大學出版社,2008.

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