振動水沖法在粘土心墻砂殼壩加固工程中的應用

任海民

（泰安市水利勘測設計研究院 271000）

中國是個多地震國家，土壩的抗震設計和抗震加固是項十分重要的工作。新中國成立后，興建的水庫中約1/3是粘土心墻砂殼壩。由于壩的砂殼在施工時受當時各種條件所限，碾壓質量不好，密度較低，相對密實度有的僅為0.2～0.4左右，抗震性能很差。特別是上游面或浸潤線以下的飽和區，地震時由于孔隙水壓力急劇上升，壩殼砂土極易液化失穩，從而導致滑坡等事故發生。

山東省屬多地震區，且水庫眾多，僅大中型水庫就有175座，多為粘土心墻砂殼壩，心墻質量較好，但砂殼質量較差，普遍存在碾壓不實、相對密實度低、抗震穩定性差等問題。各方面的研究和實踐證明：采用振沖技術加固大壩砂殼上游坡及浸潤線以下飽和區，從技術經濟上，可節省工時、縮短工期、免用“三材”、大幅度地節省工程投資；從社會效益上，無需完全放空壩中的水，保證了大壩某些功能的正常運行。振動水沖法為砂殼壩的抗震加固開辟了一條新的途徑。

1 振沖加固機理

用振動水沖法加固砂殼，就是在振沖器不斷振動和射水的過程中，使孔內附近砂土和填料液化，便于振沖器下沉，同時將懸浮砂粒及填料擠入孔壁，并傳播振動和滲透壓力，擴大液化區，使土粒重新排列，固結密實。其加固過程大致可分為：振擠、浮振和固結三個過程。振擠和浮振過程，在振沖時幾乎同時發生，但造孔時主要為振擠，留振時主要為浮振及振擠作用；固結過程一般發生于停振之后，但在全孔停振之前，固結實際也已開始。振沖加固的效果，主要同下述幾項有關：振沖器的性能、砂殼材料的特性、施工質量、邊界條件及設計指標等。

2 振沖區的確定及設計

土壩上游砂殼振沖加密，一般情況下，不必像通常所考慮和實行的那樣貫穿壩體整個深度進行全斷面加固，只需在易于液化的壩坡上層區，即平行于壩坡一定深度的上層或浸潤線以下飽和區進行加密，就可抵御一定設防的地震烈度，獲得符合設計要求的抗震穩定性。擬定了加固深度以及加固的相對密實度后，要采用加固后動力有限元分析法進行核算，以最終確認加固后的抗震穩定性。并可用圓弧滑動法驗證整個壩體的整體穩定性。如果安全度達不到要求，則需調整加固區和加固深度，直到全斷面符合要求為止。

振沖設計主要包括：振沖機具的選擇、振沖孔距的確定、振沖施工方法確定、振沖施工工藝確定、振沖填料的要求、壩殼本身的地質情況以及施工質量的控制等。而振沖孔距的確定，是確保施工質量達到設計密實度要求的一個重要環節，但目前對孔距的設計還沒有精確的計算公式，一般按等邊三角形布置，孔距可按下式計算：

eo——砂土加固前的原始孔隙比；

e——加固后要求達到的砂土孔隙比；

e1——回填料的孔隙比，一般可采用0.5；

V——每孔填料數量，可根據現場實驗確定，m3；

s——振沖孔深度，m。

由于現場情況和填料的復雜性，加之施工工藝的控制因素不同等原因，孔距的設計僅是參考值，在正式施工前，應在加固場地進行現場施工性實驗，以最后檢查和驗證設計孔距是否能達到預期的加密效果，否則就應當進行調整，直至達到要求為止。

3 振動水沖法施工

3.1 施工設備

振動水沖法施工的主要機械除振動器外，還有吊車、高壓水泵及配電盤等配套設備。

3.2 施工工序流程

測量定樁位→振沖器對位→鉆進振沖到設計標底→邊提升振動器邊加料→樁體完成。

3.3 施工質量控制

a.振沖器定位時其偏差應小于5cm，貫入時，導管傾斜度應小于2°，大于2°時就要重新貫入造孔。

b.貫入造孔時下噴水口水壓應控制在300～400kPa（視加固深度和地質情況而定），如電機電流上升到接近額定電流以上時，應立即停止貫入，并適當加大下噴水口壓力，同時上下起落振沖器，待電流正常后，再繼續貫入。

c.振沖器貫入到距預定孔深0.3m左右時，應減小下噴水口壓力，同時增大上補水口流量，保證孔內有充足的水源，以便使砂土在振動力作用下有充足的液化條件，以免影響加固效果。

d.進行填料振密時，應逐段提升、逐段振密，確保留振時間。

e.填料時應在振沖孔四周均勻填料，使之塞滿振沖器四周，以免振沖器偏移。

f.填料所用的材料含泥量要小于5%，其有效粒徑D10要不小于0.4mm，其中粒徑大于2mm的礫石含量不超過5%。

4 工程實例

位于山東省泰安市境內的東周水庫，始建于1959年，限于當時條件，大壩壩殼原設計標準偏低，加之施工方式和機械落后，自建成后到工程加固前發生了幾次大面積滑坡等事故。其主要原因就是大壩壩殼的砂粒相對密實度偏低，經勘察求得砂殼的相對密實度Dr在0.11～0.51之間，在砂粒料受到震動時，局部壩體粒料產生液化，造成壩體失穩。針對此種情況，對大壩進行了加固處理。

根據《碾壓土石壩設計規范》和《水工建筑物抗震設計規范》的要求，加固后壩殼的相對密度不低于0.75，壩殼在7度地震作用下各計算單元的抗液化安全度應大于1.05，針對該壩穩定性差、液化范圍廣的特殊情況，采用拋石壓重、振沖加固和壩坡翻壓組合方法對大壩進行加固處理（見下圖）。

大壩加固平面示意圖

由于該大壩上游坡在死水位以下存在大范圍液化區，且該區域地質條件也符合振動水沖法施工，因此對上游坡高程216.55～221.00m區域進行加固，設計相對密實度Dr=0.75。振沖樁按梅花形排列，順壩軸線方向樁距1.8m，垂直壩軸線方向排距1.5m，采用55kW和75kW振沖器，填料為中粗砂。該工程共完成振沖樁4875根，總進尺35414m，用料33643萬m3。工程完成后，采用標準貫入試驗進行了鑒定，部分結果見表1、表2。

表1 0+782.5樁號探坑相對密實度統計

表2 1+006樁號探坑相對密實度統計

通過精心組織，嚴密施工，工程取得了良好效果，獲得了山東省水利廳組織的專家組的一致好評，項目順利地通過了驗收。

5 采用振動水沖法施工應注意的問題

a.土質類型對采用振沖法的加密效果有直接影響。礫石、密砂和地下水位過深的地方使用此法不經濟，實際上也不可能或不必要。此法最適于加密地下水位以下松散的中粗砂，如含有粘土，特別是有機質土，會給施工帶來困難或造成加密效果不明顯。

b.要達到良好的加密效果，必須投入充足的填料。潔凈的粗砂、礫石、碎石等都可用作填料，填料最好不含細粒土，礫石太大也不好。

c.根據砂殼壩的地質情況及振沖器具的不同，在正式施工前必須進行振沖施工性實驗，以獲得滿足設計要求的設計參數和施工參數。