振沖碎石樁在金康水電站中的應用

蘇瑋

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

金康水電站位于四川省甘孜州康定縣境內的大渡河一級支流金湯河上，系金湯河梯級開發規劃的最末一級電站，為低閘引水式開發。工程主要由首部樞紐、引水系統、廠區樞紐等建筑物組成。水庫具有日調節性能，水庫正常蓄水位高程為1974 m，死水位高程為1969 m，電站裝機2臺，總裝機容量150 MW。

首部樞紐建筑物從右至左依次布置了右岸擋水壩段、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、1孔排污閘、左岸擋水壩段及取水建筑，取水建筑由取水口和進水閘室組成。閘壩壩頂高程為1976 m，閘壩壩頂全長約94.91 m，最低建基面高程為1956 m，最大壩高20 m。閘、壩基礎均建于河床覆蓋層上，河床覆蓋層最深達90 m 以上。

2 工程地質條件

金康水電站首部樞紐閘壩基礎河床覆蓋層深厚(大于90 m)，按其物質組成、結構自下而上可劃分為3層，主要由Ⅰ層:漂(塊)卵(碎)礫石夾沙土(fglQ3)，Ⅱ-①層:粉質壤土(lQ4)、Ⅱ-②層:粉細沙(lQ4)和Ⅲ層:含卵礫石沙土層(alQ4)組成。基礎持力層為Ⅲ層含卵礫石沙土層(該層總體結構較松散，鉆孔注水試驗滲透系數K=8.06×10-3cm/s，具中等透水性)和Ⅱ層的粉細砂及粉質壤土層(該層室內滲透試驗結果表明K=1.97×10-4～4.82×10-5cm/s，具弱透水性。)，屬軟基建閘。Ⅲ層沖積層顆粒較細，結構不均一，局部為架空結構，允許承載力［R］=0.25～0.3MPa，壓縮模量Es=25～30 MPa，其承載力和抗變形能力較低;Ⅱ層以粉細砂、粉質壤土為主，允許承載力［R］=0.1～0.12 MPa，壓縮模量Es=3～5 MPa，其承載力和抗變形能力低，不能滿足閘壩基礎要求。閘基覆蓋層地基各層次結構復雜，成因類型不同，顆粒大小懸殊，結構不均一，各層物理力學性質、透水性和抗滲穩定性差異較大，存在閘基滲漏、滲透變形、不均勻變形等問題且Ⅱ、Ⅲ層均屬于液化土。

閘址區覆蓋層物理力學參數建議值見表1。

由于閘址位于高地震區，且為深厚覆蓋層上修建的閘壩，成層結構復雜，各層物理力學性能、透水性和抗滲穩定性能差異較大，存在閘基滲漏、滲透變形穩定和不均勻變形等問題且Ⅱ、Ⅲ層均屬于液化土。因此，為防止地基內砂土在地震力作用下發生液化以及地基的不均勻沉陷，必須進行閘基防滲和閘基加固處理，以滿足閘壩基礎承載力要求。

3 閘壩基礎處理方案選擇

3.1 地基處理方法

目前地基處理的方式主要有:挖基回填夯實、挖基回填混凝土、強夯基礎、樁基礎、挖孔樁基礎、振沖碎石樁、高壓旋噴樁基礎和基礎灌漿等方式。

(1)挖基回填夯實。

對于承載力不夠的地基，采用挖出松散土至合格土層、再回填合格土夯實的方法。該方法主要適合于挖填土工程量不大的基礎處理。

(2)挖基回填混凝土。

挖基回填混凝土的方法是挖出松散土至設計承載力層后再回填混凝土。該方法的原理是因地基承載力不夠，采用混凝土回填基礎以加大地基承載面積，適用于地基承載力差異不大且不液化或地震烈度低的地基。

表1 閘址覆蓋層物理力學指標匯總表

(3)強夯基礎。

強夯基礎是采用強夯設備對地基進行強夯加密，以提高地基承載力。一般強夯加密的深度在7 m 以內。因此，地基強夯主要是用于基礎淺層處理，且為具有可夯性的、含有一定粘性的砂礫石土。

(4)樁基礎。

樁基礎是利用打樁機將預制的樁打入地基。由于水電工程是在河道上修建建筑物，主要需處理河床軟基，而這類基礎一般多含漂、卵石，樁基無法打入。因此樁基礎主要用于工民建。

(5)挖孔樁基礎。

挖孔樁基礎是采用先挖孔再澆鋼筋混凝土樁，適用于對地基承載面積不大，承載力要求較高且基礎土體含有大的漂卵石的地基，主要用于工民建。

(6)振沖碎石樁。

振沖碎石樁施工是利用振沖設備對地基震動形成空洞的同時，碎石沿振沖器一起進入土體對土體進行加密。由于所形成的振沖樁具有一定的滲透性，加快了土體的排水，使土體加快固結，可防止土體液化，提高承載力。目前，國內振沖樁最大深度已達到近30 m，因此，振沖樁主要適用于軟弱液化地基的處理。

(7)高壓旋噴樁基礎。

高壓旋噴樁處理地基是利用高壓旋噴設備在將孔打到設計深度后，鉆頭噴槍在旋轉噴射混凝土漿液的同時將鉆桿逐漸提出，使鉆孔周圍一定范圍內的土體被混凝土漿液固結，形成具有一定強度的樁體。主要適用于覆蓋層深度較深、具有一定滲透性的砂礫石地基。

(8)基礎灌漿。

基礎灌漿是在破碎巖石基礎中采用混凝土灌漿，將破碎巖石膠結成整體，既提高了基礎的強度，又防止了基礎滲漏，一般用于巖石基礎處理。在土石壩中主要用于對地基灌漿以形成帷幕，帷幕與大壩和防滲墻一起形成防滲體。

3.2 本工程地基采用的處理方法

本工程等級為Ⅲ等，永久性擋水、泄水建筑物按3級標準設計。根據我國現行的水閘設計規范要求，由閘址區的地質條件和閘壩的受力特點確定該基礎處理設計的基本原則是:

(1)滿足閘基及兩岸土體的滲透穩定，減少繞壩滲漏，控制滲流量為枯水期多年平均來水量的1%左右。

(2)防滲帷幕的布置和深度應伸入到透水率不大于5 Lu 的巖層內3～5 m 并與防滲墻布置協調一致。

(3)為解決閘、壩基礎的抗液化能力，需提高基礎承載能力，減少建筑物的不均勻沉降。

根據樞紐布置，除岸邊壩段外，閘、壩基礎均置于河床覆蓋層上。鑒于閘址主河槽覆蓋層深度大于90 m ，基礎持力層主要集中在Ⅱ、Ⅲ層，且Ⅱ、Ⅲ層又屬于液化土范疇，為此，要解決閘、壩基礎的抗液化能力，必須提高基礎的承載能力，以減少建筑物的不均勻沉降。

由于本工程閘、壩基礎均屬深厚覆蓋層基礎，抗震能力差，屬液化土，且工程區域在高地震烈度區域，基礎處理主要解決地基承載力并提高抗震能力。根據上述各種地基處理方法的適用性，選擇振沖碎石樁對地基進行處理。

4 大功率振沖器的試驗成果

采用振沖碎石樁對砂層地基進行加固是本工程砂層抗液化理想的處理方法，振沖法對砂類土具有良好的擠密作用，是國內外消除地基液化的有效方法。根據目前國內現狀，常采用的振沖器功率為75 kW、100 kW。由于金康水電站閘壩基礎地層復雜和樁深較大，特別是振沖處理基礎部分表層含有大塊漂石層，需要使用更大功率的振沖器進行造孔制樁。金康水電站在國內首次采用功率125 kW 的振沖器進行大面積的閘壩基礎處理。但是，使用功率125 kW 振沖器的施工經驗還不成熟，對含大塊漂石層的地層造孔仍很困難，振沖器不能穿過，因此，設計人員從施工工期和振沖方案可行性方面考慮，設計開挖除去基礎部分表層所含的大塊漂石后再進行振沖法地基處理。

在閘基、海漫等建基面分別進行了不同樁間距的振沖碎石樁生產性試驗，按兩個等邊三角形組成平行四邊形布置，試驗成果見表2、3。

表2 振沖碎石樁單樁、樁間土靜載荷試驗成果表

表3 振沖碎石樁標貫(N63.5)、重力觸探(N120)、地震波檢測成果表

現場試驗檢測成果表明，經采用振沖置換法加固地基后，復合地基承載力、壓縮模量都得到較好的改善，首部樞紐主要建筑物基礎經過振沖碎石樁處理后達到了地基抗液化的各項指標，防止了地層在地震情況下發生液化。

5 閘壩基礎振沖碎石樁的布置設計

根據基礎處理設計原則，對首部樞紐各部位基礎采用直接振沖置換法進行加固處理。閘室、擋水壩、進水口、鋪蓋、護坦基礎振沖碎石樁間排距均為2 m，海漫基礎振沖碎石樁間排距為2.5m，按梅花形樁位布置，振沖樁的平均樁徑為1.2 m。

6 閘壩基礎沉降分析與評價

根據首部樞紐的布置及分縫，劃分為泄洪閘部分，沖沙閘、排污閘部分和左、右擋水壩部分，考慮的工況為正常蓄水位工況和完建工況，并進行了相應的沉降計算。計算成果見表4。

綜合分析以上計算結果，在地基處理之前，在完建和正常蓄水兩種工況下，閘室的沉降量和沉降差均不滿足規范要求。閘壩基礎經振沖碎石樁處理后，粉細砂層和粉質壤土層的壓縮模量由處理前的4 MPa 提高到27 MPa。經計算，閘室最大沉降量為9.59 cm，最大沉降差為3.62 cm，兩種工況下閘室的沉降量和沉降差均比較小。建基面允許承載力由處理前的0.28 MPa 提高到0.36 MPa，均大于建筑物基礎應力。經振沖加固處理后，有效地減少了地基沉降，使沉降差在規范允許的范圍內，首部樞紐主要建筑物基礎經過振沖碎石樁處理后達到了地基抗液化的各項指標(表4)。

表4 閘、壩基礎處理前、后沉降計算成果表

7 結語

目前，對基礎處理采用的方法和適用性還少有系統介紹，特別是振沖碎石樁的應用，過去由于受設備能力的影響，振沖樁的處理深度不夠，工程應用較少。隨著工程設備制造技術的提高，振沖碎石樁的技術應用越來越廣泛，筆者通過金康水電站首部樞紐在采用大面積、大功率深孔振沖碎石樁穿過砂卵礫石沙土層進行地基處理的實際成果，系統介紹了各種地基處理的方法和適用性，并著重介紹了振沖碎石樁技術。對地基處理，特別是振沖碎石樁技術的應用具有指導意義。