西北某水電站濕陷性黃土地基處理方案綜述

劉婷

(新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院一分院,新疆石河子 832000)

西北某水電站濕陷性黃土地基處理方案綜述

劉婷

(新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院一分院,新疆石河子 832000)

本文論述了西北某水電站濕陷性黃土地基處理方案，本工程采用碎石樁+CFG樁的復合地基方案和鋼筋砼灌注樁樁基方案進行了比較。處理經驗可供同類工程參考借鑒。

濕陷性黃土 鋼筋砼灌注樁 CFG樁

1 工程概況

西北某水電站為引水式電站，電站工程主要由引水渠首、引水渠、前池、壓力管道、泄水陡坡、廠房、尾水渠和防洪堤等組成。電站設計水頭135m，設計引水流量60.6m3/s,設計發電流量56.8m3/s,裝機容量66MW，設計年發電量2.55億kW.h。

2 工程存在的主要地質問題

本電站存在的主要工程地質問題是前池基礎、壓力鋼管及泄水陡坡上段基礎位于黃土地層，黃土地基承載力低且具自重濕陷性，影響建筑物工程安全性。

廠區前池黃土厚度自地表起可達45m，建基面以下濕陷性黃土厚度15m，地基主要持力層巖性為上更新統卵礫石，地基承載力400kPa。壓力管坡地層巖性復雜，其中全新統坡積物及低階地沖洪積含礫粉土工程地質條件差，不適宜作為建物地基，第三系泥巖具崩解性和弱膨脹性,地基承載力300～400kPa。

圖1 前池基礎處理示意圖(鋼筋砼灌注樁樁基方案)

圖2 壓力管道基礎處理示意圖(鋼筋砼灌注樁樁基方案)

3 廠區建筑物地基處理方案

3.1 廠區建筑物工程地質概況

3.1.1 前池工程地質條件

前池位于Ⅳ級階地第四系上更新統風積(Q3eol)黃土邊坡上，地基土自上而下分為三層：

①第四系上更新統風積(Q3eol)黃土，土黃色，干燥，稍密～中密，具孔隙，且孔隙雜亂，土層內含白色物和蝸牛殼。前池建基面以下黃土層厚度約32m，建基面至1186m高程之間為自重濕陷性黃土，建基面以下9m范圍濕陷系數多大于0.03，為中等—強烈濕陷，9m～16m濕陷系數多小于0.03，為輕微濕陷，濕陷起始壓力100KPa～175KPa，地基承載力90KPa。1186m高程以下為非濕陷性黃土。②第四系上更新統沖積(Q3al)卵礫石，青灰色夾灰白色，干燥，中密～密實，顆粒磨圓度好，中粗砂充填，最大粒徑420mm。天然密度平均值2.15g/cm3，天然含水率平均值0.3%，變形模量50MPa。③第三系中～上新統(N1-2)泥巖，桔黃色、灰黃色，弱風化，成塊狀、厚層狀，天然密度2.26g/cm3，含水量13.8%，屬極軟巖，屬微膨脹巖，具崩解性。強風化層1～3m，強風化層允許承載力建議值300kPa，弱風化層允許承載力建議值500kPa，變形模量30MPa。

3.1.2 壓力管坡工程地質條件

圖3 泄水陡坡基礎處理示意圖(鋼筋砼灌注樁樁基方案)

表1 廠區各建筑物地基處理方案工程投資匯總表

壓力管坡由Ⅳ級階地向河岸低階地、河漫灘延伸，管坡地基穿越土層巖性變化較大，地質條件復雜。根據其地層巖性、地貌單元的不同，由北向南分別敘述如下：

①第四系上更新統風積黃土層：位于Ⅳ級階地階坡上部，土黃色，干燥～稍濕，具孔隙，稍密～中密，下部接近卵礫石層黃土，密實。濕陷性黃土厚度自南向北逐漸變大，階地斜坡1174m以上為濕陷性黃土，1174m以下為非濕陷性黃土，前池位置1186m以上黃土為濕陷性黃土，1186m以下為非濕陷性黃土，地基承載力建議值90kPa。

②第四系上更新統沖積卵礫石層：位于Ⅳ級階地中部，青灰色、灰白色，干燥，中密～密實，顆粒磨圓度好，中粗砂充填，最大粒徑420mm。天然密度2.15g/cm3，天然含水率0.3%，變形模量35MPa，承載力建議值400kPa。

③第四系全新統坡積含礫粉土層：位于Ⅳ階地坡腳，土黃色，干燥～稍濕，含卵石，稍密，土質不均，該層由階地黃土、卵礫石坡積堆積而成，具濕陷性，中～高壓縮性。該層承載力70kPa。壓力管坡及泄水陡坡均有局部段位于該層中，該層厚度變化大，土質不均，不適宜作為建筑物地基。

④第三系中～上新統(N1-2)泥巖：主要構成階地基座，壓力管坡在穿越Ⅲ級階地(Q3al)后，地基土巖性均以該層為主，桔黃色，局部結構面具擦痕，天然密度2.26g/cm3，含水率13.8%，屬極軟巖，自由膨脹率42～57%，為微膨脹巖，表層1～3m為強風化，允許承載力建議值300kPa；3～5m為弱風化巖，允許承載力建議值500kPa；17～38m為微風化巖，允許承載力建議值800kPa，變形模量30MPa。

3.1.3 泄水陡坡工程地質條件

泄水陡坡沿線工程地質條件基本與壓力鋼管基本一致。

3.2 廠區建筑物不良地質處理方案

3.2.1 制定處理方案的原則

地基處理以消除或減輕濕陷變形并提高地基承載力為基本原則，以處理后的地基承載力滿足建筑物基地應力為目標確定處理方案。

3.2.2 前池地基處理方案

前池建基面以下黃土層厚度約32m，16m范圍之內為自重濕陷性黃土，16m～32m范圍為非濕陷性黃土，建基面天然地基承載力90KPa。依據前池部位基地壓力計算，基地壓力在120KPa～230KPa之間。根據建基面以下黃土的厚度、濕陷程度，參考濕陷性黃土地基處理的一般經驗，對前池地基處理擬定碎石樁+CFG樁的復合地基方案和鋼筋砼灌注樁樁基方案。

碎石樁+CFG樁方案屬復合地基，其中碎石樁的主要功能是消除濕陷并提高承載力，處理深度范圍為濕陷性黃土層，平面為整個建基面；CFG樁的主要目標是在基地壓力較大部位對處理過的碎石樁復合地基進行加強，CFG樁樁端穿透整個黃土層至砂礫石地層頂面，平面為基地壓力較大的前池閘室和排冰閘閘室。結合黃土特性和地基計算結論，碎石樁采用振沖水沖法，樁徑70cm，樁間距2m，處理后復合地基承載力164KPa，CFG樁采用長螺旋孔內泵壓CFG樁施工，CFG樁樁徑60cm，樁間距3m，處理后復合地基承載力301KPa，處理后的地基承載力滿足要求。

鋼筋砼灌注樁屬樁基礎，主要靠樁周摩阻力和樁端端阻力承擔前池荷載。結合前池基礎以下各地層巖性和計算結果，鋼筋砼灌注樁樁徑1m，樁距5m，樁基穿透整個黃土層至砂礫石地層頂面，經計算鋼筋砼灌注樁總承載力7500t，上部荷載總荷載6358t，滿足設計要求。

通過測算，碎石樁+CFG樁處理方案投資505.10萬元，鋼筋砼灌注樁方案投資598.68萬元，兩種方案均滿足設計要求，基礎處理的投資相差不大，但碎石樁+CFG樁方案所需的施工機械種類較多，相互之間的施工干擾較大，施工工藝較為復雜，而鋼筋砼灌注樁基方案技術較為成熟，施工工藝較為簡單，工程安全性能較高，前池基礎處理采用鋼筋砼灌注樁樁基方案(見圖1)。

3.2.3 壓力鋼管地基處理方案

依據工程布置方案和工程地質條件，壓力鋼管樁號管0+019.563～管0+092.364支墩位于黃土層，黃土具濕陷性，地基承載力90KPa，經計算支墩基地壓力130KPa。由于地基承載力不滿地基地壓力要求且黃土具濕陷性，因此需對該管段支墩地基進行處理。地基處理方案擬定碎石樁+CFG樁的復合地基方案和鋼筋砼灌注樁樁基兩種方案。

碎石樁+CFG樁方案復合地基和鋼筋砼灌注樁方案的布樁原則同前池。其中碎石樁具體布置為：對具濕陷性黃土層的管槽進行整體擠密(樁徑70cm，樁間距2m)，之后在支墩基地部位增設CFG樁加強，樁端穿透黃土至砂礫石地層頂面，處理后支墩基底的復核地基承載力284KPa。鋼筋砼灌注樁布樁范圍為黃土段所有支墩，每個支墩3根，樁端穿透黃土至砂礫石地層頂面，灌注樁承載力2725t，支墩荷載(含鋼管)1047t。兩種方案均滿足設計要求。

通過測算，碎石樁+CFG樁處理方案投資108.85萬元，鋼筋砼灌注樁方案投資120.59萬元，考慮到壓力鋼管地基處理的總頭及兩種方案投資差值不是很大，但鋼筋砼灌注樁安全性能較高，而壓力鋼管為本電站的重要建筑物且對地基對變形的要求較高，將鋼筋砼灌注樁樁基作為壓力鋼管地基處理的推薦方案(見圖2)。

3.2.4 泄水陡坡地基處理方案

依據工程布置方案和工程地質條件，泄水陡坡樁號泄0+000～0+200(長度200m)位于黃土層，具濕陷性，地基承載力90KPa，經計算泄水陡坡排冰閘后消力池段基地壓力98.5KPa，泄水陡坡部分段落地基承載力不滿地基地壓力要求且黃土具濕陷性，濕陷起始壓力較小，因此需對該管段泄水陡坡地基進行處理。地基處理方案擬定碎石樁復合地基方案和鋼筋砼灌注樁樁基兩種方案。

碎石樁和鋼筋砼灌注樁方案的布樁原則同前池。其中碎石樁具體布置為：對位于黃土層的陡坡地基進行整體擠密(樁徑70cm，樁間距2m)，以消除濕陷并提高地基承載力，處理后碎石樁復合地基承載力160KPa。鋼筋砼灌注樁布樁范圍為黃土段地層的陡坡基地，間距5m，樁端穿透黃土至砂礫石地層頂面，灌注樁承載力2531t，泄槽荷載2109t(荷載較大的排冰閘后消力池段為代表計算)。兩種方案均滿足設計要求。

通過測算，碎石樁方案投資161.05萬元，鋼筋砼灌注樁方案投資198.61萬元，考慮到泄水陡坡為本電站工程的主要建筑物，從提高工程安全性，并兼顧其他建筑物選定的處理方案，便于施工和機械調度等方面考慮，將鋼筋砼灌注樁方案作為泄水陡坡地基處理的推薦方案(見圖3)。

廠區各建筑物地基處理方案工程投資匯總見表1。

4 結語

濕陷性黃土是一種特殊性質的土，其土質較均勻、結構疏松、孔隙發育。在未受水浸濕時，一般強度較高，壓縮性較小。當在一定壓力下受水浸濕，土結構會迅速破壞，產生較大附加沉陷，強度迅速降低。故在濕陷性黃土場地上進行建設，應根據建筑物的重要性、地基受水浸濕可能性的大小和在使用期間對不均勻沉降限制的嚴格程度，采取以地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷對建筑物產生危害。濕陷性黃土地層常用的地基處理方法有土或灰土墊層、土樁或灰土樁、強夯法、重錘夯實法、樁基礎、預浸水法等。本工程考慮建筑物重要性及黃土層實際性狀并結合經濟技術比較，采用鋼筋砼灌注樁方案進行地基加固。工程經驗有一定的參考價值。

[1]水電站引水渠道及前池設計規范,DL/T5079-2007[S].

[2]閆明禮.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[3]濕陷性黃土地區建筑規范,GB50025-2004[S].

劉婷(1981-),女,新疆哈密人,工程師,從事水利水電專業設計工作,工作單位:新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院一分院。