斗門水庫試驗段壩基處理和圍壩碾壓方案探析

安寶軍，楊 浩，黃 璐

（1.陜西省西咸新區灃東新城斗門水庫建設管理中心，陜西 西安 710000；2.西安昆明池投資開發有限公司，陜西 西安710000）

陜西省斗門水庫試驗段工程位于西咸新區灃東新城斗門境內，魚斗路以南、韋斗路以東，是斗門水庫工程建設的一部分，由試驗段庫區、圍壩、引退水建筑物等組成，庫區面積0.53 km2，水面面積0.47 km2，蓄水深度3.67 m，蓄水量155萬m3；庫區圍壩岸線總長3.5 km，設計壩頂高程402.5 m，頂寬20 m；引水管線工程長4.2 km，設計引水流量1.5 m3/s；退水管線工程長3.95 km，設計退水流量1.5 m3/s。本文結合工程實際情況，對該試驗段壩基處理方案及圍堰碾壓方案進行探析。

1 壩基處理方案

1.1 壩基土層工程性能

斗門水庫位于渭河一級支流灃河右岸一級階地上。根據勘察試驗資料分析：試驗段壩基土層由上向下分為三層，①壤土、②淤泥質土、③粉質壤土。壩基地下水位埋深8.0～9.0 m，水位高程 388.00～389.00 m。壤土①層厚 0.9～1.5 m，干密度 ρd=1.43～1.50 g/cm3.含水量 ω=19.6%～20.9%，塑限 ωp=18.1%～18.5%，濕陷系數 δs=0.030～0.054，濕陷起始壓力 Psh=88～161 kPa；淤泥質土②層厚2.5 m左右，干密度ρd=1.38～1.52 g/cm3，含水量ω=21.9%～25.3%，塑限ωp=21.41%～25.8%，濕陷系數δs=0.015～0.045，濕陷起始壓力Psh=100～200 kPa；粉質壤土③層厚8.0～9.0 m，干密度 ρd=1.50～1.55 g/cm3，含水量 ω=23.4%～25.3%，塑限 ωp=18.7%～19.7%，濕陷系數 δs=0.016～0.080，濕陷起始壓力Psh=58～188 kPa。根據勘察試驗資料計算分析，水庫試驗段壩基以下0～4.0 m的土層具有濕陷性，壩基土層濕陷量計算值Δs=4.5～16.7 mm，壩基的濕陷等級為Ⅰ級。設計要求對壩基面以下0～4.0 m深度內的土層進行工程處理，處理后壩基土層的濕陷系數[1]δs＜0.015，承載力特征值 fak≥180 kPa。

1.2 強夯試驗方案

根據地區建設經驗，試驗段壩基處理設計采用強夯，強夯適用處理碎石土、砂土、低飽和度粉土與粘性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土地基等，強夯處理壩基土層的有效加固深度（H）與巖性和單擊夯擊能（E）有關，根據陜西關中地區建筑經驗和經驗公式計算，當壩基土層的含水量（ω）小于塑限（ωp）含水量時，強夯處理粉質粘土和濕陷性黃土地基的有效加固深度（H）與單擊夯擊能（E）關系如表1，斗門水庫試驗段壩基粉質壤土③土層含水量（ω）≥塑限含水量（ωp），因此進行壩基土層強夯加固有效深度試驗研究是必要的。

表1 土層強夯有效加固深度（H）與單擊夯能（E）關系

根據壩基土層結構，強夯試驗方案選擇了三種，一是單擊夯擊能E=1500 kN·m；二是單擊夯擊能E=2000 kN·m；三是單擊夯擊能E=2500 kN·m，強夯試驗設備選用圓形錘,夯錘重量21.7 t，底面直徑2.5 m，起重機選用 YTQU型 55 t履帶式起重機，自動脫鉤裝置.強夯試驗方案選用的技術參數如表2。

表2 強夯試驗方案和夯點累計沉降量統計表

1.3 強夯夯點的布設

為防止強夯過程中對夯點周圍土體造成剪切破壞導致夯坑周圍地面過大隆起，壩基強夯過程分三序次進行，其中第一序次、第二序次為主夯、第三序次為滿堂夯，第一序次和第二序次夯點布設如圖1，第三序次夯點布設如圖2。

圖1 跳檔施工示意圖

圖2 滿堂夯搭接布置示意圖

第一遍采用夯點中距為6 m，夯點采用正三角形布置，跳檔施工；第二遍夯點在第一遍夯點之間布置，呈梅花樁式布置；第三遍為滿堂夯，每相鄰夯點搭接1/4錘印。

1.4 強夯試驗的有效加固深度

壩基強夯試驗的有效加固深度和壩基土層濕陷性檢測采用探坑取樣室內土工試驗法，檢測取樣在設計樁號SW0+300～SW0+900m段共挖探井2個，井深5.0m，取樣10組。壩基單擊夯能E=2000kN·m設計方案的有效加固深度試驗包絡曲線如圖3。

圖3 地基強夯有效加固深度包絡曲線（單擊夯擊能2000 kN·m）

從壩基強夯處理后土層的檢測資料來看，單擊夯擊能E=2000 kN·m時，壩基土層的有效加固深度4.5 m左右，有效加固深度內土層的平均干密度從1.55 g/cm3增大到1.60 g/cm3，土層濕陷性基本消除，但強夯的有效加固深度小于地區經驗和經驗公式計算值。根據勘察試驗資料分析，壩基強夯處理有效加固減小的原因與壩基地下水位埋深淺，粉質壤土③層含水量ω大于塑限ωp有關，即地基土層的含水量大于塑限含水量，孔隙水壓力高對強夯地基的有效加固深度影響明顯。同時根據檢測資料分析，單擊夯擊能E=1500 kN·m的施工方案，存在壩基土層的有效加固深度≤4.0 m的可能，達到設計要求處理深度≥4.0 m的可靠性和保證率較低；單擊夯擊能E=2500 kN·m強夯的施工方案對壩基土層的有效加固深度≥4.5 m，但存在夯錘落距大，施工危險系數高的缺點。

壩基強夯處理后，壩基土層承載力特征值檢測采用靜載試驗，靜載試驗點布設在設計樁號SW0+370 m、SW0+440 m、SW0+560 m處，從靜載試驗資料統計成果表（表3）來看,壩基土層強夯處理后承載力特征值fak≥180 kPa,達到了設計要求。

表3 載荷試驗結果參數匯總

綜合分析，壩基強夯處理采用單擊夯擊能為2000 kN·m的施工方案，達到設計要求對壩基土層處理效果的可靠性和保證率高，比較合理。

2 碾壓實驗方案

2.1 碾壓實驗方案及土料特性

筑壩土料碾壓試驗場地選擇在庫岸線設計樁號SW1+277～SW1+367 段，場地長 90 m，寬 20 m，面積 1800 m2，為了確保試驗場地的平整和堅實，在規劃場地范圍內對原地表清表50 cm后，用自行式震動平碾碾壓6遍，檢測其在壓實度符合壩基要求后找平場地，開始進行土料碾壓試驗，土料碾壓試驗過程如圖4。

圖4 土料碾壓試驗過程示意圖

碾壓試驗土料采用庫區挖方土中的壤土，淤泥質土的混合土料，土料標準擊室試驗的最大干密度ρd max=1.76 g/cm3，最優含水量為19.5%。壤土層和淤泥質土層的自然含水量分別為21%和27.6%，混合土料的含水率為25.3%，大于標準擊實試驗的最優含水量，當翻曬土料的含水率達到17.4%～22.4%后上壩鋪填，碾壓試驗土層按30 cm，40 cm，50 cm三種厚度分區鋪填。

土料碾壓試驗選用的設備有20 t平碾和20 t凸塊碾，碾壓過程分為平靜碾壓和振動碾壓兩種，碾壓遍數分8,10,12遍三種，土料碾壓試驗方案分為三類八種（如表4）。碾壓過程碾跡搭接寬度不小于30 cm，碾壓過程車速按最低車速行駛，震動碾壓震動頻率為30 Hz。

2.2 碾壓試驗方案的效果分析

土料碾壓試驗壓實土層壓實度的檢測采用現場環刀取樣、室內測試法，壓實土層滲透系數試驗采用試坑單環滲水和室內試驗兩種方法。土料碾壓試驗，每種施工方案現場取樣室內試驗12組。8種碾壓試驗方案共取樣試驗96組，碾壓土層檢測試驗資料的統計成果如表4。土層碾壓試驗鋪層厚度、遍數與平均壓實系數的關系如圖5。

表4 碾壓試驗方案與檢測資料統計成果比較表

從土料碾壓試驗資料的統計成果（表4，圖5）來看，土料鋪層厚度30 cm、40 cm，碾壓10遍，和土料鋪層厚度40 cm碾壓12遍，碾壓土層檢測樣本的干密度ρd=1.70～1.75 g/cm3，壓實系數0.97～0.99，檢測樣本壓實度合格率為100%，土料碾壓試驗的壓實效果最好。土料鋪層厚度30 cm、40 cm碾壓8遍，和土料鋪層厚度50 cm，碾壓10遍，碾壓土層檢測樣本的干密度ρd=1.67～1.72 g/cm3，壓實系數為 0.95～0.98，檢測樣本壓實度合格率為91.7%。土料鋪層厚度50 cm，碾壓8遍和碾壓12遍，碾壓土層檢測樣本的干密度ρd=1.67～1.72 g/cm3，壓實系數為0.95～0.98，檢測樣本壓實度合格率為58%～83%，土料碾壓試驗的壓實效果較差。土料鋪層厚度40 cm，碾壓10遍和碾壓12遍的壓實效果沒有明顯差異。

圖5 土料碾壓試驗鋪土層厚與平均壓實系數關系曲線

土料鋪層厚度40 cm，碾壓10遍土層的現場試坑滲水試驗和室內滲透試驗資料統計成果如表5，碾壓土層的滲透系數K＜1×10-4cm/s，弱透水。

根據對土料碾壓試驗資料整理分析，土料鋪層厚度40 cm，碾壓10遍試驗方案的壓實效果較好。碾壓土層干密度和滲透系數均能達到設計要求，方案的優點是填筑土層壓實質量的信度高，可靠經濟。

表5 圍壩填筑土層滲透試驗資料統計成果表

3 結語

（1）強夯處理壩基的有效加固深度，不僅與施工采用的機械設備、強夯遍數和壩基土層工程性能有關，而且與壩基土層的含水量有關，壩基土層含水量大于塑限，孔隙水壓力高，影響強夯壩基土層的有效加固深度。

（2）強夯處理壩基土層有效加固深度的檢測，采用試坑取樣，室內試驗，土樣質量Ⅰ級是保證檢測資料真實可信的根本。

（3）斗門水庫試驗段壩基土層以淤泥質土和粉質壤土為主，土層含水量高。強夯試驗單機夯擊能2000 kN·m，夯擊10遍施工方案，對壩基土層的有效加固深度為4.5 m，有效加固深度內土層濕陷性基本消除，承載特征值fak≥180 kPa，滲透系數K＜1×10-4cm/s，達到了設計要求。

（4）筑壩土料碾壓試驗方案分三類八種，根據對碾壓試驗土層檢測資料分析，土料鋪層厚度30 cm和40 cm，碾壓10遍，和土料鋪層厚度40 cm碾壓12遍，三種碾壓方案碾壓土層質量檢測樣本合格率均為100%，碾壓土層的滲透系數K＜1×10-5cm/s，弱透水。壩體填筑采用土料鋪層厚度40 cm，碾壓10遍的施工方案可靠經濟。

[1]陜西省計劃委員會.GB 50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.