振沖碎石樁在水電站厚覆蓋層壩基處理中的應用

肖麗華

湖南省瑞大工程建設有限公司 湖南長沙 410000

1 案例基本概況

某水電站設計有三臺水力發電機組，總裝機容量達到了7500kW，年發電量為2630萬kW.h。該電站的有效運行不但能夠大大緩解所在區域的用電緊張問題，同時也對于城市供水、水產養殖等具有重要作用。但是由于此水庫處在河流中游，所以壩址存在比較厚的覆蓋層，嚴重影響到大壩的建設。由于覆蓋層的地質情況較為復雜，涉及到的范圍較大且厚度較大（超出了40m），很難對其全部清除，經過分析后采取的處理方案為：對于心墻位置232m高程之下的壩基實施清除，對于其他的基建面通過振沖碎石樁實施加固處理[1]。

2 振沖碎石樁復合地基設計方案

2.1 振沖碎石樁復合地基加固基本原理

較為松散的砂土在工程施工時容易受到外力影響而產生地基液化，所以對于此種地基條件可以通過振沖碎石樁的方法對其進行加固處理。通過碎石樁的作用能夠對周邊樁體形成非常大的橫向壓力，此種壓力就會對砂層造成擠壓，從而降低砂層之間孔隙率，提升砂層的密實度。隨著載荷的循環作用，地基飽和松散砂土會持續性收縮，從而提升土體的密實度，在沒有排水的情況下會引發超靜水壓力較大提升。但是在碎石樁的樁孔內部填筑滲透性較強的碎石材料，能夠建立起豎直方向的排水通道，以此來減小孔隙水壓力，能夠避免形成地基液化，從而提升地基配水固結效果。

2.2 振沖碎石樁加固方案設計分析

該水電站所在河壩區域的覆蓋層范圍非常廣泛，并且厚度相對較厚（一般都在20m以上，最大厚度超過了40m），很難完全對其進行清除。所以為了提升加固方案的綜合效益，該工程中對于心墻位置232m高程之下的壩基實施清除，對于其他的基建面通過振沖碎石樁實施加固處理。

第一，本工程中應用振沖碎石樁進行加固處理的區域是攔河壩右岸壩基的覆蓋層，通過振沖碎石樁的應用能夠使得碎石和基礎土碎石相融合而形成復合型地基，此種地基能夠有效提升壩基基礎的承載能力，可以大大降低基礎沉降對于壩體的影響。同時也要對出庫口邊坡實施振沖加固處理，加固可以按照大壩上游高程235m以及255m分平臺進行，可以和已有壓腳綜合作用來提升水電站庫內岸坡穩定性。根據本工程的實際情況，將振沖碎石樁樁體設置為正三角形，將孔距以及排距設置為2m。為了能夠提升振沖碎石樁的有效性，需要確保其深度能夠下覆到基巖的分界線。針對本工程的實際情況，振沖碎石樁的具體參數如表1所示。在實際施工時采取的是從下到上開挖施工平臺的方式來進行。

3 振沖碎石樁壩基處理效果分析

為了驗證該厚覆蓋層壩基通過振沖碎石樁處理后的效果，本文通過有限元分析的方式確定壩體、防滲墻等變形情況。

3.1 有限元計算模型分析

第一，本文主要通過ANSYS軟件來建立水電站防滲墻風化料壩模型。為了能夠進行準確計算，需要對其進行方向的設定，具體為：X軸—將順流

指向下游的方向設定為正方向；Y軸—將壩軸線指向左岸的方向設定為正方向；Z軸—將豎直向上的方向設定為Z軸的正方向。

第二，對于模型實施空間六面體八節點單元的網格劃分，對于模型的壩體以及地基實施離散之后能夠得到25675個計算單元以及36786個計算節點；設定的邊界條件為：對于壩基地面進行固定約束，對于模型的右岸方向進行簡支約束，對于地基上下游方向進行簡支約束，其他方向設定為自由邊界。為了能夠得到有效的振沖碎石樁的加固效果，本文主要對振沖碎石樁加固地基以及未加固地基分別實施數值的模擬分析，通過兩者的對比分析就可以得到振沖碎石樁對于地基加固的作用效果。

3.2 竣工蓄水期計算結果分析

第一，壩體應力變形計算結果分析。通過上述建立的模型對于該水電站竣工蓄水期的壩體應力變形情況進行分析，分別模擬振沖碎石樁加固地基以及未加固地基情況下壩體應力變形情況，所得結果如表2所示。

從表2所得結果可知，相對于未加固地基的情況來說，通過振沖碎石樁加固地基后在竣工期以及蓄水期壩體變形有了明顯的降低，特別是在竣工期以及蓄水期壩體的沉降位移、水平位移以及大主應力等都出現了非常明顯的下降，所以可以判定振沖碎石樁加固地基能夠有效控制大壩壩體的位移變形[2]。

表2 竣工蓄水期壩體應力變形模擬計算結果

3.3 大壩長期變形特征計算結果分析

第一，為了能夠深入分析了解振沖碎石樁對于地基的加固效果，需要對大壩的長期變形情況實施模擬分析計算。該水電站所處水庫大壩主要通過砂板巖風化料實施填筑，在充分考量流變、濕化等因素對于大壩影響的基礎上，通過有限元計算的方式對于振沖碎石樁未加固地基、加固地基兩種不同方式的大壩壩體變形情況實施分析，能夠得到壩體斷面長期變形條件下沉降位移變化曲線、壩體上游向位移變化曲線以及壩體下游向位移變化曲線。

第二，該水電站大壩壩體沉降量在初期會隨著時間的積累而變大，但是在一年之后沉降量基本處于穩定狀態。通過以上兩種曲線對比可知，同個時間點上通過振沖碎石樁對于地基進行加固之后大壩壩體沉降量有了非常顯著的下降。這就表明在長期流變情況下，對于壩體地基實施振沖碎石樁加固處理后能夠有效抑制壩體的沉降變形，對于提升壩體的穩定性具有重要作用。

第三，該水電站大壩壩體上下游方向水平位移在初期會隨著時間的積累而變大，但是在一年之后水平位移基本處于穩定狀態。通過以上兩種曲線對比可知，同個時間點上通過振沖碎石樁對于地基進行加固之后大壩壩體水平位移有了非常顯著的下降。這就表明在長期流變情況下，對于壩體地基實施振沖碎石樁加固處理后能夠有效抑制壩體的水平位移變形，對于提升壩體的穩定性具有重要作用[3]。

表1 振沖碎石樁的參數

4 結語

本文主要以某水電站為例提出利用振沖碎石樁處理厚覆蓋層壩基處理的相應方案，同時利用有限元分析的方式對于振沖碎石樁加固地基以及未加固地基分別進行了分析計算，通過結果可知振沖碎石樁加固處理對于沉降量、位移等具有非常顯著的作用，有利于提升壩體穩定性。