上游圍堰深厚軟弱地基處理研究

庹 曉 軍， 古 小 夢， 龔 澤 鵬

(華電金沙江上游水電開發有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在工程建設中，當天然地基不能滿足建(構)筑物對地基的要求時，需對天然地基進行加固改良，形成人工地基，以滿足建(構)筑物對地基的要求，保證其安全與正常使用，這種地基加固改良稱為地基處理。地基處理的目的是利用換填、夯實、擠密、排水、膠結、加筋和熱學等方法對地基土進行加固，用以改良地基土的工程特性。

振沖法是一種常見的地基處理方式，該技術起源于德國，我國在20世紀70年代初期引進了振沖碎石樁施工技術，國外一般施工深度在20 m以內。由于地基處理技術應用時間短，復合地基理論相對落后于工程實際，且不成熟，因此，復合地基的作用機理和設計理論還需作進一步研究[1-3]。

掛哇水電站上游圍堰地基覆蓋層最大深度達71.63 m，其中湖相沉積低液限黏土和粉土層厚約50 m，需處理的深度國內外罕見，致使工程建設面臨巨大難題和挑戰，且無工程經驗可供借鑒。

本文基于圍堰地基的特點，計算了圍堰堰坡穩定、應力、變形，對超深振沖碎石樁處理方案進行數值分析驗證，并在圍堰工程施工中對施工技術、監控技術、檢測技術進行創新。通過超深振沖碎石樁的處理應用，總結出設計、施工、檢測評價的系列經驗，可為其他類似工程提供借鑒。

1 上游圍堰情況分析

上游圍堰是土石圍堰，最大堰高約60 m，采用“塑性混凝土防滲墻+帷幕灌漿+復合土工膜斜墻”進行防滲，地基覆蓋層按物質組成由上至下分為四層：Qal-5、Ql-3、Ql-2、Qal-1。其中Qal-5為河床沖積砂卵石層夾少量漂石層，厚度2.15～7.2 m；Ql-3層為堰塞湖相沉積層，含淤泥質粉砂、黏土質砂，厚度14.7～18.1 m；Ql-2層，堰塞湖相沉積層，以砂質低液限黏土為主，層厚為31.4 m；Qal-1層為卵石、塊石夾砂，堰基區域最深處厚度18 m。地基中湖相沉積低液限黏土和粉土層厚約50 m，允許承載力100～150 kPa，抗剪強度僅30 kPa左右，變形模量僅5～8 MPa，厚度大、承載力低、滲透系數低、抗剪強度低、壓縮性高。

上游圍堰與大壩基坑形成的聯合邊坡高達130 m，圍堰及堰基穩定是保障大壩基坑開挖和壩體填筑安全的關鍵，而工程設計及施工難度國內罕見，所面臨的挑戰極其復雜。

1.1 地質條件復雜

湖相沉積具有“厚度大、承載力低、滲透系數低、抗剪強度低、壓縮性高”等特點，邊坡穩定問題突出。

1.2 工程規模大

圍堰擋水庫容達2.8億m3，擋水時間長達5年之久，是金沙江上游梯級開發中攔蓄潰泄洪水的重要建筑物。

1.3 控制豎直沉降及水平變形技術難度大

在天然地基條件下，上游圍堰填筑后覆蓋層最大沉降量約3.5 m，下游坡腳最大水平位移約3.4 m，導致邊坡穩定性及防滲墻體、堰體土工膜變形問題突出。

1.4 理論研究存在較多技術難題

(1)圍堰地基覆蓋層縱向、橫向分布不均勻，土層特性差別大；

(2)湖相沉積軟弱土體本身屬于非線性、不連續介質，具有黏彈塑性特征；

(3)《碾壓式土石壩設計規范》及《水電水利工程邊坡設計規范》對土質邊坡推薦采用極限平衡法，但采用極限平衡法計算出的安全系數和采用有限元應力法計算滑弧穩定安全系數對穩定進行判別缺乏依據；

(4)樁與土的結合面特性不易模擬，樁體發生水平變形后，受力特征相應發生變化，以致計算模型不易處理，并且計算工作量巨大；

(5)深度超過70 m的超深振沖碎石樁無實施案例，施工技術難度高；

(6)現行規范觸探檢測桿長修正系數的范圍為20 m，處理深度超過了現行規范，尚無超深處理質量檢測及評價方法。

2 處理方案優選

上游圍堰地基處理主要目的是提高排水效果，加速地基固結，同時提高基礎承載力，減少沉降變形。考慮處理深度超70 m，采用換填墊層法、強夯法和排水固結法等處理深度有限，加筋法適宜于邊坡處理，灌漿法對滲透系數較小的黏土處理效果差，高壓噴射注漿法、水泥土攪拌法、水泥粉煤灰碎石樁、地下連續墻屬于剛性或半剛性處理方式，不適合處理柔性的土石圍堰基礎。碎石樁既能通過換填和擠密作用提高地基承載力，又能通過樁孔內充填碎石(卵、礫石)等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，有效消散和防止超孔隙水壓力的增高，并可加快地基的排水固結，選擇碎石樁作為本工程地基處理的主要方式[4-6]。

2019年10月，上游圍堰地基處理現場試驗采用SV70振沖碎石樁機成功實施了13根最大深度55 m的振沖碎石樁，并經過檢驗成樁質量良好。最終，確定上游圍堰地基選擇振沖碎石樁進行處理。

3 處理效應數值分析

3.1 處理方案

通過采用極限平衡法計算分析，上游圍堰上游邊坡受枯水位圍堰填筑期控制，下游聯合邊坡受圍堰高水位基坑開挖完成后控制。通過碎石樁不同間排距布置方案計算分析比選，最終確定的碎石樁處理方案為：樁徑不小于1 m，樁長貫穿堰塞湖沉積層；堰基上游部分(防滲墻至堰軸線下游約30 m)采用3 m的樁間排距，處理寬度約為177 m；堰基下游部分采用2.5 m的樁間排距，處理寬度約為173 m。

3.2 分析內容

重點對復合地基孔隙水壓力系數、抗剪強度指標選擇、上下游堰坡穩定性、復合地基應力及變形等內容進行數值計算，復核選定的加固處理方案和加固處理后地基的應力變形，以保障上下游堰坡穩定的安全性。

3.3 計算方法

主要進行孔隙水壓力系數、堰坡穩定性分析、復合地基應力變形分析三塊計算，其中孔隙水壓力系數基于太沙基固結理論或砂井固結理論；堰坡穩定性分析又分為抗滑穩定計算方法及安全系數計算，抗滑穩定計算采用瑞典圓弧法或簡化畢肖普法[7]，安全系數的計算采用摩根斯頓—普賴斯法；上游圍堰地基采用基于比奧固結理論的數值方法來求解。基于比奧固結理論，通過求解土體平衡方程、孔隙流體流動方程、幾何協調條件、土體本構模型和達西定律聯立組成的微分方程組，在給定初始條件和邊界條件的前提下，可求得計算域內應力變形場和孔隙流體流場的變化過程。

3.4 參數研究

3.4.1 復合地基抗剪強度指標

考慮到圍堰地基全面加固，在圍堰加載及水壓力作用下，碎石樁與樁間土聯合承載、同步協調變形，按復合地基模式分析圍堰及堰基總體結構安全相對較適合本工程特性，同時也符合現行規范，圍堰設計方案以復合地基模式下計算出的圍堰變形、穩定安全系數為基本依據。

復合地基的有效抗剪強度指標按照DL/T5214-2016《水電水利工程振沖法地基處理技術規范》第4.2.4條的規定計算。

tanφsp=mμptanφp+(1-mφp)tanφs

(1)

csp=(1-mμp)cs

(2)

式中φsp和csp分別是振沖復合地基的等效內摩擦角和等效黏聚力；φp是樁體材料的內摩擦角；φs和cs分別是樁間土的內摩擦角和抗剪強度；μp是應力集中系數，按照式(3)計算。

(3)

式中n為樁土應力比，無實測資料時取2～4，樁間土強度低時取大值、強度高時取小值。上游圍堰堰塞湖沉積層厚度達50 m，碎石樁較長，缺乏類似工程經驗，偏于安全取n=2。

m是置換率，定義為：

(4)

式中d0是樁長范圍內的平均樁徑；de是樁的有效影響圓直徑，對于設計梅花型，de=1.13s，s為相鄰樁的中心距。

3.4.2 復合地基鄧肯模型(E-B)參數

復合地基的力學指標，可以根據規范建議換算方案及根據樁、樁間土特性用有限元法模擬分析獲取。工程覆蓋層的深度已超出現行規范約定深度，同時規范未建議EB模型參數的換算方法，因此，本文采用有限元法根據變形協調原理擬合復核地基參數。

假設從地基中截取一塊復合地基，對其開展固結排水的三軸試驗，施加等向圍壓后充分固結，再施加豎向荷載，則復合地基的豎向壓縮應變記做ε1，由等應變ασσ假設可得：

(5)

此時復合地基承擔的豎向平均應力σ1為：

(6)

復合地基的體應變為：

(7)

3.5 計算成果

上游圍堰壩坡穩定安全系數1.452，大于規范要求的安全系數1.2，滿足土石壩施工期壩坡穩定的要求。

采用鄧肯E-B模型，應力變形計算成果見表1。

表1 應力變形計算成果表

計算成果表明，竣工期、擋水期和基坑開挖完成時，堰體及堰基的最大沉降分別為4 m、4.03 m和4.48 m，向上游的最大水平位移分別為1.42 m、0.89 m和0.84 m，向下游的最大水平位移分別為1.33 m、1.65 m和1.7 m。防滲墻在圍堰竣工期向上游移動，向上游的墻頂位移約為0.08 m，擋水后轉為向下游移動，墻頂向下游的位移約為0.7 m，基坑開挖后墻頂向下游的位移進一步增大到約0.85 m。防滲墻整體處于受壓狀態，僅頂部有局部小主應力為負的情況，竣工期、擋水期和基坑開挖完成時防滲墻的最大壓應力分別約為1.25 MPa、3.29 MPa和6.25 MPa。

4 工程實施

4.1 實施情況

上游圍堰振沖碎石樁共完成4 552根，其中一期完成1 929根，784根未采用下設護筒工藝，振沖施工平臺填筑為水下填筑，無法碾壓，Qal-5層含有漂卵石，地質條件復雜，左岸岸坡坡度大，下部有大塊孤石、漂石，造孔難度大；在未下設護筒工藝的施工過程中，多次發生卡鉆、造孔困難等問題；進行護筒下設后，成孔順利，沒有發生卡鉆等現象，振沖施工順利。SV70系列振沖碎石樁機在大型旋挖鉆機的基礎上研發出一種新型振沖碎石樁機，結構簡單、體型小巧，使用方便，包含伸縮導桿系統及水氣聯動防沉沙系統等，伸縮導桿系統具有5層套管，導桿的軸向長度可調，以便改變所述振沖器系統相對地面的下放位置，每層套管的長度為18～20 m；水氣聯動防沉沙系統主要包括安置于伸縮式導桿內并自上而下延伸到下端的注水管及注氣管、連接注水管的水泵、連接注氣管的氣泵、用來滑動連接伸縮導桿頂層套管。SV70系列振沖碎石樁機對場地要求低，能適應各種狹小施工場所的超深振沖樁施工，解決了現有超深振沖樁的施工設備對場地的限制問題，適用于40～110 m深的振沖碎石樁的施工；二期完成2 623根，全部采用下設護筒工藝。

4.2 質量檢測及評價

碎石樁填料檢測最大干密度為2.26～2.38 g/cm3，平均值為2.33 g/cm3；碎石樁抗剪強度凝聚力為91～128 kPa，平均值為109 kPa，內摩擦角為40.2°～42.5°，平均值為41.4°，滿足設計要求；各級配壓縮模量在0.4～0.8 MPa或0.8～1.6 MPa下大于50 MPa，滿足設計要求。

重型動力觸探檢測37根樁，樁身修正后平均重型動力觸探擊數均大于15擊，滿足設計要求，合格率100%。

滲透試驗檢測滲透系數最小值為1.11×10-2cm/s，最大值為9.36×10-2cm/s，均滿足不小于1×10-2cm/s的設計要求，合格率100%。

跨孔CT測試各樁在樁體范圍內波速均較高，樁體填充良好，密實度較好。由兩側樁體向內，波速逐漸降低，碎石樁對樁周土體有一定的擠密作用。

基于隨鉆技術的鉆孔過程指數DPI在0～2之間，樁體呈極密～密實狀態，與動力觸探、滲透試驗、CT測試成果一致。

4.3 施工技術創新

常規振沖碎石樁施工技術處理軟基深度不大于40 m，上游圍堰振沖碎石樁施工發明了超深振沖碎石樁機伸縮導桿及水氣管同步技術及SV70超深振沖碎石樁機，開發了“超深護筒+上部旋挖引孔+下部振沖器造孔加密”的施工工藝，控制超深碎石樁偏斜度不大于5‰，保證了振沖碎石樁施工質量，最大處理深度達71.63 m。

針對深厚覆蓋層超深振沖碎石樁隱蔽工程施工質量控制難題[8]，建立了振沖施工過程樁體質量與工藝參數之間的映射關系，提出了超深振沖碎石樁施工過程的動態化信息監測方法；研發了基于BIM+GIS技術的超深振沖碎石樁施工質量監控系統，實現了施工質量的實時、動態化監測；提出了基于隨鉆技術的振沖碎石樁施工密實度評價方法。

5 結 語

通過系統研究超深振沖碎石樁處理深厚堰塞湖沉積物的理論、施工設備特性及施工工法，為國內深厚軟弱地基處理積累了大量設計、施工及檢測評價經驗，具有一定的推廣價值。

(1)上游圍堰高60 m，基礎覆蓋層最大深度達71.63 m，碎石樁既能通過換填和擠密作用提高地基承載力，又能通過樁孔內充填碎石(卵、礫石)等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，有效消散和防止超孔隙水壓力的增高，并可加快地基的排水固結，因此，選擇振沖碎石樁作為上游圍堰地基處理的主要方式。

(2)超深基礎振沖碎石樁施工處理后，地基得到明顯改善，其抗液化性能、承載和抗變形能力得到提高，并增強了原始地基的滲透性。工程施工質量檢測結果表明，所完成的振沖碎石樁施工質量均滿足既定的技術參數要求。

(3)上游圍堰振沖碎石樁大規模成功應用，系統解決了超深基礎振沖碎石樁設計、施工、質量評價的難題，效果良好。在以后應用中，需根據水利水電工程實際、工程地質情況、施工條件等因素，對超過100 m的深厚覆蓋層地基處理進行深入研發、論證；采用新方法對施工、成樁質量等進行多手段、多途徑檢測，進一步驗證地基處理成樁質量以及檢測結果的可靠性。