务坪水库软基筑坝基础处理技术
关键字：软基 振冲 碎石桩 离心模型
(1.中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100044；2.北京交通大学 土建学院，北京 100044；
3.云南省水利水电勘测设计院，云南 昆明 650021)
饱和软土具有高压缩性、高灵敏度、高流变性和低强度、低渗透系数的工程特性，因此在软基上施工面临着孔压过高、变形过大、抗力过小的难题。在堤坝施工期间，如果上坝速度过快，软基内的水无法及时排出，会使地基孔隙水压力升高，有效应力降低，进而导致坝体产生开裂、滑坡或者地基失稳等事故。技术人员一直在寻找有效的工程措施，通过对软基进行处理来保证大坝的安全，主要方法有设置砂井加快排水、控制上坝速度、分期施工提高软土的固结度和振冲碎石桩处理地基等方法。过去一般认为振冲碎石桩不适宜加固软弱黏土，被加固的软土需要具有20kPa以上的天然不排水抗剪强度。刘复明等[1]通过试验和研究发现，如果加大置换率，加速桩间土的排水固结，碎石桩仍可在淤泥地基中使用，可提高地基承 载力0.2～2.5倍。近年来，利用高置换率振冲碎石桩处理软弱黏土地基的工程实例逐渐增多，但是在大坝坝基处理中却仍然少有应用。云南务坪水库采用振冲碎石桩处理其厚达33.0m的湖积软土地基，大坝填筑完成已有3年，运行和沉降观测都表明效果很好。本文主要介绍务坪水库软基加固处理方案及其验证，以及振冲碎石桩的检测结果。
1 工程概况
务坪水库位于云南省西北部的华坪县境内，为中型三等工程，水库总库容4990万m3，主要用于农业灌溉。拦河坝为黏土心墙碾压堆石坝，设计坝高52.00m，坝轴线长210.00m，坝体最大横断面282.00m，坝体典型剖面见图1。
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务坪水库坝址区的地质条件十分复杂，分布着滑坡群和深厚湖积软土层。坝轴线上游左岸分布有体积达10万m3的3号滑坡、9号滑坡，右岸分布有5号滑坡及可能滑坡体积达23万m3的不稳定山体。右坝肩存在2号和4号滑坡，右坝肩下游侧为滑动面宽42m、体积123万m3的1号滑坡。坝轴线上游分布着面积超过0.4km2湖积层软土，其最大埋深33.0m，一般埋深达20.0m，而且这种软土远远没有达到自重固结，孔隙比在1.5～2.0之间，天然含水量一般为60%～80%，呈流塑状，不排水抗剪强度cu不到20kPa。
在软土地基上修建最大坝高52m的大坝，国内外还没有先例，已建成的加拿大Lornex尾矿坝坝高43m[5]、我国浙江绍兴汤浦水库坝高37.2m[2]，均小于务坪大坝的高度。国内外软基筑坝工程实例见表1。
表1 国内外软基筑坝工程实例
工程名称 | 最大坝高 | 地基情况 | 处理方法 | 资料来源 |
云南务坪水库 | 52.0m | 33.0m厚的湖积软土与滑坡堆积体 | 振冲碎石桩，预压固结，分期施工 | 本文 |
浙江慈溪杜湖水库 | 17.5m | 16m厚软黏土，含水量45%，塑性指数16%，有效内摩擦角28° | 正三角形分布砂井，直径42cm,间距3.0m | 文献［2］ |
浙江绍兴汤浦水库 | 37.2m | 3.0～5.0m厚的淤泥质黏土 | 振冲碎石桩 | 文献［3］ |
阿尔伯特Mildred Lake | 11～43m一系列坝 | 1m多厚的泥炭土，长120m(湖的西边)和220m(湖的东边)。1～4m厚很软的有机粉土 | 挖除部分泥炭土，分期施工 | 文献［4］ |
Lornex尾矿坝 | 43m | 夹杂透水砂层的黏土，不排水强度为5～90kPa，最上面4m的工程性质较差，下面两层相对较好 | 坡度3∶1，分期施工，砂井排水系统 | 文献［5］ |
阿尔伯特Forty Mile Coulee | 东西两座坝均为28m | 湖积软土，东部坝下60m厚，西部35m厚。塑限18%～25%，有效内摩擦角19.5° | 分期施工，1∶8的坡度，下游砂井排水 | 文献［6］ |
Saskatchewan Rafferty | 20m高，700m长 | 20～24m厚高塑性软土 | 袋装砂井 | 文献［7］ |
由于没有其它可以比选的坝址，坝体不得不座落在相对较强的滑坡堆积体土层和软弱的湖积软土层这两种强度和变形特性相差很大的不均匀地基上。如何处理极为软弱的淤泥质黏土地基，提高地基承载力和抗剪强度，解决两种不同地基土层的差异沉降是务坪工程中最大的难题。
湖积层软土分布于坝轴线上游的务坪盆地，沉积于老河床的砂卵砾石之上。为查明湖积层软土的组成、性质、分布范围以及物理力学性质，从20世纪70年代开始，先后在20多年的时间里对坝轴线上游的湖积层软土区进行了68孔共1593m的钻孔勘探工作。根据勘探结果，由岸坡至河床软土层厚度逐渐变大，最大厚度33m，一般8～20m。典型地质剖面如图1所示。从地表至老河床冲积层共分3个大层，即：①粉土层，厚10m，夹黏土、树叶及砂砾层；②粉质黏土层，厚7～12m，夹透镜状粉砂、树叶层；③粉砂层，厚5～7m，夹树叶层。
湖积层软土的主要物理力学指标见表2。从表2可以发现，湖积层软土孔隙比、含水量、压缩性和有机质含量都很高，抗剪强度很低。因此，对湖积层软土必须进行谨慎有效的地基处理，才能满足工程安全的需要。
表2 原状软土主要工程特性
0 | 含水量(%) | 干容重/(kN/m3) | 孔隙比 | 压缩系数/(MPa-1) | 有机质含量(%) | 饱和快剪 | |
φ/(°) | c/kPa | ||||||
最大值 | 136.00 | 16.90 | 18.85 | 3.10 | 21.75 | 19.05 | 24.50 |
最小值 | 13.00 | 6.70 | 0.39 | 0.20 | 4.30 | 4.60 | 4.40 |
平均值 | 66.99 | 9.93 | 1.87 | 1.35 | 10.70 | 12.20 | 14.03 |
2 基础加固处理设计
湖积层软基处理的好坏直接关系到大坝的安全，要改善软土的物理力学性质，必须采取行之有效的工程措施。在综合考虑各方面的因素和多个方案的对比论证之后，确定采用振冲碎石桩和预压固结相结合同时控制加载速率的处理方案。在1.51万m2的软基上布置75kW和30kW两种振冲功率的碎石桩，碎石桩呈三角形分布。由于整个振冲区湖积层软基埋深及受力有一定的差别，因此将振冲区划分为主要应力区和次要应力区。主要应力区设计振冲置换率为40%，起保护作用的次要应力区，设计置换率为32%。具体的设计参数见表3。
表3 振冲碎石桩的设计
振冲区域 | 振冲器类型 | 桩距/m | 排距/m | 桩数/根 | 单位填料量/(m3/m) |
主要应力区 | 30kW | 1.6 | 1.40 | 380 | ≥0.891 |
75kW | 1.8 | 1.56 | 2501 | ≥1.125 | |
次要应力区 | 30kW | 1.8 | 1.56 | 1241 | ≥0.891 |
75kW | 2.0 | 1.73 | 1757 | ≥1.125 |
3 方案验证
3.1 加固方案验证 针对振冲碎石桩加固处理方案，通过物理模型、数值模型以及生产性试验论证软基筑坝的可行性。同时为碎石桩设计方案、大坝填筑速率以及生产工艺的控制与改进提供科学依据和参考。
3.1.1 物理模型 使用中国水利水电科学研究院450g·t的大型土工离心机进行了比尺为1∶200的6组模型试验，再现了原型的应力和变形情况。试验对采用不同的碎石置换率对软基的加固效果以及坝体填筑速率对坝体的变形影响进行了研究。从离心模型试验的结果看，若湖积层软基不处理直接建坝，在筑坝过程中坝基、坝体均发生很大的变形破坏，其中坝体迎水坡脚淤泥隆起达4m，基础明显破坏，防渗心墙与坝壳严重分离，心墙水平位移4.0m，垂直位移8.6m，坝体的整体稳定已遭到破坏。离心模型对不同置换率的方案进行了比较，当置换率达到30%时，位移与置换率关系曲线明显变缓，尤其是水平位移已趋于水平。再增大置换率，位移减小量不大。在置换率34%左右时，上游不发生隆起。软基在经40%振冲置换率加固后，复合地基的强度满足设计要求，若同时辅以分期施工，效果更好，总体沉降量将减少80%～90%。
3.1.2 数学模型 采用基于比奥固结理论的有限元方法对大坝和地基的应力应变与固结过程进行预测和分析。本文采用的二维平面应变固结程序CON2D由美国著名学者邓肯等开发[8]，后经中国水利水电科学研究院陈祖煜等人的改进[9]，能更好地模拟大坝的分层、分期施工过程，进行大坝施工和蓄水过程的固结计算分析。该程序曾在美国New Melones大坝和我国小浪底大坝中应用。
在分析中采用了修正剑桥模型和邓肯张非线性模型，有限元网格如图2所示。通过固结计算预测了碎石桩加固方案施工过程和蓄水后坝体与地基中孔压、应力和位移的变化过程。计算成果表明采用加固方案后，软基内的超静孔压较小，最大值约为120kPa，出现在反压平台中心下软基中部的粉质黏土层中。图3为粉质黏土层中某3个代表单元的孔压历时曲线，单元在地基中的位置见图2。其中244号单元为碎石桩，由于碎石桩桩径较大，渗透性好，因此超静孔压消散较快。245号、246号单元为粉质黏土。图3中出现3个峰值是因为施工过程中有两次停工度汛。经过反压平台预压14个月后，软基内的超孔隙水压力基本消散。软基最大沉降为0.33m，坝体最大沉降为0.84m。有关固结计算的详细内容可参见文献［10］。
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在大量的物理力学特性试验成果和固结计算的基础上，采用中国水利水电科学研究院陈祖煜开发的边坡稳定程序STAB95[9]，进行不同条件下坝体的稳定性分析。除进行常规的确定性分析外，还引入概率论和风险分析的概念，应用Rosenblueth法对大坝稳定的可靠度和风险进行研究。采用有效应力法计算发现，按设计施工进度，软基振冲处理和反压平台施工结束半年后开始坝体填筑，1年后大坝封顶，水库不蓄水，此时上游坝坡施工期稳定安全系数达1.82(见图4)，可靠度指标为4.81(见图5)，均超过了相应的规范要求。因而，从确定性模型和风险分析两个方面论证了坝坡的稳定性。
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3.1.3 振冲处理的生产性试验 在振冲区域内选择代表性较好的场地(面积340m2)分别进行了30kW及75kW两种不同功率的生产性振冲试验，共布置30kW桩49根、75kW桩34根，试桩深度8～20m。振冲制桩结束4周后，对施工质量及效果进行检验，在试验区内进行了双桥式静力触探、十字板剪切试验、重(2)型动力触探和标贯试验，以及压水试验检查成孔质量。同时进行现场直剪三组和大型静载试验30kW区与75kW区各一组，并取原状样25组进行室内物理力学试验。根据这些试验得出，在强度恢复期后实测复合地基天然容重1.83g/cm3，干容重1.41g/cm3，凝聚力(饱和快剪)c=8kPa，内摩擦角=23°；复合地基承载力，30kW振冲区191.4kPa，75kW振冲区达256.6kPa；实测30kW置换率31.7%；75kW置换率32.5%。
从以上方案验证结果看，振冲碎石桩置换处理务坪湖积软土有明显提高承载力、增加抗剪强度、加快软土排水固结和减少软基沉降的效果。
3.2 振冲碎石桩施工及效果检测 振冲碎石桩的桩距、排距与设计值(见表3)完全一致。振冲碎石料采用新鲜的灰岩加工而成。30kW振冲设备的振冲碎石最大粒径为80mm，75kW振冲设备的振冲碎石最大粒径为120mm，粒径小于5mm的颗粒含量不大于10%。振冲碎石桩实际工程量见表4，共加固湖积软土1.52万m2，制桩4834根，总进尺52357m，碎石桩最大深度22.0m。
为全面检查碎石桩成桩质量，桩间土及复合地基各项指标是否符合设计要求，并对振冲碎石桩加固软基质量作出全面评价，1996年9月和10月对振冲碎石桩复合地基质量进行了两次质量检测试验。根据这些检测结果得知：(1)桩体承载力。16组单桩静载试验表明，其中13根桩的桩体承载力达到了较高水平，最高达500～800kPa，少数几根承载力较低的桩也达到320～400kPa。42根桩的重(2)型动力触探试验表明，桩体的承载力为248～512kPa。由于湖积软土工程性差，加之地下水丰富，桩间土难以固结，对桩身施加的侧限小，在此情况下能保持这样高的承载力，充分说明了施工质量是可靠的；(2)各单元钻孔抽芯检查结果表明，碎石桩体连续，桩体材料基本为灰岩碎石，仅有个别桩在8m以下处夹有少量黏土。桩斜、桩深均满足要求；(3)桩体容重和动力触探结果表明，桩体密实，基本达到N63.5>9击，天然容重基本达到20kN/m3的标准；(4)桩间土室内试验及现场原位试验成果表明，由于碎石的挤入，分布范围和深度最广的桩间粉质黏土，承载力在86～101kPa左右；(5)复合地基承载力标准值大于200kPa。
表4 振冲碎石桩实际完成工程量
振冲区域 | 振冲器类型 | 桩数/根 | 进尺/m | 单位填料量/(m3/m) |
主要应力区 | 30kW | 224 | 2243 | ≥0.891 |
75kW | 2253 | 2567 | ≥1.125 | |
次要应力区 | 30kW | 1016 | 8275 | ≥0.891 |
75kW | 1341 | 16162 | ≥1.125 |
4 结语
长期以来学术界对使用振冲法加固饱和软土存在不同看法，认为过软的地基可能无法对碎石桩提供足够的侧向约束力。务坪水库是使用振冲技术成功加固特软地基的实例，工程中方案验证和针对加固后地基进行的质量检测试验为全面评价振冲加固软土地基效果提供了翔实的资料，丰富了振冲软土地基加固的技术。
参考文献：
［1］ 刘明复，潘传钊，叶作仁.淤泥地基中振冲法碎石桩复合地基［J］.地基基础工程，1994，4(1)：3-8.
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［7］ Holubec I, Dobson J, Manson S. Design and construction of an earth dam on highly plastic clay using wick drain foundation［A］. Canadian Geotechnical Conference［C］.1993.
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［9］ 陈祖煜.土质边坡分析的原理与方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.
［10］ 陈祖煜，周晓光，张天明，等.云南务坪水库软基筑坝关键技术研究［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2003.
收稿日期：2004-01-16
作者简介：陈祖煜(1943-)，男，浙江镇海人，教授级高级工程师，主要从事边坡工程和水利工程的研究。
E-mail:chenzuyu@iwhr.com
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