振冲技术在羊坪水库除险加固设计中的运用

张丽芬 谭乃元

(丽江市水利水电勘察设计研究院 云南丽江 674100)

1 前言

羊坪水库位于云南省丽江市永胜县境内,总库容为3799万m3,于1957年动工兴建,1976年完工。大坝施工期长达19年。上坝土料在高程2528～2530m以下为亚粘土,碾压质量尚可。以上致坝顶以亚粘土为主,兼有大量风化料上坝,碾压质量差。

该水库1997年作病险鉴定,2003年除险加固完毕。原状坝坡上游平均坡比1∶2.9,下游平均坡比1∶2.63。工程地处高烈度地震区 (地震设防烈度为9°)。原设计未作抗震设防,导致已建坝坡过陡。根据大坝原状土试验资料作原坝体稳定复核,得知上下游坝坡均不满足抗震设防要求。需对坝体作抗震加固设计。因地形条件限制,经多方案比较,可行性研究及初步设计阶段,上级有关部门批文:“坝轴线不移动,上游振冲加固,下游培厚放缓坝坡”为羊坪水库大坝除险加固方案。技施设计阶段经进一步的方案比较,认为利用振冲技术加固上游坝脚长达40年的淤积层,再培厚坝坡是增加该工程上游坝坡抗滑稳定性的最佳办法,并报上级有关部门批准。该方案实施后,经过近五年的运行,效果良好。库盆淤积层中振冲置换用于水库大坝除险加固设计在云南省是首家。本文仅就上游振冲加固设计作介绍。

2 地质概况

坝址海拔高程2520m,大坝为均质土坝,坝顶总长167m,宽7m,坝前水库淤积层厚约13m。坝址区出露的地层主要为三迭系上统玄武岩中段(P2β2)致密状、气化状、杏仁状、角闪状玄武岩。河床及两岸分布有第四系冲积、坡积层。玄武岩层面产状290～320∠50°～70°。由于受中羊坪断裂 (F3)的影响,岩石破坏及风化程度更高。由于岩石矿物成份的不均一和热液影响程度的不同,岩石出现明显的差异性风化,其中角闪玄武岩风化程度最高。坝基砂砾石层厚约0.5～4m,砂砾层以下是全风化玄武岩厚1～6m。坝基为透水地基,除险加固设计已考虑作围幕灌浆处理。

水库运行近40年,库前淤积高程已达2533m,淤积层厚约13m。在可研和初设阶段,对库区泥沙淤积层虽作了研究,但只掌握了泥沙的淤积厚度及淤积形态,而且由于当时库水位较高,没有对泥沙进行取样试验。技施设计阶段,利用水库新建输水隧洞施工、水库完全泄空的条件下在坝前左、右岸的淤积层中进行了取样试验。本次一共取了6组原状土样,经试验其物理力学性指标算术平均值为:干容重1.04t/m3,湿容重1.7t/m3,内摩擦角9.62°,凝聚力1.18t/m2；小值平均值为:干容重0.96t/m3,湿容重1.64t/m3,内摩擦角8.69°,凝聚力10.99t/m2。根据试验资料淤积层为褐红色高液限重粘土,其粉粒和粘粒含量分别为47.32%和55.7%,天然含水量W=64.19%,液限WL=51.65%、塑限 WP=25.67%,塑性指数 IP=25.98、液性指数IL=1.48,表层呈流塑状。虽然土样取样深度只为0.5～0.8m,但因泥沙成因、颗粒组成、沉积环境、沉积条件都相似。且随着沉积时间的长短,泥沙固结程度也不相同,下层土的固结度要比上层土好,其物理力学指标也应高于上层土的物理力学指标。试验土样主要取自上层土,设计中取用算术平均值是偏安全的。

3 振冲加固设计机理

3.1 振冲法加固软土的作用机理

振冲加固软性土时的作用机理主要指复合地基(土体)作用,即通常讲的复合地基的作用机理。

3.1.1 碎石桩在复合地基中的工程特性

所谓振冲置换就是利用振冲器在软弱的粘性土地基 (土体)中成孔,再在孔内分批填入碎石或坚硬的材料制成一根根桩体。这些桩体与原来的粘性土组成一个整体,共同承受外部荷载,这就是所谓的复合地基。复合地基比原来地基承载能力高,压缩性小。习惯上称这种加固技术为振冲置换法或碎石桩法。

很显然,复合地基中,由振冲器制成的桩体的物理力学性能直接关系到复合地基的物理力学性能。因此,探讨复合地基中桩体的工程特性是研究复合地基工程特性的关键所在,在复合地基中桩体的主要工程特性如下。

视桩体为柔软体,这种情况是指被加固地基软土层很厚,桩体打不到相对硬层,这时复合地基(土层)与相对硬层不直接接触。此时,桩土变形基本相容。复合地基实质上主要起着垫层的作用。垫层能将荷载引起的应力向周围横向扩散,使应力分布趋于均匀,从而可提高地基整体承载力,减少沉降量。

视桩体类似刚性体。这种情况是指被加固地基软土层不很厚,使复合土层与其下卧层相接触,此时,复合土层的桩体可将荷载通过桩体直接传至下卧层。桩体的效应较前种明显增大。

在复合地基中的碎石桩之所以能成为桩体,完全是靠四周土体挤压,严格地讲,碎石桩是被嵌入土中的,因此,它在受力过程中必须与四周土体共同作用。故碎石桩就其本质而言它是地基的一部分。

碎石桩在受力过程中可以适应较大的变形,与刚度很大的钢筋混凝土相比,它是一种 “柔性桩”。

碎石桩是嵌固在土体中的散粒体桩,当碎石桩顶部承受荷载后,桩体就会产生侧向膨胀。而桩四周土体会阻止碎石桩的侧向膨胀。因此,碎石桩的承载力受四周土体的制约。

复合地其中桩体是由碎石、矿楂、砾石以及中粗砂等硬骨料制成。因此,在复合地基中由散粒体形式的桩体一般都具有较好的透水性。

3.1.2 振冲碎石桩法在坝体抗滑稳定中的作用机理

通过对羊坪水库现有坝体原状土试验成果作整理,原坝土力学指标的小值平均值为φ=24°,C=24kPa；物理性指标的平均值r湿=1.82t/m3,r饱=1.85t/m3。坝前淤积层物理力学性指标算术平均值为:干容重1.04t/m3,湿容重1.7t/m3,内摩擦角9.62°,凝聚力1.18t/m2。采用此指标并考虑上游淤积层的有利影响,对原坝体作稳定复核得知:当正常水位遇9°烈度地震；三分之一坝高水位遇9°烈度地震；骤降水位遇9°烈度地震。三种工况下,上游坝坡的最小稳定安全系数均小于规范要求,坝坡有滑动的危险。

原坝土物理力学性质一般,粘粒含量高,渗透性能差,含水量高,承载能力较低,坝坡较陡,必将在遇地震时引起坝坡滑动。另外,当库水位骤降时,外部水压力消失,而内部渗透水压力并未降低,内外荷载失去平衡,最易导致坝坡失稳。

羊坪水库可研、初设阶段采用振冲碎石桩,不但以强度较高的碎石体置换了部分强度较低的土体,桩土共同作用构成复合土体,使物理力学指标有所提高,同时,碎石桩群的强透水性还可以较快有效地降低因库水位骤降产生的附加孔隙水压力,降低导致坝坡失稳的滑动力,从而达到稳定坝体的目的。羊坪水库技设阶段采用振冲碎石桩,主要是以强度较高的碎石体置换了部分强度较低的土体,桩土共同作用构成复合土体,形成复合基础,在此基础上培厚坝坡,不仅增加阻滑力,稳固坝坡,还为培厚坝坡稳固了基础,从而彻底消除坝坡不稳的隐患。

3.1.3 振冲碎石桩法在羊坪水库上游坝坡抗滑稳定中的作用

羊坪水库初设阶段,振冲的主要作用是置换土体和降低附加孔隙水压力。羊坪水库技设阶段,振冲的主要作用是加固基础和置换土体。

4 羊坪水库振冲加固设计方法

4.1 初步设计阶段的设计方法

羊坪水库初设阶段,上游库水位较高,上游淤积层无法取样试验,淤积情况不明。设计的最可靠方案就是上游坝坡振冲置换法。该方案虽然最后没有取用,但经过可行性研究设计和初步设计两个阶段的多次反复试算,通过了省水利厅专家组的评审,积累了一定经验,总结出来和同行探讨。

4.1.1 结构布置

根据大坝原坝体稳定分析成果,找出各种计算工况下最危险滑弧位置,滑弧底部大约三分之二的区域定为振冲区前后的范围,反复调整计算,找出抗滑稳定最小安全系数不满足要求的部位,据此按一定的坡度定出振冲边界,从而得出坝坡最大断面的振冲区范围。

对不同的坝高断面作原坝体稳定分析,得知,当坝底高程为2548.00m时,原坝断面已满足稳定要求。坝底高程为 2550.00m以上的断面无需振冲,据此定出平面上坝的振冲范围。

振冲碎石桩按正三角型布孔,桩径1.15m,面积置换率 40%。初定桩距为 1.79m,排距为1.5m。准确桩间距由振冲试验最后确定。

4.1.2 振冲加固设计计算

稳定分析采用圆弧分析计算。在圆弧分析法中,假设滑动面呈圆弧形。在圆弧滑动面上,总剪切力记为T,总抗前切力记为S,则沿该圆弧滑动面发生滑动破坏的安全系数为K=S/T。

取不同的圆弧滑动面,可得到不同的安全系数值,通过试算可以找到最危险的圆弧滑动面,并以此确定最小安全系数值。

在圆弧分析法计算中,假设的圆弧滑动面往往经过加固区和未加固区。土体的强度分区计算,加固区和未加固区采用不同的强度指标。加固区土体强度指标采用复合土体综合强度指标。

复合土体综合强度指标采用面积比法计算。复合土体粘聚力Csp和内摩擦角Фsp用下列二式表示。

式中:Cs、Cp分别为桩间土和桩体的粘聚力；m为碎石桩置换率；ФS、ФP分别为桩间土和桩体的内摩擦角。

设计选用75kW振冲器,成桩直径取1.15m,桩体碎石填料用新鲜玄武岩加工。

(1)桩距、排距

m=As/A ； A=I1/I2； m=40%

计算求得I1=1.73m； I2=1.5m

式中 ,A为一根碎石桩负担的面积,As为一根碎石桩面积,I1为桩距,I2为排距。

(2)振冲区物理力学指标

振冲前原坝土干容重r干 =1.29t/m3,湿容重r湿=1.82t/m3,玄武岩填料r干 =2.0t/m3,湿容重r湿=2.15t/m3。

经计算振冲复合土体rsp干 =1.57t/m3,rsp湿=1.95t/m3。

振冲前原坝土 Фs=24°,Cs=29.4kPa；碎石填料 Фp=38°,Cp值按无凝聚力材料考虑。

计算得复合土体的力学指标为 Фsp=30.09°,Csp=17.64kPa。

4.1.3 振冲填料要求

振冲桩体材料需用新鲜玄武岩石料,粒径2～10cm,要求级配良好,不宜用单级配材料。

4.1.4 振冲效果分析

从设计成果比较,振冲后,复合土体的物理性指标较原来增加28.8%,凝聚力C值较原来减少40%。

相同情况下,坝体最小稳定安全系数较原来增加17.5%至25%。振冲后的坝体最小稳定安全系数已能满足规范要求。

4.2 技施设计阶段的设计方法

技施设计阶段,利用水库新建输水隧洞施工、水库完全泄空的枯水期在坝前左、右岸的淤积层中进行了取样试验。经分析、计算、比较,认为利用振冲技术加固上游坝脚长达40年的淤积层,再培厚坝坡是增加该工程上游坝坡抗滑稳定性的最佳办法。该方案还得到了云南省有关部门的批准。

4.2.1 结构布置

根据大坝原坝体稳定分析成果,找出各种计算工况下最危险滑弧位置,滑弧底部坝脚区域定为振冲区前后的范围,按不同的振冲置换率及其他振冲置换参数、不同的置换区域反复调整计算,找出抗滑稳定最小安全系数不满足要求的部位,据此定出振冲边界,从而初步得出坝脚於积层最大断面的振冲区范围。

在此基础上再培厚坝坡,进一步作坝体稳定分析,以确定培厚坝坡的坡度并校核振冲复合土体的承载力,调整确定坝脚於积层最大断面的振冲区范围。振冲复合土体作上坝脚基础,不仅增加阻滑力,稳固坝坡,还为培厚坝坡稳固了基础。

对不同的坝高断面作原坝体稳定分析,得知,当坝底高程为2548.00m时,原坝断面已满足稳定要求。坝底高程为2550.00m以上的断面无需加固,不必振冲,据此定出平面上坝的振冲范围。

振冲碎石桩按正三角型布孔,桩径1.15m,面积置换率 27.96%。初定桩距为 1.8m,排距为1.56m。准确桩间距由振冲试验最后确定。

4.2.2 振冲加固设计计算

稳定分析采用圆弧分析计算。在圆弧分析法中,假设滑动面呈圆弧形。在圆弧滑动面上,总剪切力记为T,总抗前切力记为S,则沿该圆弧滑动面发生滑动破坏的安全系数为K=S/T。

取不同的圆弧滑动面,可得到不同的安全系数值,通过试算可以找到最危险的圆弧滑动面,并以此确定最小安全系数值。

在圆弧分析法计算中,假设的圆弧滑动面往往经过加固区和未加固区。土体的强度分区计算,加固区和未加固区采用不同的强度指标。加固区土体强度指标采用复合土体综合强度指标。

复合土体综合强度指标采用面积比法计算。复合土体粘聚力Csp和内摩擦角Фsp用下列二式表示。式中:Cs、Cp分别为桩间土和桩体的粘聚力；m为碎石桩置换率；ФS、ФP分别为桩间土和桩体的内摩擦角 。

设计选用75kW振冲器,成桩直径取1m,桩体碎石填料用新鲜玄武岩加工。

(1)桩距、排距。计算求得I1=1.8m； I2=1.56m

式中,A为一根碎石桩负担的面积,As为一根碎石桩面积,I1为桩距,I2为排距 。

(2)振冲区物理力学指标。

振冲前原淤泥湿容重r湿=1.64t/m3,饱和容重 r饱 =1.55t/m3,玄武岩填料r干 =2.0t/m3,湿容重r湿 =2.15t/m3。

经计算振冲复合土体rsp湿 =1.77t/m3,rsp饱 =1.70t/m3。

振冲前原淤泥 Фs=9.62°,Cs=11.8kPa；碎石填料Фp=38°,Cp值按无凝聚力材料考虑。

计算得复合土体的力学指标为 Фsp=18.8°,Csp=8.5kPa。

4.2.3 振冲填料要求

振冲桩体材料需用新鲜玄武岩石料,粒径2～10cm,要求级配良好,不宜用单级配材料。

4.2.4 振冲效果分析

从设计成果比较,振冲后,复合土体的物理性指标较原来增加8%～10%,内摩擦角增加95.43%,凝聚力C值较原来减少27.97%。

相同情况下,坝体最小稳定安全系数较原来增加17.5%至25%。振冲后的坝体最小稳定安全系数已能满足规范要求。

羊坪水库2003年投入使用,运行六年的检验,证明用振冲法加固上游坝脚淤积层,稳定可靠。

5 结论

应用振冲法加固土坝及坝脚淤积层具有如下优点:

(1)施工简单,效果显著。

(2)振冲法施工机具十分简单,维修方便,易于操作,这就为大量采用该法提供了极好的条件。经振冲加固的土石坝具有较好的安全性。

(3)振冲填料一般可就地取材。在进行了各种加固方法比较后发现,振冲法加固的费用是较低的。

运行多年的病险水库,淤积层较厚,上游坝脚需要加固时,使用振冲加固法是方便有效的方法,此法在云南省永胜县羊坪水库除险加固工程中已得到成功运用。