哈达山枢纽工程挡水土坝坝基抗液化处理的对比研究

梁满福，张 伟，刘伟洋

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062)

0 引言

哈达山水利枢纽工程位于第二松花江下游河段，由坝区枢纽工程、防护区工程和输水工程组成，为大(Ⅱ)型，水库总库容5.45×108m3，电站装机容量为27.6 MW，挡水土坝坝顶全长1 930.40 m，坝顶高程146.00 m，坝段最低建基高程133.00 m，粘土均质坝最大坝高13.00 m，坝顶宽为10 m。

该区位于松辽平原之松嫩平原的东南部，在差异性升降运动等新老的构造控制作用下，形成了以台地为代表的剥蚀堆积地形和以岗地漫滩为代表的堆积地形两大成因类型，而河流侵蚀与堆积、风蚀与风积等近代地质作用构成了本区的冲洪积、冲湖积、冰水堆积平原、冲积湖积平原和河谷平原三个明显阶梯。工程区地震动峰值加速度为0.2 g，相应地震基本烈度为Ⅷ度。土坝抗震设防烈度为Ⅷ度。

挡水坝段第四系地层岩性为:

中砂 黄褐—灰绿色，湿—饱和，松散—中密，层厚10.0～12.0 m。

砾质粗砂 灰绿色，饱和，中密，层厚1.00～1.50 m，较连续分布在中砂之下。

鉴于勘察阶段判定挡水土坝段处于饱水状态下的砂土地基存在地震液化问题，故需对处于饱水状态下的砂土地基进行抗液化处理，初步拟定抗液化处理方案为:①振冲桩加密;②强夯。为选择适宜的抗液化处理方案及选择合理的施工技术参数，于土坝段选择了一有代表性的地段作为试验区进行了不同抗液化处理方案的试验，以比较各抗液化处理方案的处理效果及可行性，为整个坝基抗液化处理施工提供依据。

1 方案布置［1］

本次抗液化处理试验区选在土坝段一期基坑围堰内，试验区的地下水类型为第四系松散层中的孔隙潜水，水位埋深1.1～2.6 m，试验包括振冲桩试验和强夯试验两种方法。

振冲桩试验区:试验深度选用7 m、8 m、10 m 和12 m四种形式，桩位布置均采用等边三角形，边长2 m(施工过程中局部调整为1.8 m)。详见图1。

振冲桩试验在施工初期，通过对地面沉陷量的测量，经过统计后，确定施工参数为:①7 m 区和12 m 区分二遍振密和三遍振密两个区域，8 m 区和10 m 区均为三遍振密。②4 m 以下加密电流控制在85A 以上，4 m以上加密电流控制在65A。③造孔水压控制在0.5～0.6 MPa，加密水压控制在0.2～0.4 MPa。④在12 m 区域调整15 根桩为1.8 m 桩距。

强夯试验区:范围为30 m×30 m，夯点布置采用5 m×5 m，强夯试验采用点夯两遍和满夯一遍的强夯施工方案，中间插点进行二遍夯。详见图2。

1.1 点夯施工参数

(1)单点夯击能:4 000 kN·m;

(2)采用隔行不隔点方式施工，每夯点夯击3～5击;

(3)最后两击平均夯沉量不大于50 mm、100 mm，可连续进行两遍夯击。

1.2 满夯施工参数

(1)单点夯击能1 000 kN·m，每点2 击;

(2)对场地进行全面积满夯，锤印相切。

图1 振冲桩试验区检测点布置图Fig.1 Arrangement diagram of monitoring points in vibrosinking pile experiment plot

图2 强夯试验区检测点布置图ig.2 Arrangement diagram of moniroring points in dynamic compaction test area

针对本次土坝地基抗液化处理的试验方案，布置了抗液化处理试验检测方案如下:

①抗液化试验处理前。在振冲桩试验区内布置标准贯入试验检测点5 个，表部相对密度检测点3 个。强夯试验区内布置标准贯入试验检测点3 个，表部相对密度检测点3 个。

②抗液化试验处理后。在7 m 振冲桩试验区内布置标准贯入试验检测点3 个(其中3 遍加密区1 个，2遍加密区2 个)，表部相对密度检测点3 个;在8 m 振冲桩试验区内布置标准贯入试验检测点3 个;在10 m振冲桩试验区内布置标准贯入试验检测点3 个;在12 m振冲桩试验区内布置标准贯入试验检测点6 个(其中3 遍加密区2 个，2 遍加密区4 个)，表部相对密度检测点3 个。在强夯试验区内布置标准贯入试验检测点3 个，表部相对密度检测点3 个。

2 检测工作

在振冲桩试验区内及强夯试验区内分别取样进行了天然砂层(为中砂)的相对密度及相关物性指标的试验测试工作，同时对不同的试验区分别进行了原位标准贯入试验，并对有压重和无压重两种情况分别进行了液化评价。

在振冲桩试验区内(7 m 深度区及12 m 深度区)及强夯试验区内分别对表部砂层取样进行了试验后砂层的相对密度及相关物性指标的试验、测试工作，同时对强夯试验区和不同深度(7 m、8 m、10 m、12 m)的振冲桩试验区及其不同的施工参数区分别进行了原位标准贯入试验，并对有压重和无压重两种情况分别进行了液化评价。

2.1 取样试验

见表1。

2.2 实测标贯击数与深度关系

处理前后不同深度(7 m、8 m、10 m、12 m)的振冲试验区实测标贯击数与深度关系见图3－图6。

3 结果分析

3.1 振冲试验

3.1.1 7 m 深度试验区

振冲处理前后相关数据对比见表2、表3、表4。

图3 振冲试验12 m 深度区实测标贯击数与深度关系曲线图Fig.3 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 12 m depth zone

图4 振冲试验10 m 深度区实测标贯击数与深度关系曲线图Fig.4 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 10 m depth zone

从表2 可以看出，在经过振冲试验处理后，上述天然密度、天然干密度及相对密度均得到一定的提高，根据《水利水电工程地质勘察规范》，地震设防烈度为八度时，液化临界相对密度为75%，处理后的相对密度仍小于此数，虽然上述指标均有一定程度改善，但效果并不理想，表明该种试验方案对表部1.5 m 深度范围内砂层处理效果不佳。

表1 抗液化试验处理前、后试验区表部砂层检测项目成果(平均值)Table 1 Results of testing item of sand layer before and after anti-liquefaction test

表2 7 m 试验区抗液化试验处理前、后表部砂层相关物性指标分析对比表Table 2 Comparative analysis of related physical index before and after anti-liquefaction test in 7 m test area

表3 7 m 试验区抗液化试验处理前、后砂层液化分析对比表(不考虑压重情况下，对比深度1.65～6.65 m)Table 3 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 7 m test area(not considering weighting)

表4 7 m 试验区抗液化试验处理前、后砂层液化分析对比表(考虑压重情况下，对比深度1.65～6.65 m)Table 4 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 7 m test area(comsidering weighting)

从表3 可以看出，该试验区同一对比深度内，不考虑压重情况下，通过振冲处理液化率及液化指数亦均有较大程度的降低，地基抗液化性能明显改善，三遍加密效果略优于两遍加密效果。但无论是两遍加密还是三遍加密均不能完全有效地消除振冲处理深度范围内的液化影响;同时结合液化评价成果，该7 m 深度试验方案，对振冲深度内的底部0.5～1.0 m 处理效果不佳。

从表4 可以看出，当有压重条件时(压重至高程138.5 m，按下游坡水位135.34 m 考虑)，在经过该方案的振冲处理后，无论是两遍加密还是三遍加密均能够完全有效地消除振冲处理深度范围内的液化影响。

3.1.2 8 m 深度试验区

振冲处理前后相关数据对比见表5。

从表5 可以看出，该试验区同一对比深度内，不考虑压重情况下，在经过该方案的振冲处理后，在振冲处理深度范围内能够完全消除液化影响。

从表6 可以看出，考虑压重情况下，在经过该方案的振冲处理后，在振冲处理深度范围内能够完全消除液化影响。

3.1.3 10 m 深度试验区

振冲处理前后相关数据对比见表7。

图5 振冲试验8 m 深度区实测标贯击数与深度关系曲线图Fig.5 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 8 m depth zone

图6 振冲试验7 m 深度区实测标贯击数与深度关系曲线图Fig.6 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 7 m depth zone

从表7 可以看出，该试验区同一对比深度内，不考虑压重情况下，在经过该方案的振冲处理后，虽未完全有效地消除振冲处理深度范围内的液化影响，但液化率及液化指数均已极大程度地降低，且仅有的两个液化点均出现在振冲深度内的底部0.5～1.0 m 处。

从表8 可以看出，考虑压重情况下，该试验区同一对比深度内，在经过该方案的振冲处理后，在振冲处理深度范围内能够完全消除液化影响。

3.1.4 12 m 深度试验区

振冲处理前后相关数据对比见表9、表10。

从表9 可以看出，在经过振冲试验处理后，上述天然密度、天然干密度及相对密度均得到一定提高，根据《水利水电工程地质勘察规范》，地震设防烈度为八度时，液化临界相对密度为75%，虽然上述指标均有一定程度改善，但效果并不理想，处理后的相对密度仍小于此数，表明该种试验方案对表部砂层处理效果不理想。

从表10 可以看出，该试验区同一对比深度内，不考虑压重情况下，在经过该方案的振冲处理后，无论是两遍加密还是三遍加密均能够完全有效地消除振冲处理深度范围内的液化影响。

3.2 强夯试验区

强夯处理前后相关数据对比见表11、表12。

从表11 可以看出，该试验区试验前表部砂层在经过强夯处理后，上述天然密度、天然干密度及相对密度均得到提高，虽然上述指标均有一定程度改善，但效果并不理想，表明该种试验方案对表部砂层处理效果不理想。

从表12 可以看出，在经过强夯试验处理后，其中有两个检测点液化率虽有一定程度的降低，其值降为22.2%～33.3%，液化指数降为1.19～3.83，液化等级亦由严重变为轻微，液化程度亦有较大改善，由严重变为轻微，但并未完全有效地消除液化影响，且另外一个检测点并无明显改善，故该方法处理效果不佳，可靠性亦不高，同时由液化评价成果表可以看出，该方法对2～6 m 深度区内效果较为理想，能够基本消除液化影响，但对2 m 以上及6 m 以下区域内效果不佳，仍存在液化现象。

当考虑压重条件时(压重至高程138.5 m，按上游坡水位140.5 m 考虑)，强夯处理前后液化评价见表13。

表5 8 m 试验区抗液化试验处理前、后砂层液化分析对比表(不考虑压重情况下，对比深度1.65～7.65 m)Table 5 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 8 m test area(not considering weighting)

表6 8 m 试验区抗液化试验处理前、后砂层液化分析对比表(考虑压重情况下，对比深度1.65～7.65 m)Table 6 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 8 m test area(considering weighting)

表7 10 m 深度区抗液化试验处理前、后砂层液化分析对比表(不考虑压重情况下，对比深度1.65～9.65 m)Table 7 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 10 m depth zone(not considering weighting)

表8 10 m 深度区抗液化试验处理前、后砂层液化分析对比表(考虑压重情况下，对比深度1.65～9.65 m)Table 8 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 10 m depth zone(considering weighting)

表9 12 m 深度振冲前、后试验区表部砂层相关物性指标分析对比表Table 9 Comparative analysis of related physical index before and after vibroflotation in 12 m depth

表10 12 m 深度抗液化试验处理前、后砂层液化分析对比表(不考虑压重情况下，对比深度1.65～10.65 m)Table 10 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 12 m depth (not considering weighting)

表11 强夯处理前、后表部砂层相关物性指标分析对比表Table 11 Comparative analysis of related physical index before and after treatment by dynamic compaction

表12 强夯处理前、后砂层液化分析对比表(不考虑压重情况下，对比深度1.65～9.65 m)Table 12 Comparative analysis of sand liquefaction before and after treatment by dynamic compaction(not considening weighting)

表13 强夯处理前、后砂层液化分析对比表(考虑压重情况下，对比深度1.65～9.65 m)Table 13 Comparative analysis of sand liquefaction before and after treatment by dynamic compaction(considering weighting)

从表13 可以看出，该试验区同一对比深度内(考虑压重情况下)砂层液化率44.4%～77.8%，液化指数16.07～23.19，属严重液化型，在经过强夯试验处理并采取压重后，液化率降低为11.1%，液化指数降为0.44～2.35，液化程度亦有较大幅度改善，由严重变为轻微，但并不能完全有效地消除液化影响。

4 结论

(1)振冲法和强夯法均适用于本工程的地质条件。

(2)各处理方案表部1.0～1.5 m 深度范围内的处理效果偏差。

(3)对各种不同深度的振冲处理方案，在振冲深度内的底部0.5～1.0 m 范围内处理效果偏差;强夯法的有效处理深度为1.5～6.5 m，实用区间相对较小，对6 m 以下区域内处理效果不佳，可能存在无明显改善的区域，处理可靠性不高。

(4)两种方法在实用范围内处理效果均较好，液化程度均有大幅度的改善，振冲法处理效果更佳，能够完全有效的消除液化影响。

(5)工程区地下水位较高，而强夯法对场地地下水条件要求较高，施工时需要进行排水措施，振冲法则仅需机械设备进场即可。

综合以上几点，本工程基础处理中相对于强夯法，振冲法在实用范围、处理质量和场地要求上都存在着一定的优势，而且振冲法无强夯法所必须的施工排水等措施，降低了工程造价，因此建议采用振冲法对本工程坝基进行抗液化处理，施工参数在实际施工中可根据实际情况进一步优化，确定振冲深度时应考虑底部处理效果偏差的情况，适当加深振冲范围，表部采取其他处理方式，以完全消除表部地震液化影响。

［1］中水东北勘测设计研究有限责任公司工程勘察院.哈达山水利枢纽工程土坝坝基抗液化加密处理试验检测报告［R］.长春:中水东北勘测设计研究有限责任公司工程勘察院，2008.