振冲砂石桩在处理坝基软弱覆盖层中的应用

陈能成　沈　波

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司上海200439）

振冲砂石桩在处理坝基软弱覆盖层中的应用

陈能成1沈波2

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司上海200439）

坝基软弱覆盖层常采用大开挖换填处理，该法施工简单，当覆盖层较厚时，存在施工强度大、基坑排水困难和工程投资大等缺点。本文通过工程实例，建立有限元模型进行分析，探讨了振冲砂石桩在处理坝基软弱覆盖层中的应用，并结合其他工程，提出了复合地基置换率合理区间，可为类似案例提供借鉴。

振冲砂石桩；槽孔混凝土防渗墙；坝基；软弱覆盖层

1　工程概况

罗家堡水库位于重庆市黔江区马喇镇境内，是一座具有农业灌溉和供水等综合效益的水利工程。水库总库容1073.3万m3，设计灌溉面积2.60万亩，为Ⅲ等中型工程。挡水坝采用沥青混凝土心墙石渣坝，坝顶高程809.2m，坝体宽度内河床现状地面高程约781.5m～783.5m，清基高程778.5m。

2　河床段坝基地质情况

河床宽约130m，覆盖层最深35.1m，从上至下主要分布有四层：

①淤泥质黏土层：一般厚1.6m～2.5m，灰褐色、灰黄色，软塑状，杂植物根系，手搓可成细条状。

②粉质黏土层：一般厚5m～10m，青灰色～灰绿色，局部有机质含量较高，呈灰黑色，软塑～可塑状，手搓易呈细条，黏性强；

砾砂：分布于②粉质黏土层中，分布规律性较差，总体呈青灰色，稍～中密状。碎砾石原岩以页岩、粉砂质页岩为主，少量为砂岩等其他岩类，次棱角状～次圆状。

③碎石土：该层埋深较大，主要分布于坝址地表下伏的古河道内。总体呈灰黑色，中密状，砾石一般呈次棱角状～次圆状，原岩以页岩、粉砂质页岩为主。

3　坝基软弱覆盖层处理必要性

河床部位软弱覆盖层最深处达35.1m，清除表面的腐植土和淤泥质粉质粘土后，主要由粉质粘土和碎石土组成。土层含水率33.0%～41.0%，饱和度为100%，压缩系数0.51 MPa-1～6.2MPa-1，具有高压缩性、低强度、低承载力的特点。因此，为保证坝坡稳定和减少坝体沉降变形，必须对覆盖层进行处理。

4　坝基处理方案比选

参照同类坝基处理经验，选用槽孔混凝土防渗墙+振冲砂石桩方案、高压旋喷防渗墙+高压旋喷桩方案和明挖浇筑砼截水槽+换土三个方案进行比较。各方案优缺点详见表1。

从工程投资和施工强度考虑，选用槽孔混凝土防渗墙+振冲砂石桩方案。

5　坝基处理设计

振冲砂石桩（粗砂、碎石重量比为4:6）直径1000mm，砂石桩桩底至岩层顶面，在防渗墙轴线两侧各35m范围内，砂石桩间距@1.5m×1.5m，其余区域@1.8m×1.8m。

槽孔混凝土防渗墙采用C25混凝土浇筑，设计墙厚0.8m，沿坝轴线布置，采用三钻两抓的方式成槽。防渗墙顶部施工平台高程777.0m，底部嵌入弱风化基岩1.0m，最低建基面高程746.0m，最大高度31m。砼防渗墙在振冲砂石桩施工完成后实施。

表1　坝基覆盖层处理方案优缺点比较表

混凝土防渗墙通过基座和0.6m厚的沥青混凝土心墙相连，沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙共同形成了一道整体防渗屏幕。

6　坝基处理前后应力变形分析

建立有限元模型，模拟大坝的分层填筑及蓄水过程。平面有限元网格及坐标系如图1所示，顺河向为X坐标，竖向为Z坐标。

图1　整体分区示意图

计算采用分级进行，共包括24级，第1级模拟地基（包括覆盖层及基岩）初始应力场，第2～8级模拟坝体填筑过程，第9～10级模拟蓄水过程，考虑非线性效应，每级填筑步又分5个增量步加载。初始地应力场采用自重作用下的地应力场。坝体与心墙采用同步平层填筑，约5m左右填筑一级。对完建期和蓄水期大坝的应力与变形特征进行分析，完建期和蓄水期分别对应的工况为：

（1）完建期

大坝上下游无水荷载，首先模拟上游围堰施工过程，然后分级模拟大坝施工过程，大坝从建基面最低高程均匀填筑，到设计坝高809.2m。

（2）蓄水期

大坝填筑完成后，分级模拟大坝上游蓄水至正常水位807m高程，下游无水荷载作用。

坝体与覆盖层材料采用邓肯张E-B双曲线本构模型，基岩和混凝土防渗墙采用线弹性模型。振冲砂石桩间距采用1.8m/1.5m组合，材料参数取值详见表2。

坝基经振冲砂石桩处理前后坝体应力、变形最大值见表3。

变形、应力水平云图见图2～图7。

表3　坝体应力、变形最大值

图2　完建期坝体水平位移云图（m）

图3　完建期坝体竖向位移云图（m）

图4　完建期坝体应力水平云图

图5　蓄水期坝体水平位移云图（m）

图6　蓄水期坝体竖向位移云图（m）

表2　材料参数取值

图7　蓄水期坝体应力水平云图

通过表3计算结果可知，原状地基整个坝体变形较大，经振冲砂石桩处理后，可有效地减小了坝体的沉降和水平变形。

7　结语

软弱覆盖层经振冲砂石桩处理后，可显著降低坝体的水平与竖向变形，同时减小沥青混凝土心墙的应力水平，并有效减小了基座、槽孔混凝土防渗墙竖向拉、压应力，使防渗体结构安全余度增加；随着置换率的提高，复合地基弹性模量也随之提高，可有效降低坝体的应力和变形，但其提升具有局限性。根据浙江汤浦水库和云南务坪水库等工程实例，坝体主要应力区的振冲置换率一般为30%～40%，次要应力区为20%～30%。本工程主要应力区置换率为35%，次要应力区置换率为24%。陕西水利

［1］陈祖煜，周晓光，张天明，陈立宏。云南务坪水库软基筑坝技术，中国水利水电出版社，2004

［2］中国水利水电出版社，碾压式土石坝设计设计（SL274-2001），2002

［3］中国电力出版社，水电水利工程振冲法地基处理技术规范（DL/T5214-2005），2005

（责任编辑：畅妮）

TV553

B