生米九龙湖1号水利工程双层地基更换砂垫层设计研究

王登伟

(江西省水利水电开发有限公司，江西南昌 330000)

生米九龙湖1号水利工程双层地基更换砂垫层设计研究

王登伟

(江西省水利水电开发有限公司，江西南昌 330000)

江西省生米九龙湖1号水利工程为典型的双层地基，但存在着严重的承载力不足和渗透性较差的问题，同时由于前期勘测结果不准确，导致了工程需要重新设计，施工难度大。采用更换砂垫层处理方法，解决了地基承载力不足的问题以及渗透性不足的问题，投资增加不大，施工之时亦十分方便，可以为类似工程提供借鉴。

双层地基；砂垫层；基础处理；排水降压

江西省生米九龙湖1号水利工程为Ⅲ等中型水利工程，主要负责流域内的排水问题。该水利工程的设计抽排流量14.8m3/s，配备5台900ZLB-100立式轴流泵组，使用的电机为JS，JSL148-10，总装机为1300kW。该水利工程为坝后式泵站，采用的是开敞式的温室型结构建造，各个机组整体连接，彼此之间不再设置缝隙。泵房底板高程为8.6m，平均底部压力为77.51kPa。

根据相关初设阶段的地勘资料，泵房的基础部分位于重粉质土层之上，而且下部的土层为透水性极好的砂层。重粉质土层的整体力学特性较好，可以承受一定的压力，透水性较差，压缩性一般。重粉质土层平均标贯击数为6.5击，承载力的标准值为157.3kPa。因为该泵房下的天然地基满足承载力要求，故而无需地基处理。

在工程开工之后，泵房部位的地基土渗水严重，并且承载力极差。经过细致检测发现：设计基础高程以下的土层的力学特性依旧很差，与原先地勘结果中对该土层力学特性的描述有着很大出入，造成了施工的停滞，为了准确掌握该地段的地质情况，以便对工程的处理工作提出建议，现对现场进行重新勘察与实验。

1 现场勘察与实验结果

勘察单位新增加了6个勘测用钻孔，具体的勘察结果简述如下：

该区域的工程地层分为5层：人工填土层、粉质黏土层、粉质壤土层、重砂壤土层和粉砂层。其中，人工填土层为地表层，整体呈现出黄褐色，主要由黏土、粉质黏土组成，但厚度较小，对于工程整体的进行工作影响较小；粉质黏土层为灰色黏土，同样，该部分土层的厚度依旧不大，但在河床部位分布较厚，多由新近淤积而成，但该部分的地基允许承载力为60kPa，整体承载力较小，是极度软弱的土层；粉质壤土层是极薄的砂层，层顶距离地表仅2.5～4.0m，层厚为0.9～10.0m，粉质壤土层的分布较为广泛，野外的平均标贯击数为2.57击，地基允许承载力为60～80kPa；重砂壤土层总体以砂为主，层位的变化极大，呈现出西部较高、东部低缓的走势，野外的平均标贯击数为3.41击，地基允许承载力为60～80kPa；粉砂层总体以砂为主，层位的变化较小，呈现出平缓态势，野外的平均标贯击数为12.6击，地基允许承载力为110～142kPa。

综上所述，该水利工程区的覆盖层整体表现较为松软，泵站所在区域的主要持力层为粉质壤土层和重砂壤土层。但粉质壤土层和重砂壤土层都属于较为松软的土层，其力学特性较差，而且层位极为紊乱，造就了该处地基的一致性较差，容易引起较为明显的不均匀沉降［1-4］。

2 地基稳定及渗流稳定的复核计算

2.1 地基稳定的复核计算

江西省生米九龙湖1号水利工程地基的最大基底应力为71kPa，最小的基底应力为64kPa，平均的基底应力为68kPa。但是江西省生米九龙湖1号水利工程地基持力层：粉质壤土层和重砂壤土层的平均标贯击数分别为2.57击和3.41击，地基允许承载力为60～80kPa，不满足规范要求，需要处理［2-4］。

2.2 渗流稳定的复核计算

对于浅层渗流计算而言，基础防渗长度的计算公式为

式中 L—防渗长度，m；

ΔH——最大的水位差，m；

C——渗径系数。

江西省生米九龙湖1号水利工程地基的防洪水位为18.69m，最大的防洪水位差值为8.19m，进水池的最低运行水位是10.6m。取渗径系数C=7，计算得到防渗长度L=57.27m，而该工程地基地下轮廓线的实际长度为101.5m，远远大于防渗长度L= 57.27m，故而浅层渗透稳定性满足要求［5-6］。

该核电站采用氨+联氨的AVT（R）控制二回路水质，给水末端控制的氧含量小于1μg/L，pH=9.6～9.9。停机前，通过向二回路加入大量的氨和联氨，以保证二回路pH尽可能接近11.0，停机后及时向二回路各主要开孔设备通压缩空气保证湿度小于40%，对整个二回路设备进行保养，以防止回路发生停用腐蚀。为掌握整个二回路的腐蚀状况，该核电站还编制有指导大修腐蚀检查的规程，规程中规定了凝汽器-磁性过滤器、除氧器等设备沉积物的取样方法。

工程地基为典型的双层地基结构。对于双层渗流计算而言，将上层透水性较小的土层当作透水铺盖，在上层透水性较小的土层中，渗流的方向是垂直向下的。但是在地下轮廓线低水位测，渗流的方向是垂直向上的，强透水层的渗流方向则是水平的。由此，根据达西定律的相关原理，可以建立水闸上下游段以及地下轮廓线的微分方程［7］（见下页图1）。

对于下游段CD，当L1、L2为无限长时，假设坐标原点位于C点，有

图1 双层地基水闸上的渗流

当L1、L2为有限长时，假设坐标原点位于D点，有

为越流系数。

对于上游段AB，当L1、L2为无限长时，假设坐标原点位于C点，有

当L1、L2为有限长时，假设坐标原点位于D点，有

其中，c1、c2、c3、c4、c5、c6皆为待定系数。

按照上游段为开敞式、下游段为封闭式的结构进行计算，求解得到相对不透水层面的渗透水层为3.38m，大于粉质壤土垂直坡降0.4～0.5m，不符合工程设计要求，需要采取防渗措施。

3 基础的处理方法

3.1 泵房部分的处理

根据以往的经验，解决深层渗流稳定问题最有效的方法便是排水。但是如果采用调压井，随着时间的推移调压井会出现淤堵问题，其安全保证率是很低的。因此，该工程采用的是更换砂垫层方法，更换砂垫层方法不仅可以避免调压井方案的淤积堵塞，还可以解决承载力不足的问题［8-9］。

工程中，更换砂垫层方法需要将软弱地基挖除，填充粗砂垫层。其中，高程在4.0～5.0m的填充中砂垫层，高程大于5.0m的填充粗砂垫层，换砂地基的范围应该顺着水流方向长度约41.5m，垂直水流方向长度约29.8m，开挖边坡的坡度为1∶1.5～1∶2。干砂的重度为18kN/m3，相对密度不小于0.8kg/m3。但是，由于地下水位比较高，施工之时采用了深井降水配合浅（轻）井点降水的方法，具体方案见图2。

3.2 位势的计算

在进行了更换砂垫层之后，泵房部分的渗流出口的排水面积增大，需要重新核算分析。经勘测得知，从沟渠中心到河岸的补给距离L1=500m，沟渠的宽度2b=26m，沟渠的长度为2a=29.7m，透水砂层的厚度T=34m，沟渠的深度S=2.8m，不完整短沟渠［10］等效完整井的半径

图2 基础处理布置

根据位势h/H的计算公式为

式中 h——承压水头，m；

Φ——位势，但为无量纲；

L1——补给距离，m。

根据式7计算，得到沟渠中心的位势h/H等于0，方圆12m内的位势h/H小于0.15，方圆20m内的位势h/H小于0.25，出逸坡降小于0.4，满足工程要求。

3.3 承载力的计算

在进行了更换砂垫层后，泵房部分的持力层满足承载力要求，但是应该验证砂垫层是否满足工程要求，计算公式如下：

式中 PZ——软弱下卧层顶面的附加应力，kPa；

Pcz——软弱下卧层顶面的自重应力，kPa；

R——软弱下卧层顶面的地基承载力允许值，kPa。

核算，PZ+Pcz=72.52kPa＜R=92kPa，满足工程要求。

4 结 语

江西省生米九龙湖1号水利工程为典型的双层地基，同时天然地基存在着严重的承载力不足和渗透性较差的问题。本文采用更换砂垫层的方法，解决了地基承载力和渗透性不足的问题，投资增加不大，施工亦十分方便，该工程的设计思路，可以为类似工程提供借鉴。

［1］ 梁思桦.换砂垫层地基的设计与施工［J］.科技资讯，2010（22）：83.

［2］ 刘红艳，曹春阳，冯继平.系统分析方法在大体积换砂垫层施工中的应用［J］.辽宁工学院学报，2005，25（1）：40-42.

［3］ 贾兴华.对不同地基土进行砂垫层换土处理的方法［J］.山西建筑，2006，32（23）：106-107.

［4］ 徐梨丹，雷国辉.水平排水砂垫层对天然地基固结效率影响分析［J］.河海大学学报（自然科学版），2016（1）.

［5］ 李艳东.王家坝闸水工建筑物安全复核评价结果分析［J］.水利建设与管理，2014，34（9）：57-60.

［6］ 冯耀奇，赵铁斌.土石坝渗流计算模型的建立及应用研究［J］.水利建设与管理，2007，27（1）：24-26.

［7］ 王俊奇，李闯，董晔.Bishop法的半解析解及其广义数学模型［J］.水利与建筑工程学报，2015（6）.

［8］ 孔庆宇，马希磊，王婷婷.隧道穿越段长江大堤渗流稳定性分析［J］.水利与建筑工程学报，2012，10（6）：74-77.

［9］ 孙建平，刘青泉，李家春，等.降雨入渗对深层滑坡稳定性影响研究［J］.中国科学：，2008，38（8）：945-954.

［10］ 黄明恪.用全位势方程计算细长翼身组合体的可压缩绕流［J］.航空学报，1996（1）：88-273.

Study on Designing of Sand cushion Rep laced in Double-layered Foundation of Shengmi Jiulong Lake No.1 Water Conservancy Project

WANG Dengwei
（Jiangxi Water Conservancy Hydropower Development Co.，Ltd.，Nanchang 330000，China）

Shengmi Jiulong Lake No.1Water Conservancy Project is a classical project with double-layered foundation but it is beset by seriously insufficient bearing capacity and inferior permeability.In the meantime,due to inaccurate surveying results in the incipient period,the project needs re-designing and hence construction difficulty is intense.Use of the disposal method of replaced sand cushion helps resolve insufficient bearing capacity of foundation soil and deficient permeability with low added input.It is quite handy during construction and can provide reference to analogous projects.

double-layered foundation;sand cushion;foundation treatment;drainage and depressurization

TV223

A

1673-8241（2016）12-0064-04

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.12.016