振冲碎石桩在水电站厚覆盖层坝基处理中的应用

肖丽华

湖南省瑞大工程建设有限公司 湖南长沙 410000

1 案例基本概况

某水电站设计有三台水力发电机组，总装机容量达到了7500kW，年发电量为2630万kW.h。该电站的有效运行不但能够大大缓解所在区域的用电紧张问题，同时也对于城市供水、水产养殖等具有重要作用。但是由于此水库处在河流中游，所以坝址存在比较厚的覆盖层，严重影响到大坝的建设。由于覆盖层的地质情况较为复杂，涉及到的范围较大且厚度较大（超出了40m），很难对其全部清除，经过分析后采取的处理方案为：对于心墙位置232m高程之下的坝基实施清除，对于其他的基建面通过振冲碎石桩实施加固处理[1]。

2 振冲碎石桩复合地基设计方案

2.1 振冲碎石桩复合地基加固基本原理

较为松散的砂土在工程施工时容易受到外力影响而产生地基液化，所以对于此种地基条件可以通过振冲碎石桩的方法对其进行加固处理。通过碎石桩的作用能够对周边桩体形成非常大的横向压力，此种压力就会对砂层造成挤压，从而降低砂层之间孔隙率，提升砂层的密实度。随着载荷的循环作用，地基饱和松散砂土会持续性收缩，从而提升土体的密实度，在没有排水的情况下会引发超静水压力较大提升。但是在碎石桩的桩孔内部填筑渗透性较强的碎石材料，能够建立起竖直方向的排水通道，以此来减小孔隙水压力，能够避免形成地基液化，从而提升地基配水固结效果。

2.2 振冲碎石桩加固方案设计分析

该水电站所在河坝区域的覆盖层范围非常广泛，并且厚度相对较厚（一般都在20m以上，最大厚度超过了40m），很难完全对其进行清除。所以为了提升加固方案的综合效益，该工程中对于心墙位置232m高程之下的坝基实施清除，对于其他的基建面通过振冲碎石桩实施加固处理。

第一，本工程中应用振冲碎石桩进行加固处理的区域是拦河坝右岸坝基的覆盖层，通过振冲碎石桩的应用能够使得碎石和基础土碎石相融合而形成复合型地基，此种地基能够有效提升坝基基础的承载能力，可以大大降低基础沉降对于坝体的影响。同时也要对出库口边坡实施振冲加固处理，加固可以按照大坝上游高程235m以及255m分平台进行，可以和已有压脚综合作用来提升水电站库内岸坡稳定性。根据本工程的实际情况，将振冲碎石桩桩体设置为正三角形，将孔距以及排距设置为2m。为了能够提升振冲碎石桩的有效性，需要确保其深度能够下覆到基岩的分界线。针对本工程的实际情况，振冲碎石桩的具体参数如表1所示。在实际施工时采取的是从下到上开挖施工平台的方式来进行。

3 振冲碎石桩坝基处理效果分析

为了验证该厚覆盖层坝基通过振冲碎石桩处理后的效果，本文通过有限元分析的方式确定坝体、防渗墙等变形情况。

3.1 有限元计算模型分析

第一，本文主要通过ANSYS软件来建立水电站防渗墙风化料坝模型。为了能够进行准确计算，需要对其进行方向的设定，具体为：X轴—将顺流

指向下游的方向设定为正方向；Y轴—将坝轴线指向左岸的方向设定为正方向；Z轴—将竖直向上的方向设定为Z轴的正方向。

第二，对于模型实施空间六面体八节点单元的网格划分，对于模型的坝体以及地基实施离散之后能够得到25675个计算单元以及36786个计算节点；设定的边界条件为：对于坝基地面进行固定约束，对于模型的右岸方向进行简支约束，对于地基上下游方向进行简支约束，其他方向设定为自由边界。为了能够得到有效的振冲碎石桩的加固效果，本文主要对振冲碎石桩加固地基以及未加固地基分别实施数值的模拟分析，通过两者的对比分析就可以得到振冲碎石桩对于地基加固的作用效果。

3.2 竣工蓄水期计算结果分析

第一，坝体应力变形计算结果分析。通过上述建立的模型对于该水电站竣工蓄水期的坝体应力变形情况进行分析，分别模拟振冲碎石桩加固地基以及未加固地基情况下坝体应力变形情况，所得结果如表2所示。

从表2所得结果可知，相对于未加固地基的情况来说，通过振冲碎石桩加固地基后在竣工期以及蓄水期坝体变形有了明显的降低，特别是在竣工期以及蓄水期坝体的沉降位移、水平位移以及大主应力等都出现了非常明显的下降，所以可以判定振冲碎石桩加固地基能够有效控制大坝坝体的位移变形[2]。

表2 竣工蓄水期坝体应力变形模拟计算结果

3.3 大坝长期变形特征计算结果分析

第一，为了能够深入分析了解振冲碎石桩对于地基的加固效果，需要对大坝的长期变形情况实施模拟分析计算。该水电站所处水库大坝主要通过砂板岩风化料实施填筑，在充分考量流变、湿化等因素对于大坝影响的基础上，通过有限元计算的方式对于振冲碎石桩未加固地基、加固地基两种不同方式的大坝坝体变形情况实施分析，能够得到坝体断面长期变形条件下沉降位移变化曲线、坝体上游向位移变化曲线以及坝体下游向位移变化曲线。

第二，该水电站大坝坝体沉降量在初期会随着时间的积累而变大，但是在一年之后沉降量基本处于稳定状态。通过以上两种曲线对比可知，同个时间点上通过振冲碎石桩对于地基进行加固之后大坝坝体沉降量有了非常显著的下降。这就表明在长期流变情况下，对于坝体地基实施振冲碎石桩加固处理后能够有效抑制坝体的沉降变形，对于提升坝体的稳定性具有重要作用。

第三，该水电站大坝坝体上下游方向水平位移在初期会随着时间的积累而变大，但是在一年之后水平位移基本处于稳定状态。通过以上两种曲线对比可知，同个时间点上通过振冲碎石桩对于地基进行加固之后大坝坝体水平位移有了非常显著的下降。这就表明在长期流变情况下，对于坝体地基实施振冲碎石桩加固处理后能够有效抑制坝体的水平位移变形，对于提升坝体的稳定性具有重要作用[3]。

表1 振冲碎石桩的参数

4 结语

本文主要以某水电站为例提出利用振冲碎石桩处理厚覆盖层坝基处理的相应方案，同时利用有限元分析的方式对于振冲碎石桩加固地基以及未加固地基分别进行了分析计算，通过结果可知振冲碎石桩加固处理对于沉降量、位移等具有非常显著的作用，有利于提升坝体稳定性。