南河水库坝基排水处理方案比选

袁宇霞

（晋中市水利勘测设计院 山西晋中030600）

1 南河水库工程概况

南河水库是介休市一座为工业供水的调蓄水库，储蓄大水网东山供水工程来水，解决该市新型建材工业园区中部引黄工程停供期的用水。南河水库总库容438.1 万m3，规模为小（Ⅰ）型。枢纽工程由大坝、输水洞组成。大坝为均质土坝，坝顶长180.65 m，顶宽6 m，最大坝高51 m。

2 坝址工程地质

坝址处河谷总体走向N74°W，河床地形较为平缓，地面高程为819～822 m。但受岸坡卸荷及雨水冲刷淘蚀影响，地表沟壑纵横，两岸岸顶高程在865 m 以上，河谷断面呈“U”型。

坝基河床及河漫滩上部地层岩性为第四系全新统洪冲积低液限黏（粉）土，局部底部为薄层卵石混合土、级配不良砂。卵石混合土层结构松散，具强透水性，为主要渗漏通道，厚2 m 左右，全层厚5.0～10.6 m。其下为中更新统洪积棕黄、棕红色低液限黏土。地下水类型为松散岩类孔隙水，主要赋存于第四系全新统洪冲积低液限黏（粉）土、卵石混合土（级配不良砂）中，一般富水性较好，但局部因含泥量增大，富水性变差。勘察时段地下水埋深较浅，一般为1.5～4.0 m。

3 坝基实际情况

南河水库于2019年6月开工，2019年10月在对大坝坝基进行碾压试验时，发现大坝坝基土含水量较高（经检测大坝下游坝基含水率最低为17.8%，最高达26.2%），为解决坝体软基问题，对坝基进行了多次的碾压试验，并邀请有关专家进行了技术咨询。根据专家意见及地质情况，提出了以下三种设计方案。

4 坝基排水方案及效果

坝基排水处理前先对试验回填土（选取上岭后大坝回填土料场土方）进行了检测，检测结果得最大干密度为1.87 g/cm3，最优含水率为13.2%。坝基清基后对基础进行碾压，压实度应达到95%。

4.1 换基1 m 分三层填筑

4.1.1 试验过程

在坝基下游选取试验位置（底宽3 m，长度10 m的矩形试验段，高程约816.6 m），直接开挖至高程815.1 m（此处设计坝基面高程为816.15 m），基面整平后随机选取三个原状土检测点，天然密实度分别为88.0%、86.7%、92.6%，含水率分别为21.4%、24.4%、18.8%。

第一层回填虚铺厚度为35 cm，采用22 t 凸块碾静压6 遍后出现弹簧土现象，停止碾压并选取三个测点检测压实度分别为98.7%、96.8%、93.3%，含水率分别为16.1%、17.5%、18.8%。第一层碾压后平均高程为815.30 m。第二层回填虚铺厚度为35 cm，采用22 t 凸块碾静压4 遍后出现弹簧土现象，停止碾压并随机选取三个测点检测压实度分别为98.9%、95.7%、93.3%，含水率分别为14.3%、18.0%、16.9%。第二层碾压后平均高程为815.60 m。第三层回填虚铺厚度为35 cm，采用22 t 凸块碾静压2 遍，振动碾压4 遍后出现弹簧土现象，停止碾压并随机选取三个测点检测压实度分别为98.1%、97.6%、96.3%，含水率分别为16.7%、15.6%、17.6%。第三层碾压后平均高程为815.85 m。

4.1.2 结果分析

试验前原状土平均密实度为89.1%，平均含水率为21.5%；处理后第一层碾压平均压实度为96.3%，平均含水率为17.5%，出现弹簧土现象；第二层碾压平均压实度为96.0%，平均含水率为16.4%，出现弹簧土现象；第三层碾压平均压实度为97.3%，平均含水率为16.6%，出现弹簧土现象。

可以看出，换填1 m 分层回填，土方压实度均能达到设计要求，但碾压过程中均出现弹簧土现象，该现象会随土层向上逐渐减弱。

4.2 换基1 m 一次性填筑

4.2.1 试验过程

开挖试验段（底宽3 m，长10 m，底高程815.1 m），坝基原状土经实验室检测得最大干密度为1.88 g/cm3，最优含水率为12.5%。

用回填土直接虚铺1 m，采用22 t 凸块碾静压2 遍，振动碾压6 遍，未出现弹簧土现象，随机选取表层三个测点检测压实度分别为94.9%、96.5%和97.1%，含水率为17.9%、17.1%和16.1%，碾压后平均高程为815.76 m。下挖70 cm 后选取一点检测土方压实度为90.9%，对应含水率为20.7%。

4.2.2 结果分析

土料虚铺1 m 直接回填碾压后平均压实度为96.2%，平均含水率为17.0%，未出现弹簧土现象；虚铺顶面向下70 cm 处的压实度为90.9%，含水率为20.7%。可以看出，此种方法回填碾压后上层土方压实度能满足设计要求，且碾压面不会出现弹簧土现象，但下层土方压实度及含水率均未达到设计要求。

4.3 砂井固结排水

4.3.1 试验过程

采用砂井的方法进行坝基固结排水处理，处理范围为大坝下游河床处，位置从截水槽下游河床25 m开始处理至大坝下游坡脚，长93 m，宽60 m。砂井需深入至Q2土层，高程约805 m，砂井直径为40 cm，井距为3 m，呈梅花型布置。南河水库坝基砂井分布图见图1、图2。

图1 南河水库坝基砂井平面分布图

图2 南河水库坝基砂井立面分布图

施工方法：在地基中打入封底的钢管，拔管的同时灌入中粗砂形成柱状排水体，为低透水性软土提供一个排水通道，以加快地基土层固结的速度。下游孔数为768 孔，打孔深度累计9 216 m。

施工要求：1）砂井垂直度要好。2）砂料含泥量要小，一般含泥量要求小于3%。3）回填采用中粗砂，有效粒径d10＞0.1～0.3 mm，不均匀系数3～5。4）砂料要风干砂，含水率小于5%，灌制密实，相对密度不低于0.75。

对上下游坝基分别进行碾压试验，上游左岸坝基采用22 t 凸块碾静压2 遍，振动碾压6 遍，未出现弹簧土现象，随机选取测点检测压实度为95.2%，含水率为13.1%；上游左岸回填土虚铺厚度35 cm，采用22 t凸块碾静压2 遍，振动碾压6 遍，未出现弹簧土现象，随机选取测点检测压实度为97.9%，含水率为13.2%。下游坝基采用22 t 凸块碾静压2 遍，振动碾压6 遍，随机选取测点进行检测，左侧未经过砂井处理区域压实度为95.7%，且有弹簧土现象，含水率为16.9%；左侧经过砂井处理区域压实度为95.8%，未出现弹簧土现象，含水率为13.8%；右侧经过砂井处理区域压实度为96.3%，未出现弹簧土现象，含水率为15%。

4.3.2 结果分析

上游原状坝基土以及回填虚铺35 cm 后进行碾压，压实度均能满足设计要求，且碾压面不会出现弹簧土现象，同时，也能够达到最优含水率。下游左侧未经过砂井处理区域压实度能满足设计要求，但含水率偏高，且有弹簧土现象；下游左、右侧经过砂井处理区域压实度能满足设计要求，碾压面也未出现弹簧土现象，左侧含水率达到最优含水率，右侧含水率虽未达到最优含水率，但比未经过砂井处理区域含水率偏低，排水效果较为明显。同时，根据土工试验结果进行了大坝坝基渗流计算和稳定计算。经多种工况试算，上游坝基渗透破坏满足稳定要求，下游坝基通过砂井处理后也能够满足渗透稳定要求。

5 结论

由试验结果可知，除坝基砂井固结排水方案外，换基1 m 一次性填筑和分三层填筑两种方案均不能达到设计要求。这是由于坝基砂井固结排水处理一方面可以加密地基，另一方面是通过砂井形成一个柱状排水体，为低透水性软土提供一个排水通道，排出地下水，从而加快地基固结和土层挤密，以提高其承载力和抗剪强度。因此通过三种坝基排水处理方案的对比试验分析，在南河水库坝基排水处理方案中选择砂井固结排水方案。