張麗芬 譚乃元

(麗江市水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院 云南麗江 674100)

1 前言

羊坪水庫位于云南省麗江市永勝縣境內(nèi),總庫容為3799萬m3,于1957年動(dòng)工興建,1976年完工。大壩施工期長達(dá)19年。上壩土料在高程2528～2530m以下為亞粘土,碾壓質(zhì)量尚可。以上致壩頂以亞粘土為主,兼有大量風(fēng)化料上壩,碾壓質(zhì)量差。

該水庫1997年作病險(xiǎn)鑒定,2003年除險(xiǎn)加固完畢。原狀壩坡上游平均坡比1∶2.9,下游平均坡比1∶2.63。工程地處高烈度地震區(qū) (地震設(shè)防烈度為9°)。原設(shè)計(jì)未作抗震設(shè)防,導(dǎo)致已建壩坡過陡。根據(jù)大壩原狀土試驗(yàn)資料作原壩體穩(wěn)定復(fù)核,得知上下游壩坡均不滿足抗震設(shè)防要求。需對壩體作抗震加固設(shè)計(jì)。因地形條件限制,經(jīng)多方案比較,可行性研究及初步設(shè)計(jì)階段,上級(jí)有關(guān)部門批文:“壩軸線不移動(dòng),上游振沖加固,下游培厚放緩壩坡”為羊坪水庫大壩除險(xiǎn)加固方案。技施設(shè)計(jì)階段經(jīng)進(jìn)一步的方案比較,認(rèn)為利用振沖技術(shù)加固上游壩腳長達(dá)40年的淤積層,再培厚壩坡是增加該工程上游壩坡抗滑穩(wěn)定性的最佳辦法,并報(bào)上級(jí)有關(guān)部門批準(zhǔn)。該方案實(shí)施后,經(jīng)過近五年的運(yùn)行,效果良好。庫盆淤積層中振沖置換用于水庫大壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)在云南省是首家。本文僅就上游振沖加固設(shè)計(jì)作介紹。

2 地質(zhì)概況

壩址海拔高程2520m,大壩為均質(zhì)土壩,壩頂總長167m,寬7m,壩前水庫淤積層厚約13m。壩址區(qū)出露的地層主要為三迭系上統(tǒng)玄武巖中段(P2β2)致密狀、氣化狀、杏仁狀、角閃狀玄武巖。河床及兩岸分布有第四系沖積、坡積層。玄武巖層面產(chǎn)狀290～320∠50°～70°。由于受中羊坪斷裂 (F3)的影響,巖石破壞及風(fēng)化程度更高。由于巖石礦物成份的不均一和熱液影響程度的不同,巖石出現(xiàn)明顯的差異性風(fēng)化,其中角閃玄武巖風(fēng)化程度最高。壩基砂礫石層厚約0.5～4m,砂礫層以下是全風(fēng)化玄武巖厚1～6m。壩基為透水地基,除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)已考慮作圍幕灌漿處理。

水庫運(yùn)行近40年,庫前淤積高程已達(dá)2533m,淤積層厚約13m。在可研和初設(shè)階段,對庫區(qū)泥沙淤積層雖作了研究,但只掌握了泥沙的淤積厚度及淤積形態(tài),而且由于當(dāng)時(shí)庫水位較高,沒有對泥沙進(jìn)行取樣試驗(yàn)。技施設(shè)計(jì)階段,利用水庫新建輸水隧洞施工、水庫完全泄空的條件下在壩前左、右岸的淤積層中進(jìn)行了取樣試驗(yàn)。本次一共取了6組原狀土樣,經(jīng)試驗(yàn)其物理力學(xué)性指標(biāo)算術(shù)平均值為:干容重1.04t/m3,濕容重1.7t/m3,內(nèi)摩擦角9.62°,凝聚力1.18t/m2；小值平均值為:干容重0.96t/m3,濕容重1.64t/m3,內(nèi)摩擦角8.69°,凝聚力10.99t/m2。根據(jù)試驗(yàn)資料淤積層為褐紅色高液限重粘土,其粉粒和粘粒含量分別為47.32%和55.7%,天然含水量W=64.19%,液限WL=51.65%、塑限 WP=25.67%,塑性指數(shù) IP=25.98、液性指數(shù)IL=1.48,表層呈流塑狀。雖然土樣取樣深度只為0.5～0.8m,但因泥沙成因、顆粒組成、沉積環(huán)境、沉積條件都相似。且隨著沉積時(shí)間的長短,泥沙固結(jié)程度也不相同,下層土的固結(jié)度要比上層土好,其物理力學(xué)指標(biāo)也應(yīng)高于上層土的物理力學(xué)指標(biāo)。試驗(yàn)土樣主要取自上層土,設(shè)計(jì)中取用算術(shù)平均值是偏安全的。

3 振沖加固設(shè)計(jì)機(jī)理

3.1 振沖法加固軟土的作用機(jī)理

振沖加固軟性土?xí)r的作用機(jī)理主要指復(fù)合地基(土體)作用,即通常講的復(fù)合地基的作用機(jī)理。

3.1.1 碎石樁在復(fù)合地基中的工程特性

所謂振沖置換就是利用振沖器在軟弱的粘性土地基 (土體)中成孔,再在孔內(nèi)分批填入碎石或堅(jiān)硬的材料制成一根根樁體。這些樁體與原來的粘性土組成一個(gè)整體,共同承受外部荷載,這就是所謂的復(fù)合地基。復(fù)合地基比原來地基承載能力高,壓縮性小。習(xí)慣上稱這種加固技術(shù)為振沖置換法或碎石樁法。

很顯然,復(fù)合地基中,由振沖器制成的樁體的物理力學(xué)性能直接關(guān)系到復(fù)合地基的物理力學(xué)性能。因此,探討復(fù)合地基中樁體的工程特性是研究復(fù)合地基工程特性的關(guān)鍵所在,在復(fù)合地基中樁體的主要工程特性如下。

視樁體為柔軟體,這種情況是指被加固地基軟土層很厚,樁體打不到相對硬層,這時(shí)復(fù)合地基(土層)與相對硬層不直接接觸。此時(shí),樁土變形基本相容。復(fù)合地基實(shí)質(zhì)上主要起著墊層的作用。墊層能將荷載引起的應(yīng)力向周圍橫向擴(kuò)散,使應(yīng)力分布趨于均勻,從而可提高地基整體承載力,減少沉降量。

視樁體類似剛性體。這種情況是指被加固地基軟土層不很厚,使復(fù)合土層與其下臥層相接觸,此時(shí),復(fù)合土層的樁體可將荷載通過樁體直接傳至下臥層。樁體的效應(yīng)較前種明顯增大。

在復(fù)合地基中的碎石樁之所以能成為樁體,完全是靠四周土體擠壓,嚴(yán)格地講,碎石樁是被嵌入土中的,因此,它在受力過程中必須與四周土體共同作用。故碎石樁就其本質(zhì)而言它是地基的一部分。

碎石樁在受力過程中可以適應(yīng)較大的變形,與剛度很大的鋼筋混凝土相比,它是一種 “柔性樁”。

碎石樁是嵌固在土體中的散粒體樁,當(dāng)碎石樁頂部承受荷載后,樁體就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向膨脹。而樁四周土體會(huì)阻止碎石樁的側(cè)向膨脹。因此,碎石樁的承載力受四周土體的制約。

復(fù)合地其中樁體是由碎石、礦楂、礫石以及中粗砂等硬骨料制成。因此,在復(fù)合地基中由散粒體形式的樁體一般都具有較好的透水性。

3.1.2 振沖碎石樁法在壩體抗滑穩(wěn)定中的作用機(jī)理

通過對羊坪水庫現(xiàn)有壩體原狀土試驗(yàn)成果作整理,原壩土力學(xué)指標(biāo)的小值平均值為φ=24°,C=24kPa；物理性指標(biāo)的平均值r濕=1.82t/m3,r飽=1.85t/m3。壩前淤積層物理力學(xué)性指標(biāo)算術(shù)平均值為:干容重1.04t/m3,濕容重1.7t/m3,內(nèi)摩擦角9.62°,凝聚力1.18t/m2。采用此指標(biāo)并考慮上游淤積層的有利影響,對原壩體作穩(wěn)定復(fù)核得知:當(dāng)正常水位遇9°烈度地震；三分之一壩高水位遇9°烈度地震；驟降水位遇9°烈度地震。三種工況下,上游壩坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范要求,壩坡有滑動(dòng)的危險(xiǎn)。

原壩土物理力學(xué)性質(zhì)一般,粘粒含量高,滲透性能差,含水量高,承載能力較低,壩坡較陡,必將在遇地震時(shí)引起壩坡滑動(dòng)。另外,當(dāng)庫水位驟降時(shí),外部水壓力消失,而內(nèi)部滲透水壓力并未降低,內(nèi)外荷載失去平衡,最易導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)。

羊坪水庫可研、初設(shè)階段采用振沖碎石樁,不但以強(qiáng)度較高的碎石體置換了部分強(qiáng)度較低的土體,樁土共同作用構(gòu)成復(fù)合土體,使物理力學(xué)指標(biāo)有所提高,同時(shí),碎石樁群的強(qiáng)透水性還可以較快有效地降低因庫水位驟降產(chǎn)生的附加孔隙水壓力,降低導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)的滑動(dòng)力,從而達(dá)到穩(wěn)定壩體的目的。羊坪水庫技設(shè)階段采用振沖碎石樁,主要是以強(qiáng)度較高的碎石體置換了部分強(qiáng)度較低的土體,樁土共同作用構(gòu)成復(fù)合土體,形成復(fù)合基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上培厚壩坡,不僅增加阻滑力,穩(wěn)固壩坡,還為培厚壩坡穩(wěn)固了基礎(chǔ),從而徹底消除壩坡不穩(wěn)的隱患。

3.1.3 振沖碎石樁法在羊坪水庫上游壩坡抗滑穩(wěn)定中的作用

羊坪水庫初設(shè)階段,振沖的主要作用是置換土體和降低附加孔隙水壓力。羊坪水庫技設(shè)階段,振沖的主要作用是加固基礎(chǔ)和置換土體。

4 羊坪水庫振沖加固設(shè)計(jì)方法

4.1 初步設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)方法

羊坪水庫初設(shè)階段,上游庫水位較高,上游淤積層無法取樣試驗(yàn),淤積情況不明。設(shè)計(jì)的最可靠方案就是上游壩坡振沖置換法。該方案雖然最后沒有取用,但經(jīng)過可行性研究設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)兩個(gè)階段的多次反復(fù)試算,通過了省水利廳專家組的評(píng)審,積累了一定經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出來和同行探討。

4.1.1 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)大壩原壩體穩(wěn)定分析成果,找出各種計(jì)算工況下最危險(xiǎn)滑弧位置,滑弧底部大約三分之二的區(qū)域定為振沖區(qū)前后的范圍,反復(fù)調(diào)整計(jì)算,找出抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)不滿足要求的部位,據(jù)此按一定的坡度定出振沖邊界,從而得出壩坡最大斷面的振沖區(qū)范圍。

對不同的壩高斷面作原壩體穩(wěn)定分析,得知,當(dāng)壩底高程為2548.00m時(shí),原壩斷面已滿足穩(wěn)定要求。壩底高程為 2550.00m以上的斷面無需振沖,據(jù)此定出平面上壩的振沖范圍。

振沖碎石樁按正三角型布孔,樁徑1.15m,面積置換率 40%。初定樁距為 1.79m,排距為1.5m。準(zhǔn)確樁間距由振沖試驗(yàn)最后確定。

4.1.2 振沖加固設(shè)計(jì)計(jì)算

穩(wěn)定分析采用圓弧分析計(jì)算。在圓弧分析法中,假設(shè)滑動(dòng)面呈圓弧形。在圓弧滑動(dòng)面上,總剪切力記為T,總抗前切力記為S,則沿該圓弧滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)破壞的安全系數(shù)為K=S/T。

取不同的圓弧滑動(dòng)面,可得到不同的安全系數(shù)值,通過試算可以找到最危險(xiǎn)的圓弧滑動(dòng)面,并以此確定最小安全系數(shù)值。

在圓弧分析法計(jì)算中,假設(shè)的圓弧滑動(dòng)面往往經(jīng)過加固區(qū)和未加固區(qū)。土體的強(qiáng)度分區(qū)計(jì)算,加固區(qū)和未加固區(qū)采用不同的強(qiáng)度指標(biāo)。加固區(qū)土體強(qiáng)度指標(biāo)采用復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)。

復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)采用面積比法計(jì)算。復(fù)合土體粘聚力Csp和內(nèi)摩擦角Фsp用下列二式表示。

式中:Cs、Cp分別為樁間土和樁體的粘聚力；m為碎石樁置換率；ФS、ФP分別為樁間土和樁體的內(nèi)摩擦角。

設(shè)計(jì)選用75kW振沖器,成樁直徑取1.15m,樁體碎石填料用新鮮玄武巖加工。

(1)樁距、排距

m=As/A ； A=I1/I2； m=40%

計(jì)算求得I1=1.73m； I2=1.5m

式中 ,A為一根碎石樁負(fù)擔(dān)的面積,As為一根碎石樁面積,I1為樁距,I2為排距。

(2)振沖區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)

振沖前原壩土干容重r干 =1.29t/m3,濕容重r濕=1.82t/m3,玄武巖填料r干 =2.0t/m3,濕容重r濕=2.15t/m3。

經(jīng)計(jì)算振沖復(fù)合土體rsp干 =1.57t/m3,rsp濕=1.95t/m3。

振沖前原壩土 Фs=24°,Cs=29.4kPa；碎石填料 Фp=38°,Cp值按無凝聚力材料考慮。

計(jì)算得復(fù)合土體的力學(xué)指標(biāo)為 Фsp=30.09°,Csp=17.64kPa。

4.1.3 振沖填料要求

振沖樁體材料需用新鮮玄武巖石料,粒徑2～10cm,要求級(jí)配良好,不宜用單級(jí)配材料。

4.1.4 振沖效果分析

從設(shè)計(jì)成果比較,振沖后,復(fù)合土體的物理性指標(biāo)較原來增加28.8%,凝聚力C值較原來減少40%。

相同情況下,壩體最小穩(wěn)定安全系數(shù)較原來增加17.5%至25%。振沖后的壩體最小穩(wěn)定安全系數(shù)已能滿足規(guī)范要求。

4.2 技施設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)方法

技施設(shè)計(jì)階段,利用水庫新建輸水隧洞施工、水庫完全泄空的枯水期在壩前左、右岸的淤積層中進(jìn)行了取樣試驗(yàn)。經(jīng)分析、計(jì)算、比較,認(rèn)為利用振沖技術(shù)加固上游壩腳長達(dá)40年的淤積層,再培厚壩坡是增加該工程上游壩坡抗滑穩(wěn)定性的最佳辦法。該方案還得到了云南省有關(guān)部門的批準(zhǔn)。

4.2.1 結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)大壩原壩體穩(wěn)定分析成果,找出各種計(jì)算工況下最危險(xiǎn)滑弧位置,滑弧底部壩腳區(qū)域定為振沖區(qū)前后的范圍,按不同的振沖置換率及其他振沖置換參數(shù)、不同的置換區(qū)域反復(fù)調(diào)整計(jì)算,找出抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)不滿足要求的部位,據(jù)此定出振沖邊界,從而初步得出壩腳於積層最大斷面的振沖區(qū)范圍。

在此基礎(chǔ)上再培厚壩坡,進(jìn)一步作壩體穩(wěn)定分析,以確定培厚壩坡的坡度并校核振沖復(fù)合土體的承載力,調(diào)整確定壩腳於積層最大斷面的振沖區(qū)范圍。振沖復(fù)合土體作上壩腳基礎(chǔ),不僅增加阻滑力,穩(wěn)固壩坡,還為培厚壩坡穩(wěn)固了基礎(chǔ)。

對不同的壩高斷面作原壩體穩(wěn)定分析,得知,當(dāng)壩底高程為2548.00m時(shí),原壩斷面已滿足穩(wěn)定要求。壩底高程為2550.00m以上的斷面無需加固,不必振沖,據(jù)此定出平面上壩的振沖范圍。

振沖碎石樁按正三角型布孔,樁徑1.15m,面積置換率 27.96%。初定樁距為 1.8m,排距為1.56m。準(zhǔn)確樁間距由振沖試驗(yàn)最后確定。

4.2.2 振沖加固設(shè)計(jì)計(jì)算

穩(wěn)定分析采用圓弧分析計(jì)算。在圓弧分析法中,假設(shè)滑動(dòng)面呈圓弧形。在圓弧滑動(dòng)面上,總剪切力記為T,總抗前切力記為S,則沿該圓弧滑動(dòng)面發(fā)生滑動(dòng)破壞的安全系數(shù)為K=S/T。

取不同的圓弧滑動(dòng)面,可得到不同的安全系數(shù)值,通過試算可以找到最危險(xiǎn)的圓弧滑動(dòng)面,并以此確定最小安全系數(shù)值。

在圓弧分析法計(jì)算中,假設(shè)的圓弧滑動(dòng)面往往經(jīng)過加固區(qū)和未加固區(qū)。土體的強(qiáng)度分區(qū)計(jì)算,加固區(qū)和未加固區(qū)采用不同的強(qiáng)度指標(biāo)。加固區(qū)土體強(qiáng)度指標(biāo)采用復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)。

復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)采用面積比法計(jì)算。復(fù)合土體粘聚力Csp和內(nèi)摩擦角Фsp用下列二式表示。式中:Cs、Cp分別為樁間土和樁體的粘聚力；m為碎石樁置換率；ФS、ФP分別為樁間土和樁體的內(nèi)摩擦角 。

設(shè)計(jì)選用75kW振沖器,成樁直徑取1m,樁體碎石填料用新鮮玄武巖加工。

(1)樁距、排距。計(jì)算求得I1=1.8m； I2=1.56m

式中,A為一根碎石樁負(fù)擔(dān)的面積,As為一根碎石樁面積,I1為樁距,I2為排距 。

(2)振沖區(qū)物理力學(xué)指標(biāo)。

振沖前原淤泥濕容重r濕=1.64t/m3,飽和容重 r飽 =1.55t/m3,玄武巖填料r干 =2.0t/m3,濕容重r濕 =2.15t/m3。

經(jīng)計(jì)算振沖復(fù)合土體rsp濕 =1.77t/m3,rsp飽 =1.70t/m3。

振沖前原淤泥 Фs=9.62°,Cs=11.8kPa；碎石填料Фp=38°,Cp值按無凝聚力材料考慮。

計(jì)算得復(fù)合土體的力學(xué)指標(biāo)為 Фsp=18.8°,Csp=8.5kPa。

4.2.3 振沖填料要求

振沖樁體材料需用新鮮玄武巖石料,粒徑2～10cm,要求級(jí)配良好,不宜用單級(jí)配材料。

4.2.4 振沖效果分析

從設(shè)計(jì)成果比較,振沖后,復(fù)合土體的物理性指標(biāo)較原來增加8%～10%,內(nèi)摩擦角增加95.43%,凝聚力C值較原來減少27.97%。

相同情況下,壩體最小穩(wěn)定安全系數(shù)較原來增加17.5%至25%。振沖后的壩體最小穩(wěn)定安全系數(shù)已能滿足規(guī)范要求。

羊坪水庫2003年投入使用,運(yùn)行六年的檢驗(yàn),證明用振沖法加固上游壩腳淤積層,穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

應(yīng)用振沖法加固土壩及壩腳淤積層具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)施工簡單,效果顯著。

(2)振沖法施工機(jī)具十分簡單,維修方便,易于操作,這就為大量采用該法提供了極好的條件。經(jīng)振沖加固的土石壩具有較好的安全性。

(3)振沖填料一般可就地取材。在進(jìn)行了各種加固方法比較后發(fā)現(xiàn),振沖法加固的費(fèi)用是較低的。

運(yùn)行多年的病險(xiǎn)水庫,淤積層較厚,上游壩腳需要加固時(shí),使用振沖加固法是方便有效的方法,此法在云南省永勝縣羊坪水庫除險(xiǎn)加固工程中已得到成功運(yùn)用。