劉瑞杰

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

山西省目前有水庫790座，其中近九成為小型水庫。這些水庫大都建于上世紀(jì)五六十年代，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出小型水庫30到40年的常規(guī)使用壽命，壩體多為土壩，受當(dāng)時施工技術(shù)水平和施工機械的限制，壩體填筑質(zhì)量較差，大部分水庫淤積嚴(yán)重，防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，急需進(jìn)行改造或除險加固。本文主要是針對西梁水庫改造過程中舊壩體土均勻性差、干密度偏小、局部存在濕陷性的問題進(jìn)行分析研究，并提出合理的處理方案。

1 水庫基本概況

西梁水庫位于黃河流域汾河水系澮河北支上，在翼城縣的寨子村西，該水庫修建于20世紀(jì)60年代，設(shè)計灌溉面積667hm2，有效灌溉面積573hm2。現(xiàn)作為山西大水網(wǎng)禹門口提水東擴（一期）工程的調(diào)蓄水庫，改造后的水庫由大壩、溢洪道、輸水涵洞組成，總庫容377萬m3，是一座以防洪、供水、灌溉為主的?。?）型水庫。

2 水庫存在主要問題

（1）水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（2）壩體土均勻性差、干密度偏小、局部存在濕陷性。

（3）舊壩體壩坡存在穩(wěn)定問題。

3 處理方案設(shè)計

3.1 壩體地勘情況

為了較全面地探明西梁水庫壩體填土的物理力學(xué)指標(biāo)，沿壩體上布置1個縱向、4個橫向地質(zhì)剖面，共布置鉆孔4眼、探井6眼，探井深度30～41 m；鉆孔深度7.3～13.5 m，對壩體填土進(jìn)行取樣試驗。主要試驗結(jié)果如下：壩體填土為低液限黏土，均勻性差。含水率平均值15.6%；干密度1.29～1.71 g/cm3，平均值1.53 g/cm3；孔隙比平均值0.783；垂直滲透系數(shù)平均值1.22×10-5cm/s； 水平滲透系數(shù)平均值1.26×10-5cm/s。內(nèi)摩擦角（φ）平均值17.2°，粘聚力（c） 平均值18.1kPa，有效內(nèi)摩擦角（ φ′）平均值21.2°，有效粘聚力（c′）平均值15.4 kPa。壩體填土屬中～高壓縮性土；壩體土均勻性差，壩體經(jīng)過幾十年的沉降，干密度變幅仍較大，平均值只有1.53 g/cm3；從滲透系數(shù)指標(biāo)分析，填土差異性大；在探井深4 m處仍有濕陷，干密度1.42 g/cm3，表層土體質(zhì)量較差，該土壩不適宜直接加壩，建議對土壩進(jìn)行處理，重新取土填筑或采用換基、擠密等方法。

3.2 壩體穩(wěn)定情況

對原壩坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)合計算，計算選用最大壩高斷面，計算工況為死水位、正常蓄水位和設(shè)計洪水位，計算方法采用簡化畢肖普法。計算結(jié)果見表1。

表1 原壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

計算結(jié)果顯示原土壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，壩坡存在穩(wěn)定問題。

3.2 形成原因分析

根據(jù)調(diào)查了解，大壩施工時沒有嚴(yán)格按技術(shù)要求填筑、夯實，施工時未挖除河槽表層覆土，壩體與壩基、岸坡連接處未做結(jié)合槽，只將兩側(cè)岸坡削成斜坡。壩體填筑土料由河槽兩岸就近拉運，土料未進(jìn)行勘察試驗，不滿足上壩土料質(zhì)量要求。填筑方式以分層人工夯打為主，厚度一般為35～40 cm。抽樣檢查，只要厚度達(dá)到要求即可，若局部有問題，再用人工夯打。壩體施工各村輪流作業(yè)，沒有統(tǒng)一安排，無法保證作業(yè)面連續(xù)、均衡?；谔钪亮虾褪┕すに嚨仍蛟斐蓧误w填土均勻性差、干密度偏小、局部存在濕陷性，進(jìn)而造成壩坡穩(wěn)定存在問題。

3.3 處理方案比選

針對壩體存在的問題，提出先對原有壩體進(jìn)行處理，再進(jìn)行加高改造的方案。結(jié)合目前比較常用、成熟的處理方法，提出如下幾種處理方案：（1）大開挖換土法；（2）強夯法；（3）預(yù)浸水法；（4）素土擠密法。

（1）大開挖換土法

將原有壩體填土全部挖除，換填符合要求的填土料，然后按照碾壓土石壩回填要求，逐層回填至壩頂。該方案的優(yōu)點：施工工序較簡單，施工方法成熟，施工質(zhì)量易控制，處理效果好。缺點：如同新建一座大壩，開挖、碾壓回填工程量大（開挖量約4萬m3，碾壓回填約4萬m3），工程投資大，同時需要較大的棄土場地。

（2）強夯法

先將原壩體根據(jù)施工要求開挖成工作平臺，在平臺上進(jìn)行強夯作業(yè)。該方案的優(yōu)點：施工工序較簡單，施工方法成熟，施工質(zhì)量易控制，有效處理深度3～12m滿足本工程的要求，處理速度快，處理效果較好；缺點：施工作業(yè)點距離寨子村直線距離只有60 m左右，施工對周圍村莊房屋等建筑物影響大，需要采取必要的保護措施，施工干擾較大。

（3）預(yù)浸水法

預(yù)浸水法是對壩體進(jìn)行大面積浸水，使土體在飽和自重應(yīng)力作用下，發(fā)生濕陷產(chǎn)生壓密效果，消除黃土層的自重濕陷性和深部土層的外荷濕陷性。該方法一般適用于濕陷性黃土厚度大、濕陷性強烈的自重濕陷性黃土場地。浸水時場地周圍地表下沉開裂，并容易造成“跑水”穿洞，影響建筑物的安全，所以空曠的新建地區(qū)較為適用。該方法施工工序簡單、投資省、但處理時間較長，對工期影響較大，同時該壩段施工時場地狹小，而且受壩體斷面形狀影響，合理布置浸水滲坑位置難度較大，處理效果還有待考證，所以該方案在處理時有好多局限性，實施難度大。

（4）素土擠密法

根據(jù)施工機械寬度以及工作半徑將壩體開挖成幾個工作平臺，在平臺上進(jìn)行施工作業(yè)，利用機械打樁成孔橫向擠壓加密土層，改善土體物理力學(xué)性能，使樁周一定范圍內(nèi)土層受到擠壓，擾動和重塑，使樁周土孔隙比減小，土中氣體溢出，從而增加土體密實程度，降低土的壓縮性，提高土體承載能力，達(dá)到處理土體均勻性差、干密度偏小以及局部存在濕陷性的問題。該方案優(yōu)點：有效處理深度5～15 m滿足本工程的要求，施工工序較簡單，施工方法成熟且受外界干擾小，質(zhì)量容易控制，工程費用適中，處理效果有保證。缺點：要達(dá)到理想的處理效果，施工前要進(jìn)行嚴(yán)格的成孔試驗確定參數(shù)后方能施工。

綜上所述從方案的可行性、適用性、經(jīng)濟性、施工難易程度、處理效果等方面進(jìn)行分析，確定素土擠密樁方案為處理方案。

3.4 方案設(shè)計

3.4.1 擠密樁處理范圍及施工平臺布置

西梁水庫最大壩高25m，壩頂寬4m，壩頂長190 m，上游壩坡1∶3，下游壩坡1∶2.5。根據(jù)壩體長度、橫斷面形狀結(jié)合施工機械寬度、工作半徑，確定素土擠密樁處理范圍為大壩樁號0-029.8～0+172，全長201.8 m，平面呈梭型。在壩橫斷面方向開挖布置6個施工平臺，分別為壩體上游布置3個平臺，平臺高度依次為547.5 m，549.1 m，550 m；寬度依次為5.5 m，5.0 m，5.0 m。壩體頂部布置1個平臺，寬度19m，高程550.9m。壩體下游布置2個平臺，平臺高度依次為549.3m，546.5m；寬度依次為5.0 m，6.5 m。具體布置詳見圖1、圖2。

圖1 素土擠密樁平臺平面布置圖

圖2 素土擠密樁平臺剖面

3.4.2 擠密樁設(shè)計

擠密樁呈梅花形布置，排距1.0 m，樁孔間距1.2 m，樁底高程541.50 m，頂高程550.90 m，樁長5～9.4 m，樁徑0.4 m。擠密樁填筑材料與筑壩土料相同，要求填土有機質(zhì)含量不超過5%，同時不得含有雜土、磚瓦和石塊，凍土塊等，土料粒徑不宜大于50 mm。

擠密樁設(shè)計要求：樁體平均壓實度不小于0.97，樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93；最小擠密系數(shù)不小于0.88（樁體平均壓實度=樁體土平均干密度/樁體土最大干密度；樁間土平均擠密系數(shù)=樁間土平均干密度/樁間土最大干密度）。

3.5 設(shè)計優(yōu)化

擠密樁施工前，在壩體上進(jìn)行成孔擠密試驗，縱向、橫向各布7根樁，成樁后對樁體和樁間土擠密系數(shù)進(jìn)行檢驗。試驗結(jié)果顯示：樁體平均壓實度大于0.97，滿足設(shè)計要求；樁間土平均擠密系數(shù)小于0.93，不滿足設(shè)計要求。

設(shè)計單位在對壩體原有填土和料場土料物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，并采納聽取施工單位的合理建議，同時根據(jù)現(xiàn)場清表、開挖情況和施工機具實際寬度及運行回轉(zhuǎn)半徑要求對原有方案進(jìn)行優(yōu)化如下：減少樁號0-004～0-029.8和0+147.4～0+172.0兩段擠密樁；樁號0-004～0+147.4之間平臺標(biāo)高調(diào)整為547.5 m,樁長統(tǒng)一為6 m；擠密樁布置形式不變，排距由1.0 m調(diào)整為0.87 m，樁孔間距由1.2 m調(diào)整1.0 m，其余不變。樁孔布置見圖3。

圖3 樁孔布置圖

4 施工工藝簡述

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖4。

圖4 施工工藝流程圖

4.2 施工方法

1）打樁原則

由內(nèi)向外，隔行跳打，分四序進(jìn)行施工。打樁順序見圖5。

2）主要施工順序

測量放樣：確定平面位置，逐個確定每個樁的位置并編號。

樁機就位：樁機就位，調(diào)平樁機，設(shè)置定位點，保證樁機中心垂直對準(zhǔn)樁位。

圖5 打樁順序圖

成孔：采用D18重錘式打樁機成孔，沖擊法成孔擠密。

樁孔夯填：采用重力式夯填機（錘重0.4 t）夯填，夯擊次數(shù)不小于8次。均勻向孔內(nèi)填進(jìn)，每次填料高度在30 cm，錘擊數(shù)不少于6次，直至距孔口20 cm為止。

取樣檢驗：對實際填料數(shù)量、填入次數(shù)、夯擊次數(shù)做詳細(xì)的記錄。完成后及時取樣試驗，合格后進(jìn)行下一樁孔的施工。

5 結(jié)果分析

5.1 擠密樁處理結(jié)果分析

擠密樁施工完畢后經(jīng)過施工單位自檢合格后，由第三方進(jìn)行復(fù)測，復(fù)測方法及結(jié)果如下：土工試驗采用探井及室內(nèi)試驗，共挖探井63個，井深6 m，每個探井每米在樁體和樁間個取土樣1件，做密度和含水量以及壓實度試驗。詳細(xì)結(jié)果見表2及表3。

表2 各探井樁間土擠密系數(shù)平均值、樁體壓實度平均值成果表

表3 壓實度、含水量干密度成果表

通過上表分析各探井樁間土平均擠密系數(shù)介于0.79～0.99，平均0.93，分析各探井樁體平均擠密系數(shù)介于0.8～1.0，平均0.97。樁體土的密實效果較好，壓實度介于91.8%～97.7%，平均97.3%，滿足設(shè)計要求。

5.2 壩體穩(wěn)定分析結(jié)果

對原有壩體進(jìn)行擠密處理并加高后進(jìn)行壩坡抗滑穩(wěn)定計算，計算選用最大壩高斷面，計算工況為死水位、正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核水位和正常水位+地震5種工況分別計算，計算方法采用簡化畢肖普法。計算結(jié)果見表4：

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定計算成果表

通過計算可知通過擠密處理并加高的壩體各工況壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說明壩體經(jīng)過擠密處理并加高后是安全穩(wěn)定的。

6 結(jié)論

西梁水庫壩體通過素土擠密處理后，很好地解決了壩體土均勻性差、干密度偏小、局部存在濕陷性的問題，保證了壩體的填筑質(zhì)量，節(jié)約了工程投資。壩體土從擠密系數(shù)、壓實度、干密度以及壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)等指標(biāo)都滿足設(shè)計和現(xiàn)行規(guī)范要求。目前，西梁水庫已通過蓄水安全鑒定和下閘蓄水驗收，低水位蓄水試運行2年，水庫經(jīng)受了2個汛期的考驗，水庫大壩安全穩(wěn)定。素土擠密法是一種常用的、成熟的方法，但在處理壩體填土均勻性差、干密度偏小、局部存在濕陷性方面，目前在我省水庫壩體加固中尚屬首次應(yīng)用。施工過程中，施工單位和設(shè)計單位密切配合，根據(jù)現(xiàn)場情況及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計方案，達(dá)到了預(yù)期處理效果同時積累了一定的工程經(jīng)驗，為今后類似工程提供了借鑒。