賈豐收

(中電建生態(tài)環(huán)境集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518102)

土石壩阻滲整固治理，對(duì)于水庫(kù)安全標(biāo)準(zhǔn)成建和未來(lái)運(yùn)行期安全運(yùn)營(yíng)，有著舉足輕重的技術(shù)重要性。本研究以位處高原的某水庫(kù)為參照案例，梳理闡述沖振礫石樁、壩基及其蓋覆層阻滲治理技術(shù)在高原土石壩整固阻滲治理中的技術(shù)適用性，并以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程有限元模擬計(jì)算驗(yàn)證了該技術(shù)的適用和有效性。

1 工程概況

案例水庫(kù)是以供水和灌溉為主，兼顧生態(tài)服務(wù)的Ⅳ等小型高原水利工程，總蓄容量921.39萬(wàn) m3，設(shè)計(jì)常規(guī)蓄容量872.33萬(wàn) m3。砼瀝青心墻堆石壩最大高程4 170.90 m，頂壩寬度8 m。

壩基礎(chǔ)層以沖積卵礫碎石層為主，內(nèi)富含淤質(zhì)細(xì)粉砂，不同深度亦存在大量棱體粗礫砂，含礫中粗砂、淤質(zhì)細(xì)粉砂性狀相對(duì)較差，力學(xué)功效差異比較大，土層均勻性嚴(yán)重不足，作為壩基礎(chǔ)承力層，存在載承力不足、砂土液化、瀝青心墻易拉裂、基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定不足等地質(zhì)基礎(chǔ)問(wèn)題，須對(duì)弱軟基礎(chǔ)給予必要的整固治理。

花崗石料壩殼，內(nèi)置砼瀝青心墻，心墻中線位處壩體軸線上游2.0 m區(qū)域，配置礫砂石過(guò)渡層于心墻的兩側(cè)；以砼底座接連砼瀝青心墻與阻滲墻，基礎(chǔ)巖面以下壩身采取注灌漿帷幕阻滲處理。

2 壩基礎(chǔ)阻滲整固技術(shù)措施

2.1 沖振礫石樁整固地基治理

上下游壩腳區(qū)域和心墻軸線上下游約4～10 m區(qū)域，實(shí)施沖振礫石樁治理。在3.0～21.7 m間調(diào)整確定樁長(zhǎng)，具體打入深度，按較比砂層區(qū)域地基的底板高度低1.0 m給予確定。采取梅花樁型配置沖振礫石樁，樁徑均采取1.0 m標(biāo)準(zhǔn)。

沖振礫石樁技術(shù)參數(shù)主要以大重動(dòng)力探觸跟蹤測(cè)量樁體密度給予表征，工程中須對(duì)治理后的混合基礎(chǔ)給予跟蹤測(cè)量，樁身密實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為重力探觸7～10擊平均入貫10 cm，未達(dá)成該標(biāo)準(zhǔn)的，則視為不密實(shí)樁體。治理后應(yīng)達(dá)的地基標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)具體見表1所示。

表1 治理后的地基標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

2.2 壩基阻滲治理

2.2.1 控制阻滲標(biāo)準(zhǔn)

基巖阻滲控制指標(biāo)多選擇透水率，壩基礎(chǔ)阻滲控制標(biāo)準(zhǔn)多取透滲比降和滲漏量。案例水庫(kù)壩基礎(chǔ)滲漏量設(shè)計(jì)選用的控制標(biāo)準(zhǔn)為不高出多年均徑流量的1%，案例壩址多年均流量在1.03 m3/s。

2.2.2 阻滲技術(shù)

壩址區(qū)暴露層多為強(qiáng)透水沖積礫卵碎石，透滲常數(shù)為i×10-1cm/s。礫卵碎石層，厚度大，透滲性強(qiáng)，級(jí)配不連續(xù)，作為壩基礎(chǔ)層，須注意解決防范基礎(chǔ)滲漏問(wèn)題。為降低壩基礎(chǔ)滲漏和避免產(chǎn)生透滲破壞，設(shè)計(jì)壩基礎(chǔ)蓋覆層選用砼阻滲墻，基巖選用注灌漿帷幕的阻滲技術(shù)。

2.3 壩基礎(chǔ)蓋覆層阻滲治理

2.3.1 配置阻滲墻與墻身嵌巖深度

阻滲墻上部借助砼基座接連砼瀝青心墻，為防止因觸接不緊密而導(dǎo)致集中滲漏，阻滲墻墻腳須一定程度嵌入基巖。本工程墻身預(yù)埋深度選擇1m，即最大阻滲墻深度取49 m，對(duì)于局域強(qiáng)風(fēng)化基巖阻滲墻的嵌入深度，實(shí)際施工中，還應(yīng)再適當(dāng)給予加深。

2.3.2 墻身材料

按彈塑性模量和強(qiáng)度，阻滲墻筑建材料存在塑性砼和常規(guī)砼2種。后者優(yōu)點(diǎn)為持久性較佳、抗?jié)B性、強(qiáng)度大及彈塑性模量高，不足為彈塑性模量較比地基材料的彈塑性模量差異比較大，易導(dǎo)致墻身對(duì)地基的變形適應(yīng)性低，易于發(fā)生裂縫。在常規(guī)砼的基礎(chǔ)上塑性砼借助水泥代替部分膨潤(rùn)土和黏土，以減少其彈塑性模量，從而使墻身更好相適應(yīng)于地基形變，利于防止開裂。案例工程阻滲墻墻身材料選用常規(guī)砼。

2.3.3 墻身厚度

案例水庫(kù)大壩基礎(chǔ)砼阻滲墻許可水力坡率為80，阻滲墻領(lǐng)受67.6 m最大水頭，綜合參考案例領(lǐng)受的水頭、砼阻滲墻深度以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，案例砼阻滲墻取1.0 m厚度。墻厚1.0 m其最大水力坡降(67.6值)在材料的允許坡降之內(nèi)，符合阻滲和安全需求。

2.3.4 基巖注灌漿帷幕治理

對(duì)壩基礎(chǔ)蓋覆層下基巖以及兩岸基巖給予帷幕注灌漿整固。兩岸基巖注灌漿帷幕配置排孔，取1.5 m孔距，注灌漿區(qū)域至基巖準(zhǔn)線與正常蓄水線交匯位置，右岸注灌漿區(qū)域壩肩之外50 m，帷幕深度取5～38 m；左岸注灌漿區(qū)域壩肩之外21 m，帷幕深度取5.0～52 m。壩基礎(chǔ)蓋覆層阻滲墻下，注灌漿帷幕借助阻滲墻內(nèi)預(yù)設(shè)鋼管實(shí)施，鋼管徑值100 mm，配置1排帷幕，取1.5 m孔距，深度值取5.0～52 m。

3 沖振礫石樁功效分析

3.1 實(shí)驗(yàn)布設(shè)及測(cè)量?jī)?nèi)容

3.1.1 實(shí)驗(yàn)布設(shè)

正式開展沖振礫石樁施工操作前，為了檢驗(yàn)樁間距的礫石樁治理功效，軸線上游和下游基礎(chǔ)區(qū)域內(nèi)，在右岸大壩，分別確定A和B兩個(gè)范圍開展實(shí)驗(yàn)。其中A實(shí)驗(yàn)區(qū)的淤質(zhì)細(xì)粉砂層厚度約4m，露出地面。B實(shí)驗(yàn)區(qū)的淤質(zhì)細(xì)粉砂層分別為4 m和3 m厚度，分別為4 m和11 m埋深，中粗含礫砂層約為7 m厚度，約20 m埋深。實(shí)驗(yàn)樁身材料的飽和礫石抗壓強(qiáng)度>80 MPa，相對(duì)級(jí)配較佳，粒度<5 mm的劑量不應(yīng)>10%，并且含泥量以≤5%。實(shí)驗(yàn)礫石樁均取1 m樁徑，A實(shí)驗(yàn)區(qū)分別取1.5 m和2.0 m孔距，B實(shí)驗(yàn)區(qū)分別取2.0 m和2.5 m孔距，具體見圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)沖振礫石樁配置平面圖

3.1.2 測(cè)量?jī)?nèi)容

礫石樁的測(cè)量?jī)?nèi)容通常包括混合地基載承力、樁間土密實(shí)度及樁身密實(shí)度，故本研究采取現(xiàn)場(chǎng)載荷實(shí)驗(yàn)、重動(dòng)力探觸以及入貫標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法，具體見表2所示。

表2 沖振礫石樁實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

通過(guò)1孔重動(dòng)力探觸測(cè)量和1組荷載測(cè)量單樁實(shí)驗(yàn)，其中荷載實(shí)驗(yàn)方法選用堆載法，借助千斤頂加施垂向載荷，借助電位表測(cè)計(jì)移位；重動(dòng)力探觸測(cè)量以63.5 kg重錘豎直入貫，探桿和探頭一同貫入土層，15～30擊/分鐘錘擊速度，每入貫10 cm記錄錘擊數(shù)。樁間土借助入貫標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)力探觸給予測(cè)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)成果及分析

3.2.1 單樁實(shí)驗(yàn)成果及分析

A實(shí)驗(yàn)區(qū)和B兩實(shí)驗(yàn)區(qū)單樁載荷實(shí)驗(yàn)成果見表3所示。數(shù)據(jù)揭示，A實(shí)驗(yàn)區(qū)2種樁間距下均為823 kPa載承力特征值，分別對(duì)應(yīng)33.1 Mpa和31.3 Mpa形變模量。B實(shí)驗(yàn)區(qū)2種樁間距下分別為637 kPa和711 kPa載承力特征值，分別對(duì)應(yīng)82.8 Mpa和66.9 Mpa形變模量。

表3 單樁載荷實(shí)驗(yàn)成果

圖2為A實(shí)驗(yàn)區(qū)單樁載荷測(cè)量壓力降沉關(guān)系曲線，其中a、b、c、d分別對(duì)應(yīng)樁間距1.5 m、2.0 m、2.0 m、2.5 m。

圖2 單樁載荷測(cè)量壓力降沉關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)A區(qū)和實(shí)驗(yàn)B區(qū)的中性動(dòng)力單樁探觸成果見表4所示。A實(shí)驗(yàn)區(qū)重動(dòng)力單樁探觸曲線見圖3所示，其中a、b、c、d分別對(duì)應(yīng)樁間距1.5 m、2.0 m、2.0 m、2.5 m。當(dāng)實(shí)驗(yàn)A區(qū)和實(shí)驗(yàn)B區(qū)兩種樁間距的動(dòng)力探觸分別進(jìn)展到4.6 m、4.3 m、11.3 m和3.7 m時(shí)，連續(xù)三次錘擊數(shù)高出50，因?yàn)椴痪邆涑貏?dòng)力探觸裝備，難于繼續(xù)進(jìn)樁，故只能終止實(shí)驗(yàn)，并修正錘擊數(shù)。實(shí)驗(yàn)A區(qū)1.5 m和2.0 m修正單樁錘擊數(shù)對(duì)應(yīng)為14.4和24.7，實(shí)驗(yàn)B區(qū)2.0 m和2.5 m修正單樁錘擊數(shù)對(duì)應(yīng)為19.2和27.5。

表4 中性動(dòng)力單樁探觸實(shí)驗(yàn)成果

圖3 重動(dòng)力單樁探觸曲線

3.2.2 樁間土實(shí)驗(yàn)成果及分析

樁間土入貫標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)成果具體見表5所示，數(shù)據(jù)顯示A實(shí)驗(yàn)區(qū)1.5 m中粗含礫砂層修正入貫標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)是70.6，A實(shí)驗(yàn)區(qū)2.0 m淤質(zhì)細(xì)粉砂層修正入貫標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)是15.7。在實(shí)驗(yàn)B區(qū)2.0 m和2.5 m淤質(zhì)細(xì)粉砂層，其修正入貫標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)分別是3.0和4.6。

表5 樁間土入貫標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)成果

4 壩基礎(chǔ)滲漏整治成效分析

4.1 滲漏分析模型構(gòu)建

借助工程有限元Geo-Studio分析開展?jié)B漏模擬分析。選擇案例水庫(kù)最大斷面作為典型模擬分析橫截面具體見圖4所示。模擬分析主要土層透滲常數(shù)具體見表4所示。

圖4 滲漏分析典型截面與單元?jiǎng)澐?/p>

表4 案例水庫(kù)土石壩滲漏計(jì)算分析透滲常數(shù)

模擬分析域的網(wǎng)格規(guī)劃中，順河為X軸，取指向下游為正，豎垂向?yàn)閅軸，取上向?yàn)檎?。延?倍壩高拓展模型上下邊界，選擇三角形單元和四邊形，基座與心墻單元取0.5 m邊界長(zhǎng)度，其它區(qū)域取長(zhǎng)度2 m單元邊界，共計(jì)17 039個(gè)單元和17 204個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.2 滲漏分析工況

基于工程運(yùn)行后有可能遭遇的最不利情況，配置水位組合如下：

(1)迎水側(cè)取正常蓄水位，背水側(cè)下游取最低相應(yīng)水位；

(2)迎水側(cè)取設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)下游取最低相應(yīng)水位；

(3)迎水側(cè)取核校洪水位，背水側(cè)下游取最低相應(yīng)水位；

依據(jù)案例水庫(kù)的實(shí)際運(yùn)行，水壩背水側(cè)多基本無(wú)水，故案例水庫(kù)模擬滲漏計(jì)算工況選擇見表6具體所示。

表6 案例水庫(kù)模擬滲漏計(jì)算工況

4.3 滲漏計(jì)算成果分析

基于上述模型及基本工況參數(shù)，借助工程有限元Geo-Studio系統(tǒng)開展模擬計(jì)算，具體成果見圖5～圖7所示。

(1)上游水位設(shè)為正常蓄水位，下游水位取齊平于地面

(2)迎水側(cè)取設(shè)計(jì)洪水位，下游水位取齊平于地面

(3)迎水側(cè)取核校洪水位，下游水位取齊平于地面

(4)計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)

圖5 基礎(chǔ)滲漏場(chǎng)(迎水測(cè)常規(guī)蓄水位)水頭流線與等值線

圖6 基礎(chǔ)滲漏場(chǎng)(迎水測(cè)設(shè)計(jì)洪水位)水頭流線與等值線

圖7 基礎(chǔ)滲漏場(chǎng)(迎水測(cè)核校洪水位)水頭流線與等值線

表7數(shù)據(jù)揭示，常規(guī)蓄水位下為滲漏量2.70 m3/d/m，年度滲漏量330 204 m3，多年壩址區(qū)徑流均量是3.25×107m3，模擬所得滲漏量占多年徑流均量1.0%，此滲漏量滿足壩基安全運(yùn)營(yíng)需求。并且基于三種工況的單寬滲漏量可以獲得，單寬滲漏量伴隨水位的加增逐步加增，即壩身滲漏量受上游側(cè)水位狀態(tài)的影響比較大，二者呈現(xiàn)正相關(guān)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表7 案例水庫(kù)各工況單寬滲漏量模擬計(jì)算成果

表8為案例水庫(kù)滲漏計(jì)算主要區(qū)域透滲比降模擬計(jì)算結(jié)果，數(shù)據(jù)揭示，各工況下，壩基礎(chǔ)蓋覆層中礫碎中細(xì)沙、淤質(zhì)細(xì)粉砂、沖積漂卵碎石和壩身心墻四個(gè)部位的透滲均較比其許可透滲比降要小，此符合工程的透滲穩(wěn)定技術(shù)需求。

表8 主要區(qū)域透滲比降模擬計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本研究以某高原水庫(kù)依據(jù)案例，梳理闡述了沖振礫石樁整固和壩基礎(chǔ)阻滲治理技術(shù)，開展了工程現(xiàn)場(chǎng)單樁載荷、重動(dòng)力探觸和入貫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證沖振礫石樁的整固成果滿足設(shè)計(jì)需求?；趯I(yè)Geo-Studio工程有限元模擬系統(tǒng)，圍繞不同工況下滲漏量、透滲比降等，開展了壩基礎(chǔ)滲漏整治成效模擬分析計(jì)算，驗(yàn)證了經(jīng)該技術(shù)治理，各工況下案例工程的透滲比降均較工程許可透滲比降要小，技術(shù)狀態(tài)滿足工程阻滲功效需求。