哈達(dá)山樞紐工程擋水土壩壩基抗液化處理的對(duì)比研究

梁滿福，張 偉，劉偉洋

(中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130062)

0 引言

哈達(dá)山水利樞紐工程位于第二松花江下游河段，由壩區(qū)樞紐工程、防護(hù)區(qū)工程和輸水工程組成，為大(Ⅱ)型，水庫總庫容5.45×108m3，電站裝機(jī)容量為27.6 MW，擋水土壩壩頂全長1 930.40 m，壩頂高程146.00 m，壩段最低建基高程133.00 m，粘土均質(zhì)壩最大壩高13.00 m，壩頂寬為10 m。

該區(qū)位于松遼平原之松嫩平原的東南部，在差異性升降運(yùn)動(dòng)等新老的構(gòu)造控制作用下，形成了以臺(tái)地為代表的剝蝕堆積地形和以崗地漫灘為代表的堆積地形兩大成因類型，而河流侵蝕與堆積、風(fēng)蝕與風(fēng)積等近代地質(zhì)作用構(gòu)成了本區(qū)的沖洪積、沖湖積、冰水堆積平原、沖積湖積平原和河谷平原三個(gè)明顯階梯。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度。土壩抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度。

擋水壩段第四系地層巖性為:

中砂 黃褐—灰綠色，濕—飽和，松散—中密，層厚10.0～12.0 m。

礫質(zhì)粗砂 灰綠色，飽和，中密，層厚1.00～1.50 m，較連續(xù)分布在中砂之下。

鑒于勘察階段判定擋水土壩段處于飽水狀態(tài)下的砂土地基存在地震液化問題，故需對(duì)處于飽水狀態(tài)下的砂土地基進(jìn)行抗液化處理，初步擬定抗液化處理方案為:①振沖樁加密;②強(qiáng)夯。為選擇適宜的抗液化處理方案及選擇合理的施工技術(shù)參數(shù)，于土壩段選擇了一有代表性的地段作為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了不同抗液化處理方案的試驗(yàn)，以比較各抗液化處理方案的處理效果及可行性，為整個(gè)壩基抗液化處理施工提供依據(jù)。

1 方案布置［1］

本次抗液化處理試驗(yàn)區(qū)選在土壩段一期基坑圍堰內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)的地下水類型為第四系松散層中的孔隙潛水，水位埋深1.1～2.6 m，試驗(yàn)包括振沖樁試驗(yàn)和強(qiáng)夯試驗(yàn)兩種方法。

振沖樁試驗(yàn)區(qū):試驗(yàn)深度選用7 m、8 m、10 m 和12 m四種形式，樁位布置均采用等邊三角形，邊長2 m(施工過程中局部調(diào)整為1.8 m)。詳見圖1。

振沖樁試驗(yàn)在施工初期，通過對(duì)地面沉陷量的測量，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)后，確定施工參數(shù)為:①7 m 區(qū)和12 m 區(qū)分二遍振密和三遍振密兩個(gè)區(qū)域，8 m 區(qū)和10 m 區(qū)均為三遍振密。②4 m 以下加密電流控制在85A 以上，4 m以上加密電流控制在65A。③造孔水壓控制在0.5～0.6 MPa，加密水壓控制在0.2～0.4 MPa。④在12 m 區(qū)域調(diào)整15 根樁為1.8 m 樁距。

強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū):范圍為30 m×30 m，夯點(diǎn)布置采用5 m×5 m，強(qiáng)夯試驗(yàn)采用點(diǎn)夯兩遍和滿夯一遍的強(qiáng)夯施工方案，中間插點(diǎn)進(jìn)行二遍夯。詳見圖2。

1.1 點(diǎn)夯施工參數(shù)

(1)單點(diǎn)夯擊能:4 000 kN·m;

(2)采用隔行不隔點(diǎn)方式施工，每夯點(diǎn)夯擊3～5擊;

(3)最后兩擊平均夯沉量不大于50 mm、100 mm，可連續(xù)進(jìn)行兩遍夯擊。

1.2 滿夯施工參數(shù)

(1)單點(diǎn)夯擊能1 000 kN·m，每點(diǎn)2 擊;

(2)對(duì)場地進(jìn)行全面積滿夯，錘印相切。

圖1 振沖樁試驗(yàn)區(qū)檢測點(diǎn)布置圖Fig.1 Arrangement diagram of monitoring points in vibrosinking pile experiment plot

圖2 強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)檢測點(diǎn)布置圖ig.2 Arrangement diagram of moniroring points in dynamic compaction test area

針對(duì)本次土壩地基抗液化處理的試驗(yàn)方案，布置了抗液化處理試驗(yàn)檢測方案如下:

①抗液化試驗(yàn)處理前。在振沖樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測點(diǎn)5 個(gè)，表部相對(duì)密度檢測點(diǎn)3 個(gè)。強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測點(diǎn)3 個(gè)，表部相對(duì)密度檢測點(diǎn)3 個(gè)。

②抗液化試驗(yàn)處理后。在7 m 振沖樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測點(diǎn)3 個(gè)(其中3 遍加密區(qū)1 個(gè)，2遍加密區(qū)2 個(gè))，表部相對(duì)密度檢測點(diǎn)3 個(gè);在8 m 振沖樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測點(diǎn)3 個(gè);在10 m振沖樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測點(diǎn)3 個(gè);在12 m振沖樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測點(diǎn)6 個(gè)(其中3 遍加密區(qū)2 個(gè)，2 遍加密區(qū)4 個(gè))，表部相對(duì)密度檢測點(diǎn)3 個(gè)。在強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布置標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測點(diǎn)3 個(gè)，表部相對(duì)密度檢測點(diǎn)3 個(gè)。

2 檢測工作

在振沖樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)及強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分別取樣進(jìn)行了天然砂層(為中砂)的相對(duì)密度及相關(guān)物性指標(biāo)的試驗(yàn)測試工作，同時(shí)對(duì)不同的試驗(yàn)區(qū)分別進(jìn)行了原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，并對(duì)有壓重和無壓重兩種情況分別進(jìn)行了液化評(píng)價(jià)。

在振沖樁試驗(yàn)區(qū)內(nèi)(7 m 深度區(qū)及12 m 深度區(qū))及強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分別對(duì)表部砂層取樣進(jìn)行了試驗(yàn)后砂層的相對(duì)密度及相關(guān)物性指標(biāo)的試驗(yàn)、測試工作，同時(shí)對(duì)強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)和不同深度(7 m、8 m、10 m、12 m)的振沖樁試驗(yàn)區(qū)及其不同的施工參數(shù)區(qū)分別進(jìn)行了原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，并對(duì)有壓重和無壓重兩種情況分別進(jìn)行了液化評(píng)價(jià)。

2.1 取樣試驗(yàn)

見表1。

2.2 實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系

處理前后不同深度(7 m、8 m、10 m、12 m)的振沖試驗(yàn)區(qū)實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系見圖3－圖6。

3 結(jié)果分析

3.1 振沖試驗(yàn)

3.1.1 7 m 深度試驗(yàn)區(qū)

振沖處理前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比見表2、表3、表4。

圖3 振沖試驗(yàn)12 m 深度區(qū)實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系曲線圖Fig.3 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 12 m depth zone

圖4 振沖試驗(yàn)10 m 深度區(qū)實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系曲線圖Fig.4 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 10 m depth zone

從表2 可以看出，在經(jīng)過振沖試驗(yàn)處理后，上述天然密度、天然干密度及相對(duì)密度均得到一定的提高，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，地震設(shè)防烈度為八度時(shí)，液化臨界相對(duì)密度為75%，處理后的相對(duì)密度仍小于此數(shù)，雖然上述指標(biāo)均有一定程度改善，但效果并不理想，表明該種試驗(yàn)方案對(duì)表部1.5 m 深度范圍內(nèi)砂層處理效果不佳。

表1 抗液化試驗(yàn)處理前、后試驗(yàn)區(qū)表部砂層檢測項(xiàng)目成果(平均值)Table 1 Results of testing item of sand layer before and after anti-liquefaction test

表2 7 m 試驗(yàn)區(qū)抗液化試驗(yàn)處理前、后表部砂層相關(guān)物性指標(biāo)分析對(duì)比表Table 2 Comparative analysis of related physical index before and after anti-liquefaction test in 7 m test area

表3 7 m 試驗(yàn)區(qū)抗液化試驗(yàn)處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(不考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～6.65 m)Table 3 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 7 m test area(not considering weighting)

表4 7 m 試驗(yàn)區(qū)抗液化試驗(yàn)處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～6.65 m)Table 4 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 7 m test area(comsidering weighting)

從表3 可以看出，該試驗(yàn)區(qū)同一對(duì)比深度內(nèi)，不考慮壓重情況下，通過振沖處理液化率及液化指數(shù)亦均有較大程度的降低，地基抗液化性能明顯改善，三遍加密效果略優(yōu)于兩遍加密效果。但無論是兩遍加密還是三遍加密均不能完全有效地消除振沖處理深度范圍內(nèi)的液化影響;同時(shí)結(jié)合液化評(píng)價(jià)成果，該7 m 深度試驗(yàn)方案，對(duì)振沖深度內(nèi)的底部0.5～1.0 m 處理效果不佳。

從表4 可以看出，當(dāng)有壓重條件時(shí)(壓重至高程138.5 m，按下游坡水位135.34 m 考慮)，在經(jīng)過該方案的振沖處理后，無論是兩遍加密還是三遍加密均能夠完全有效地消除振沖處理深度范圍內(nèi)的液化影響。

3.1.2 8 m 深度試驗(yàn)區(qū)

振沖處理前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。

從表5 可以看出，該試驗(yàn)區(qū)同一對(duì)比深度內(nèi)，不考慮壓重情況下，在經(jīng)過該方案的振沖處理后，在振沖處理深度范圍內(nèi)能夠完全消除液化影響。

從表6 可以看出，考慮壓重情況下，在經(jīng)過該方案的振沖處理后，在振沖處理深度范圍內(nèi)能夠完全消除液化影響。

3.1.3 10 m 深度試驗(yàn)區(qū)

振沖處理前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比見表7。

圖5 振沖試驗(yàn)8 m 深度區(qū)實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系曲線圖Fig.5 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 8 m depth zone

圖6 振沖試驗(yàn)7 m 深度區(qū)實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)與深度關(guān)系曲線圖Fig.6 Curves of relation between standard penetration test blow count and depth in 7 m depth zone

從表7 可以看出，該試驗(yàn)區(qū)同一對(duì)比深度內(nèi)，不考慮壓重情況下，在經(jīng)過該方案的振沖處理后，雖未完全有效地消除振沖處理深度范圍內(nèi)的液化影響，但液化率及液化指數(shù)均已極大程度地降低，且僅有的兩個(gè)液化點(diǎn)均出現(xiàn)在振沖深度內(nèi)的底部0.5～1.0 m 處。

從表8 可以看出，考慮壓重情況下，該試驗(yàn)區(qū)同一對(duì)比深度內(nèi)，在經(jīng)過該方案的振沖處理后，在振沖處理深度范圍內(nèi)能夠完全消除液化影響。

3.1.4 12 m 深度試驗(yàn)區(qū)

振沖處理前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比見表9、表10。

從表9 可以看出，在經(jīng)過振沖試驗(yàn)處理后，上述天然密度、天然干密度及相對(duì)密度均得到一定提高，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，地震設(shè)防烈度為八度時(shí)，液化臨界相對(duì)密度為75%，雖然上述指標(biāo)均有一定程度改善，但效果并不理想，處理后的相對(duì)密度仍小于此數(shù)，表明該種試驗(yàn)方案對(duì)表部砂層處理效果不理想。

從表10 可以看出，該試驗(yàn)區(qū)同一對(duì)比深度內(nèi)，不考慮壓重情況下，在經(jīng)過該方案的振沖處理后，無論是兩遍加密還是三遍加密均能夠完全有效地消除振沖處理深度范圍內(nèi)的液化影響。

3.2 強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)

強(qiáng)夯處理前后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比見表11、表12。

從表11 可以看出，該試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)前表部砂層在經(jīng)過強(qiáng)夯處理后，上述天然密度、天然干密度及相對(duì)密度均得到提高，雖然上述指標(biāo)均有一定程度改善，但效果并不理想，表明該種試驗(yàn)方案對(duì)表部砂層處理效果不理想。

從表12 可以看出，在經(jīng)過強(qiáng)夯試驗(yàn)處理后，其中有兩個(gè)檢測點(diǎn)液化率雖有一定程度的降低，其值降為22.2%～33.3%，液化指數(shù)降為1.19～3.83，液化等級(jí)亦由嚴(yán)重變?yōu)檩p微，液化程度亦有較大改善，由嚴(yán)重變?yōu)檩p微，但并未完全有效地消除液化影響，且另外一個(gè)檢測點(diǎn)并無明顯改善，故該方法處理效果不佳，可靠性亦不高，同時(shí)由液化評(píng)價(jià)成果表可以看出，該方法對(duì)2～6 m 深度區(qū)內(nèi)效果較為理想，能夠基本消除液化影響，但對(duì)2 m 以上及6 m 以下區(qū)域內(nèi)效果不佳，仍存在液化現(xiàn)象。

當(dāng)考慮壓重條件時(shí)(壓重至高程138.5 m，按上游坡水位140.5 m 考慮)，強(qiáng)夯處理前后液化評(píng)價(jià)見表13。

表5 8 m 試驗(yàn)區(qū)抗液化試驗(yàn)處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(不考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～7.65 m)Table 5 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 8 m test area(not considering weighting)

表6 8 m 試驗(yàn)區(qū)抗液化試驗(yàn)處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～7.65 m)Table 6 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 8 m test area(considering weighting)

表7 10 m 深度區(qū)抗液化試驗(yàn)處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(不考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～9.65 m)Table 7 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 10 m depth zone(not considering weighting)

表8 10 m 深度區(qū)抗液化試驗(yàn)處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～9.65 m)Table 8 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 10 m depth zone(considering weighting)

表9 12 m 深度振沖前、后試驗(yàn)區(qū)表部砂層相關(guān)物性指標(biāo)分析對(duì)比表Table 9 Comparative analysis of related physical index before and after vibroflotation in 12 m depth

表10 12 m 深度抗液化試驗(yàn)處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(不考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～10.65 m)Table 10 Comparative analysis of sand liquefaction before and after anti-liquefaction test in 12 m depth (not considering weighting)

表11 強(qiáng)夯處理前、后表部砂層相關(guān)物性指標(biāo)分析對(duì)比表Table 11 Comparative analysis of related physical index before and after treatment by dynamic compaction

表12 強(qiáng)夯處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(不考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～9.65 m)Table 12 Comparative analysis of sand liquefaction before and after treatment by dynamic compaction(not considening weighting)

表13 強(qiáng)夯處理前、后砂層液化分析對(duì)比表(考慮壓重情況下，對(duì)比深度1.65～9.65 m)Table 13 Comparative analysis of sand liquefaction before and after treatment by dynamic compaction(considering weighting)

從表13 可以看出，該試驗(yàn)區(qū)同一對(duì)比深度內(nèi)(考慮壓重情況下)砂層液化率44.4%～77.8%，液化指數(shù)16.07～23.19，屬嚴(yán)重液化型，在經(jīng)過強(qiáng)夯試驗(yàn)處理并采取壓重后，液化率降低為11.1%，液化指數(shù)降為0.44～2.35，液化程度亦有較大幅度改善，由嚴(yán)重變?yōu)檩p微，但并不能完全有效地消除液化影響。

4 結(jié)論

(1)振沖法和強(qiáng)夯法均適用于本工程的地質(zhì)條件。

(2)各處理方案表部1.0～1.5 m 深度范圍內(nèi)的處理效果偏差。

(3)對(duì)各種不同深度的振沖處理方案，在振沖深度內(nèi)的底部0.5～1.0 m 范圍內(nèi)處理效果偏差;強(qiáng)夯法的有效處理深度為1.5～6.5 m，實(shí)用區(qū)間相對(duì)較小，對(duì)6 m 以下區(qū)域內(nèi)處理效果不佳，可能存在無明顯改善的區(qū)域，處理可靠性不高。

(4)兩種方法在實(shí)用范圍內(nèi)處理效果均較好，液化程度均有大幅度的改善，振沖法處理效果更佳，能夠完全有效的消除液化影響。

(5)工程區(qū)地下水位較高，而強(qiáng)夯法對(duì)場地地下水條件要求較高，施工時(shí)需要進(jìn)行排水措施，振沖法則僅需機(jī)械設(shè)備進(jìn)場即可。

綜合以上幾點(diǎn)，本工程基礎(chǔ)處理中相對(duì)于強(qiáng)夯法，振沖法在實(shí)用范圍、處理質(zhì)量和場地要求上都存在著一定的優(yōu)勢(shì)，而且振沖法無強(qiáng)夯法所必須的施工排水等措施，降低了工程造價(jià)，因此建議采用振沖法對(duì)本工程壩基進(jìn)行抗液化處理，施工參數(shù)在實(shí)際施工中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步優(yōu)化，確定振沖深度時(shí)應(yīng)考慮底部處理效果偏差的情況，適當(dāng)加深振沖范圍，表部采取其他處理方式，以完全消除表部地震液化影響。

［1］中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司工程勘察院.哈達(dá)山水利樞紐工程土壩壩基抗液化加密處理試驗(yàn)檢測報(bào)告［R］.長春:中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司工程勘察院，2008.