振沖碎石樁在水電站厚覆蓋層壩基處理中的應(yīng)用研究

(桓仁滿族自治縣水務(wù)移民服務(wù)中心，遼寧 桓仁 117200)

1 工程背景

河灣水電站位于遼寧省丹東鳳城市鎮(zhèn)安區(qū)湯山城鎮(zhèn)河灣村境內(nèi)的愛河干流上，電站設(shè)計(jì)有單機(jī)容量2500kW的3臺(tái)水力發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)總?cè)萘?500kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2630萬(wàn)kW·h。工程主要包括攔河壩、電站、進(jìn)場(chǎng)公路以及升壓站。電站建成后不僅可以有效緩解當(dāng)?shù)氐挠秒娋o張狀況，還可以在城市供水、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及度假休閑等方面發(fā)揮重要作用。

由于河灣水庫(kù)位于愛河中游，壩址區(qū)存在厚度較大的覆蓋層，對(duì)大壩的建設(shè)十分不利。覆蓋層從上至下分別為第四系的人工堆積層、洪沖積層、殘坡積層、崩坡積層以及三疊紀(jì)灰白砂板巖。針對(duì)覆蓋層復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，一般需要利用開挖、灌漿或振沖碎石樁置換的方式形成復(fù)合地基進(jìn)行處理[1]。由于覆蓋層的范圍廣，厚度大，最大厚度達(dá)44m，不能全部清除，因此，擬對(duì)心墻位置高程232.00m以下的壩基進(jìn)行清除，而對(duì)其余基建面采用碎石振沖樁加固處理[2]。

2 振沖碎石樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案

2.1 振沖碎石樁復(fù)合地基加固機(jī)理

在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，松散砂土極易在外力作用下發(fā)生地基液化，因此，針對(duì)這種地基條件，一般采取振沖法在地基中設(shè)置碎石樁進(jìn)行加固處理。由于碎石樁體的影響，可對(duì)周圍的樁體產(chǎn)生較大的橫向壓力，隨著砂層內(nèi)孔隙受壓減少，砂層的密實(shí)度也會(huì)得到較大改善[3]。在剪循環(huán)荷載作用下，地基的飽和松散砂土不斷收縮，土體的密實(shí)度也會(huì)不斷增大，如果沒有排水，則會(huì)造成超靜水壓力大幅增加[4]。在碎石樁的樁孔內(nèi)填入強(qiáng)滲透性碎石材料，可以構(gòu)建豎向排水通道，降低孔隙水壓力，減少液化的可能性，提高地基的配水固結(jié)效果。

2.2 振沖碎石樁加固方案設(shè)計(jì)

由于河灣水電站攔河壩右岸的覆蓋層范圍廣，厚度普遍在20m以上，最大厚度達(dá)到了44m，全部清除是不可能的。因此，在工程設(shè)計(jì)中僅對(duì)位置高程232.00m以下的壩基進(jìn)行清除，而對(duì)其余基建面采用碎石振沖樁加固處理。

碎石振沖樁加固處理范圍為攔河壩右岸壩基覆蓋層，主要目的是利用碎石和基礎(chǔ)土碎石形成復(fù)合地基，通過(guò)大幅提升壩基基礎(chǔ)的承載力，減少基礎(chǔ)沉降對(duì)壩體的不利影響[5]，同時(shí)，分別對(duì)上游高程235.00m和255.00m處分平臺(tái)進(jìn)行振沖加固出口庫(kù)內(nèi)邊坡，目的是結(jié)合現(xiàn)狀壩前壓腳，增加庫(kù)內(nèi)岸坡穩(wěn)定性。碎石振沖樁的樁體采用正三角形布置，孔距和排距均為2m，其平面示意見圖1。碎石振沖樁的處理深度到下覆基巖分界線[6]。根據(jù)工程地質(zhì)資料，碎石振沖樁的平均樁長(zhǎng)為25m，處理面積為8552m2。樁體材料為施工現(xiàn)場(chǎng)的碎石，樁徑設(shè)計(jì)為0.8m，振沖平臺(tái)的寬度為8～12m，結(jié)合地形特點(diǎn)進(jìn)行布置；碎石振沖樁采用自下而上開挖施工平臺(tái)的方式進(jìn)行施工作業(yè)。

圖1 碎石振沖樁布置平面示意圖(單位：mm)

3 振沖碎石樁復(fù)合地基處理效果數(shù)值模擬分析

3.1 有限元計(jì)算模型

研究中，利用ANSYS大型通用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算模型的構(gòu)建，根據(jù)河灣水電站混凝土防滲墻風(fēng)化料壩的平面布置圖以及K0+10.50結(jié)構(gòu)斷面建立模型[7]。以順流指向下游的方向?yàn)閄軸正方向，以壩軸線指向左岸的方向?yàn)閅軸正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。建立的有限元計(jì)算模型向大壩壩軸線的上游方向延伸145m，下游方向延伸120m，深度方向取210m。計(jì)算模型采用空間六面體八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，將模型的壩體和地基離散后獲得25675個(gè)計(jì)算單元、36786個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)[8]。壩體和地基的有限元模型見圖2。計(jì)算的邊界條件為：壩基的底面為固定約束，模型的右岸方向設(shè)置為Y向簡(jiǎn)支處理，地基的上下游方向按X向簡(jiǎn)支處理，其余方向均為自由邊界條件[9]。模擬計(jì)算過(guò)程中，大壩壩體填筑按30個(gè)加載級(jí)進(jìn)行模擬，防滲墻兩側(cè)設(shè)有泥皮，底部設(shè)有沉渣。為了分析振沖碎石樁加固地基的效果，研究中對(duì)振沖碎石樁加固地基和未加固地基兩種方案分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以驗(yàn)證振沖碎石樁加固地基的作用效果。

圖2 大壩結(jié)構(gòu)斷面有限元模型

3.2 竣工蓄水期計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 壩體應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)河灣水電站竣工蓄水期振沖碎石樁加固地基和未加固地基兩種方案的大壩壩體應(yīng)力變形分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算(見表1)。從表中的計(jì)算結(jié)果可知，振沖碎石樁加固地基對(duì)竣工期和蓄水期的壩體應(yīng)力變形存在比較明顯的影響。在采用振沖碎石樁加固地基后，壩體在竣工和蓄水期的沉降位移、水平位移以及大主應(yīng)力值均明顯減小，特別是位移變形的減小幅度較大，因此，采用振沖碎石樁加固地基對(duì)抑制大壩壩體的位移變形具有比較明顯的作用。

表1 竣工蓄水期壩體應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析

3.2.2 防滲墻應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析

利用構(gòu)建的模型，對(duì)河灣水電站竣工蓄水期振沖碎石樁加固地基和未加固地基兩種方案的大壩混凝土防滲墻應(yīng)力變形分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算(見表2)。從表中的計(jì)算結(jié)果可知，振沖碎石樁加固地基對(duì)竣工期和蓄水期的大壩混凝土防滲墻應(yīng)力變形存在比較明顯的影響。在采用振沖碎石樁加固地基后，大壩混凝土防滲墻在竣工和蓄水期的沉降位移、水平位移以及水平應(yīng)力值均有所減小，其中沉降位移和水平位移的減小幅度較大，因此，采用振沖碎石樁加固地基對(duì)抑制大壩混凝土防滲墻位移變形具有顯著作用，可以有效保證大壩防滲墻的安全。

表2 竣工蓄水期防滲墻應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果分析

3.3 大壩長(zhǎng)期變形特征計(jì)算結(jié)果分析

為了進(jìn)一步分析振沖碎石樁加固地基的效果，需要對(duì)大壩長(zhǎng)期變形特征進(jìn)行模擬計(jì)算。由于河灣水庫(kù)擬建大壩的壩體填筑材料主要是砂板巖風(fēng)化料，考慮流變、濕化等長(zhǎng)期變形因素的影響，對(duì)未加固地基和振沖碎石樁加固地基兩種不同方案下的大壩壩體長(zhǎng)期變形進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析，計(jì)算繪制壩體計(jì)算斷面長(zhǎng)期變形條件下的沉降位移變化曲線(見圖3)。由圖可知，河灣水電站大壩的壩體沉降量隨著流變時(shí)間的增大而增大并在一年之后逐步趨向于穩(wěn)定。兩種不同方案的對(duì)比顯示，同一流變時(shí)間條件下采用振沖碎石樁加固地基的大壩壩體沉降量明顯偏小。說(shuō)明在長(zhǎng)期流變條件下，對(duì)壩體地基進(jìn)行振沖碎石樁加固處理，可以有效抑制壩體沉降變形，有利于壩體的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖3 流變條件下的沉降位移變化曲線

繪制壩體計(jì)算斷面長(zhǎng)期變形條件下的水平位移變化曲線(見圖4和圖5)。由圖可知，壩體向上下游方向的水平位移值均隨著流變時(shí)間的增加而逐漸增大，并于1年之后逐步趨向于穩(wěn)定。對(duì)兩種方案的對(duì)比顯示，同一流變時(shí)間條件下采用振沖碎石樁加固地基的大壩壩體水平位移量明顯偏小。說(shuō)明在長(zhǎng)期流變條件下，對(duì)壩體地基進(jìn)行振沖碎石樁加固處理，可以有效抑制壩體水平位移變形，有利于壩體的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖4 流變條件下壩體向上游位移變化曲線

圖5 流變條件下壩體向下游位移變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以遼寧省愛河干流上的河灣水電站工程為例，以從厚覆蓋層復(fù)雜地基的處理問(wèn)題為研究基點(diǎn)，提出利用振沖碎石樁加固地基的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)工程地質(zhì)和大壩設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行了大壩典型斷面的三維單寬有限元模型構(gòu)建，對(duì)振沖碎石樁加固地基和未加固地基兩種方案在竣工蓄水期以及長(zhǎng)期流變條件下的壩體應(yīng)力變形進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，在竣工蓄水期以及長(zhǎng)期流變條件下，采用振沖碎石樁加固地基時(shí)壩體和防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變值明顯較小，有利于抑制大壩變形和壩體穩(wěn)定，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。同時(shí)，本文的研究方法和思路也可以為類似的工程設(shè)計(jì)提供有益借鑒。當(dāng)然，具體的工程設(shè)計(jì)效果還有賴于工程運(yùn)行之后實(shí)際變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果。