西霞院工程泄洪闸下夹砂层地基处理

□刘全鹏 □赵 宁 □梁晓军(黄河勘测规划设计有限公司)

一、概述

小浪底水利枢纽西霞院反调节水库工程是小浪底工程的配套工程，其开发任务以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用，并为黄河向北供水创造有利条件。泄洪闸是工程的主要泄洪建筑物，超过1000m3/s后的洪水基本都由泄洪闸宣泄。泄洪闸闸基座坐落在砂砾石地层上，但在泄洪闸19#～21#闸孔基底下部夹砂层比较发育，最大的夹砂层厚度达9m左右，离闸底板最近处2～3m。较厚的夹砂层会引起地基不均匀沉降，其承载力也不满足要求，不仅影响闸室的稳定，还对闸室结构变形产生一定的影响，且有夹砂层地基和无夹砂层地基的沉降差过大，易造成止水和结构破坏。我们研究、分析、比较了各种地基处理加固方法，换填法、混凝土灌注桩、高压旋喷桩和振冲碎石桩挤密加固法等措施。振冲法以其经济效益显著、工艺简单、工期短、加固效果好等特点，最终被选定为本工程夹砂层的处理方案。

二、地层概况

（一）夹砂层分布

根据原始钻孔资料和混凝土防渗墙试验段揭示的情况，闸基下砂砾石层中夹砂层较发育，在夹砂层较厚处而砂砾石层覆盖层较浅，对闸室稳定不利。夹砂层较厚的1#夹砂层主要分布在19#～21#开敞式泄洪闸闸基下。开敞式泄洪闸闸底板高程为113m，前、后齿的底高程110m，离夹砂层顶面高程106.1～107.6m较近，夹砂层底面高程98.0～101.5m，这一夹砂层透镜体厚度在5.5～9.0m之间。2#夹砂层为夹砂层的北部条带，分布在开敞式泄洪闸第10#～12#孔闸基下，向下游变薄，南北宽约40m，根据原始资料所揭示的夹砂层顶面高程为105.2～106.1m，底面高程为102.5～103.5m。除1#、2#夹砂层分布相对稳定外，其它厚度多在0.3～2.0m，呈小透镜体状分布，分布高程较低，顶面高程95.5～95.9m左右，底面高程93.5m左右。闸基下的1#夹砂层和2#夹砂层沿顺河向呈条带状展布。2#夹砂层埋深相对较深，不存在液化问题，经试验承载力基本满足要求，因此仅考虑处理1#夹砂层。

（二）地层特性

根据后期补充勘察的西霞院工程28组夹砂层原状样物理力学试验成果，该夹砂层属密实～中密状态。考虑砂卵石分布不均一性，有夹砂层(砾质砂层)透镜体，以及砂卵石层的间断级配，闸下地基砂卵石层较厚(最厚约32m)，且闸基砂卵石层(Q31)承载力标准值(特征值)为600kPa。砾砂层、夹砂层透镜体分布较集中，以细砂、极细砂为主，局部为中砂，其颗粒级配接近级配良好砂的标准，按砂土新分类标准属粉土质砂。根据夹砂层的干密度平均值、孔隙比等，夹砂层属密实状态；以夹砂层的渗透系数判定该夹砂层属中等透水性；以夹砂层的压缩系数，判定该夹砂层总体上属中等压缩性土，局部为低压缩性土；综合分析，夹砂层总体上属粉土质砂，级配接近好砂的标准，呈密实或接近密实的中等密实状态，属中等压缩性土，夹砂层的承载力特征值初步确定为 200～280kPa。

（三）夹砂层物理力学指标

夹砂层物理力学指标如表1。

表1 夹砂层的物理力学指标统计表

三、处理方案比较

根据泄洪闸地基夹砂层的分布情况，进行了以下几种方案的比较。

（一）开挖回填方案

按仅进行1#夹砂层区域处理，原来已开挖至114.00高程，二次开挖按1∶1.5放坡至夹砂层底，然后回填砂卵石至闸底板底高程。此方案安全可靠，但工期长、费用高，总费用约为550万元。

（二）混凝土灌注桩

混凝土灌注桩的持力层选在夹砂层下部的砂砾石层，桩长按正三角形布置，桩径1.2m，间、排距为5.0，桩长约20～30m。由于混凝土桩相对于砂砾石层的刚度较大，使地层处理后与不处理之间变形模量差距较大，将引起不均匀变形，并且处理夹砂层地基的费用约高达850万元。

（三）高压旋喷

根据基坑高压旋喷试验成果，高压旋喷可以有效地加固砂砾石层中的夹砂层。但施工中夹砂层上部的砂砾石地层若遇有孤行，将影响施工进度，需要先用回旋钻钻透砂砾石层孤石而后再在夹砂层中旋喷，这样费用将很高。与混凝土灌注桩一样，也存在不均匀变形。利用高压旋喷桩处理夹砂层地基的费用约为450万元。

（四）振冲碎石桩法处理

振冲碎石桩挤密加固法是按照正三角形布置振冲碎石桩，使碎石桩体与挤密后的桩间土形成复合地基。其作用原理是桩间土与碎石桩共同作用，彼此变形协调，共同承担荷载。根据估算，采用振冲碎石桩法处理夹砂层地基的造价约为340万元。

经过以上各种方案的综合对比分析，振冲碎石桩挤密加固法以其经济效益显著、工艺简单、工期短、加固效果好等特点，选定为本工程夹砂层处理的方案。根据目前振冲技术的现状，西霞院泄洪闸基础夹砂层透镜体采用振冲碎石桩法处理是可行的。

四、振冲碎石桩设计

（一）桩长与桩径确定

根据承载力要求，碎石桩必须穿过较软弱的夹砂层并进入承载力相对较大、压缩性较低的下部砂砾石层一定深度。初步按伸入下部砂砾石层0.5～1.5m考虑。根据地质资料，桩长大约在13～20m之间。

根据目前国内施工设备的现状，振冲碎石桩桩径初步确定按1.0m设计。

（二）桩距确定

设计中按正三角形布置的振冲碎石桩，采用《建筑地基处理技术规范》挤密桩的公式(6.2.8-1)理论计算，为安全不考虑振动下沉密实作用取ξ=1。桩距S与桩直径d、天然孔隙比e0最大孔隙比e0及处理后要求达到的孔隙比e1的关系为：

地基挤密后要求达到的孔隙比，可根据工程对地基承载力的要求，按《建筑地基处理技术规范》的公式8.2.2-3计算：

地基挤密后要求达到的相对密度Dr可按规范取0.80。

根据设计，地基挤密后要求达到的孔隙比

代入桩间距计算公式可得：s=2.54(m)，设计时取s=2.5m。

（三）复合地基的承载力特征值

复合地基的承载力特征值按《建筑地基处理技术规范》的公式(6.2.8-1)计算：

其中：fsp,k为复合地基的承载力特征值；fp,k为桩体单位面积的承载力特征值，根据工程经验及试验资料，碎石桩承载力特征值可达700kPa以上；fs,k为挤密后桩间砂体单位面积的承载力特征值，根据工程资料当夹砂层的孔隙比达到0.41时，其挤密后桩间砂体单位面积的承载力特征值fs,k在300～340kPa，本处取 fs,k为300kPa。

桩体相对于复合地基的面积置换率m为：

de-碎石桩等效影响圆的直径，对于正三角形布置的圆形挤密振冲碎石桩，按规范取

经计算得fsp,k=358.04(kpa)，取地基承载力允许值为fsp,k=350(kPa)，其最大值为允许值的1.2倍。

根据计算，采用振冲碎石桩挤密法对夹砂层进行处理后能满足泄洪闸基底应力最大的应力413.7kPa、平均最大271.1kPa的要求，并满足沉降计算的要求。

（四）最终设计方案

西霞院工程对泄洪闸地基中砂砾夹砂层透镜体处理的设计方案为：振冲碎石桩挤密法加固，桩按正三角形布置，桩体直径1.0m，桩间距2.5m；桩体填料为粒径20～80mm的级配碎石；处理范围为泄洪闸下区域的1#夹砂层。

五、结语

振冲碎石桩法处理软弱地基作为一种具有经济实惠、工期短、施工简便等优点的方法在西霞院工程得到应用，施工完成后检测结果合格，实践证明设计是非常有效和合理的。采用振冲碎石桩挤密法加固的复合地基，通过成桩挤密过程中机械对周围砂层产生的横向挤压力，使桩体范围内的砂体被挤向桩外，桩体周围土层的孔隙比减小，密实度增大。桩体振密后和密实了的桩间土形成复合地基共同承载，改善并提高了地基承载力。由于碎石桩桩体材料透水性好的特殊性，缩短了土体固结时间；由于振冲碎石桩桩体以及周围的砂层密实度增大，复合地基总体剪强度提高，压缩模量增大，沉降量减少，并且在施工后碎石桩复合地基的整体物理力学性能更接近砂砾石地层，有效地减小了相临建筑物不均匀沉降。