振冲碎石桩在金康水电站中的应用

苏玮

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 工程概况

金康水电站位于四川省甘孜州康定县境内的大渡河一级支流金汤河上，系金汤河梯级开发规划的最末一级电站，为低闸引水式开发。工程主要由首部枢纽、引水系统、厂区枢纽等建筑物组成。水库具有日调节性能，水库正常蓄水位高程为1974 m，死水位高程为1969 m，电站装机2台，总装机容量150 MW。

首部枢纽建筑物从右至左依次布置了右岸挡水坝段、2孔泄洪闸、1孔冲沙闸、1孔排污闸、左岸挡水坝段及取水建筑，取水建筑由取水口和进水闸室组成。闸坝坝顶高程为1976 m，闸坝坝顶全长约94.91 m，最低建基面高程为1956 m，最大坝高20 m。闸、坝基础均建于河床覆盖层上，河床覆盖层最深达90 m 以上。

2 工程地质条件

金康水电站首部枢纽闸坝基础河床覆盖层深厚(大于90 m)，按其物质组成、结构自下而上可划分为3层，主要由Ⅰ层:漂(块)卵(碎)砾石夹沙土(fglQ3)，Ⅱ-①层:粉质壤土(lQ4)、Ⅱ-②层:粉细沙(lQ4)和Ⅲ层:含卵砾石沙土层(alQ4)组成。基础持力层为Ⅲ层含卵砾石沙土层(该层总体结构较松散，钻孔注水试验渗透系数K=8.06×10-3cm/s，具中等透水性)和Ⅱ层的粉细砂及粉质壤土层(该层室内渗透试验结果表明K=1.97×10-4～4.82×10-5cm/s，具弱透水性。)，属软基建闸。Ⅲ层冲积层颗粒较细，结构不均一，局部为架空结构，允许承载力［R］=0.25～0.3MPa，压缩模量Es=25～30 MPa，其承载力和抗变形能力较低;Ⅱ层以粉细砂、粉质壤土为主，允许承载力［R］=0.1～0.12 MPa，压缩模量Es=3～5 MPa，其承载力和抗变形能力低，不能满足闸坝基础要求。闸基覆盖层地基各层次结构复杂，成因类型不同，颗粒大小悬殊，结构不均一，各层物理力学性质、透水性和抗渗稳定性差异较大，存在闸基渗漏、渗透变形、不均匀变形等问题且Ⅱ、Ⅲ层均属于液化土。

闸址区覆盖层物理力学参数建议值见表1。

由于闸址位于高地震区，且为深厚覆盖层上修建的闸坝，成层结构复杂，各层物理力学性能、透水性和抗渗稳定性能差异较大，存在闸基渗漏、渗透变形稳定和不均匀变形等问题且Ⅱ、Ⅲ层均属于液化土。因此，为防止地基内砂土在地震力作用下发生液化以及地基的不均匀沉陷，必须进行闸基防渗和闸基加固处理，以满足闸坝基础承载力要求。

3 闸坝基础处理方案选择

3.1 地基处理方法

目前地基处理的方式主要有:挖基回填夯实、挖基回填混凝土、强夯基础、桩基础、挖孔桩基础、振冲碎石桩、高压旋喷桩基础和基础灌浆等方式。

(1)挖基回填夯实。

对于承载力不够的地基，采用挖出松散土至合格土层、再回填合格土夯实的方法。该方法主要适合于挖填土工程量不大的基础处理。

(2)挖基回填混凝土。

挖基回填混凝土的方法是挖出松散土至设计承载力层后再回填混凝土。该方法的原理是因地基承载力不够，采用混凝土回填基础以加大地基承载面积，适用于地基承载力差异不大且不液化或地震烈度低的地基。

表1 闸址覆盖层物理力学指标汇总表

(3)强夯基础。

强夯基础是采用强夯设备对地基进行强夯加密，以提高地基承载力。一般强夯加密的深度在7 m 以内。因此，地基强夯主要是用于基础浅层处理，且为具有可夯性的、含有一定粘性的砂砾石土。

(4)桩基础。

桩基础是利用打桩机将预制的桩打入地基。由于水电工程是在河道上修建建筑物，主要需处理河床软基，而这类基础一般多含漂、卵石，桩基无法打入。因此桩基础主要用于工民建。

(5)挖孔桩基础。

挖孔桩基础是采用先挖孔再浇钢筋混凝土桩，适用于对地基承载面积不大，承载力要求较高且基础土体含有大的漂卵石的地基，主要用于工民建。

(6)振冲碎石桩。

振冲碎石桩施工是利用振冲设备对地基震动形成空洞的同时，碎石沿振冲器一起进入土体对土体进行加密。由于所形成的振冲桩具有一定的渗透性，加快了土体的排水，使土体加快固结，可防止土体液化，提高承载力。目前，国内振冲桩最大深度已达到近30 m，因此，振冲桩主要适用于软弱液化地基的处理。

(7)高压旋喷桩基础。

高压旋喷桩处理地基是利用高压旋喷设备在将孔打到设计深度后，钻头喷枪在旋转喷射混凝土浆液的同时将钻杆逐渐提出，使钻孔周围一定范围内的土体被混凝土浆液固结，形成具有一定强度的桩体。主要适用于覆盖层深度较深、具有一定渗透性的砂砾石地基。

(8)基础灌浆。

基础灌浆是在破碎岩石基础中采用混凝土灌浆，将破碎岩石胶结成整体，既提高了基础的强度，又防止了基础渗漏，一般用于岩石基础处理。在土石坝中主要用于对地基灌浆以形成帷幕，帷幕与大坝和防渗墙一起形成防渗体。

3.2 本工程地基采用的处理方法

本工程等级为Ⅲ等，永久性挡水、泄水建筑物按3级标准设计。根据我国现行的水闸设计规范要求，由闸址区的地质条件和闸坝的受力特点确定该基础处理设计的基本原则是:

(1)满足闸基及两岸土体的渗透稳定，减少绕坝渗漏，控制渗流量为枯水期多年平均来水量的1%左右。

(2)防渗帷幕的布置和深度应伸入到透水率不大于5 Lu 的岩层内3～5 m 并与防渗墙布置协调一致。

(3)为解决闸、坝基础的抗液化能力，需提高基础承载能力，减少建筑物的不均匀沉降。

根据枢纽布置，除岸边坝段外，闸、坝基础均置于河床覆盖层上。鉴于闸址主河槽覆盖层深度大于90 m ，基础持力层主要集中在Ⅱ、Ⅲ层，且Ⅱ、Ⅲ层又属于液化土范畴，为此，要解决闸、坝基础的抗液化能力，必须提高基础的承载能力，以减少建筑物的不均匀沉降。

由于本工程闸、坝基础均属深厚覆盖层基础，抗震能力差，属液化土，且工程区域在高地震烈度区域，基础处理主要解决地基承载力并提高抗震能力。根据上述各种地基处理方法的适用性，选择振冲碎石桩对地基进行处理。

4 大功率振冲器的试验成果

采用振冲碎石桩对砂层地基进行加固是本工程砂层抗液化理想的处理方法，振冲法对砂类土具有良好的挤密作用，是国内外消除地基液化的有效方法。根据目前国内现状，常采用的振冲器功率为75 kW、100 kW。由于金康水电站闸坝基础地层复杂和桩深较大，特别是振冲处理基础部分表层含有大块漂石层，需要使用更大功率的振冲器进行造孔制桩。金康水电站在国内首次采用功率125 kW 的振冲器进行大面积的闸坝基础处理。但是，使用功率125 kW 振冲器的施工经验还不成熟，对含大块漂石层的地层造孔仍很困难，振冲器不能穿过，因此，设计人员从施工工期和振冲方案可行性方面考虑，设计开挖除去基础部分表层所含的大块漂石后再进行振冲法地基处理。

在闸基、海漫等建基面分别进行了不同桩间距的振冲碎石桩生产性试验，按两个等边三角形组成平行四边形布置，试验成果见表2、3。

表2 振冲碎石桩单桩、桩间土静载荷试验成果表

表3 振冲碎石桩标贯(N63.5)、重力触探(N120)、地震波检测成果表

现场试验检测成果表明，经采用振冲置换法加固地基后，复合地基承载力、压缩模量都得到较好的改善，首部枢纽主要建筑物基础经过振冲碎石桩处理后达到了地基抗液化的各项指标，防止了地层在地震情况下发生液化。

5 闸坝基础振冲碎石桩的布置设计

根据基础处理设计原则，对首部枢纽各部位基础采用直接振冲置换法进行加固处理。闸室、挡水坝、进水口、铺盖、护坦基础振冲碎石桩间排距均为2 m，海漫基础振冲碎石桩间排距为2.5m，按梅花形桩位布置，振冲桩的平均桩径为1.2 m。

6 闸坝基础沉降分析与评价

根据首部枢纽的布置及分缝，划分为泄洪闸部分，冲沙闸、排污闸部分和左、右挡水坝部分，考虑的工况为正常蓄水位工况和完建工况，并进行了相应的沉降计算。计算成果见表4。

综合分析以上计算结果，在地基处理之前，在完建和正常蓄水两种工况下，闸室的沉降量和沉降差均不满足规范要求。闸坝基础经振冲碎石桩处理后，粉细砂层和粉质壤土层的压缩模量由处理前的4 MPa 提高到27 MPa。经计算，闸室最大沉降量为9.59 cm，最大沉降差为3.62 cm，两种工况下闸室的沉降量和沉降差均比较小。建基面允许承载力由处理前的0.28 MPa 提高到0.36 MPa，均大于建筑物基础应力。经振冲加固处理后，有效地减少了地基沉降，使沉降差在规范允许的范围内，首部枢纽主要建筑物基础经过振冲碎石桩处理后达到了地基抗液化的各项指标(表4)。

表4 闸、坝基础处理前、后沉降计算成果表

7 结语

目前，对基础处理采用的方法和适用性还少有系统介绍，特别是振冲碎石桩的应用，过去由于受设备能力的影响，振冲桩的处理深度不够，工程应用较少。随着工程设备制造技术的提高，振冲碎石桩的技术应用越来越广泛，笔者通过金康水电站首部枢纽在采用大面积、大功率深孔振冲碎石桩穿过砂卵砾石沙土层进行地基处理的实际成果，系统介绍了各种地基处理的方法和适用性，并着重介绍了振冲碎石桩技术。对地基处理，特别是振冲碎石桩技术的应用具有指导意义。