西北某水电站湿陷性黄土地基处理方案综述

刘婷

(新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院一分院,新疆石河子 832000)

西北某水电站湿陷性黄土地基处理方案综述

刘婷

(新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院一分院,新疆石河子 832000)

本文论述了西北某水电站湿陷性黄土地基处理方案，本工程采用碎石桩+CFG桩的复合地基方案和钢筋砼灌注桩桩基方案进行了比较。处理经验可供同类工程参考借鉴。

湿陷性黄土 钢筋砼灌注桩 CFG桩

1 工程概况

西北某水电站为引水式电站，电站工程主要由引水渠首、引水渠、前池、压力管道、泄水陡坡、厂房、尾水渠和防洪堤等组成。电站设计水头135m，设计引水流量60.6m3/s,设计发电流量56.8m3/s,装机容量66MW，设计年发电量2.55亿kW.h。

2 工程存在的主要地质问题

本电站存在的主要工程地质问题是前池基础、压力钢管及泄水陡坡上段基础位于黄土地层，黄土地基承载力低且具自重湿陷性，影响建筑物工程安全性。

厂区前池黄土厚度自地表起可达45m，建基面以下湿陷性黄土厚度15m，地基主要持力层岩性为上更新统卵砾石，地基承载力400kPa。压力管坡地层岩性复杂，其中全新统坡积物及低阶地冲洪积含砾粉土工程地质条件差，不适宜作为建物地基，第三系泥岩具崩解性和弱膨胀性,地基承载力300～400kPa。

图1 前池基础处理示意图(钢筋砼灌注桩桩基方案)

图2 压力管道基础处理示意图(钢筋砼灌注桩桩基方案)

3 厂区建筑物地基处理方案

3.1 厂区建筑物工程地质概况

3.1.1 前池工程地质条件

前池位于Ⅳ级阶地第四系上更新统风积(Q3eol)黄土边坡上，地基土自上而下分为三层：

①第四系上更新统风积(Q3eol)黄土，土黄色，干燥，稍密～中密，具孔隙，且孔隙杂乱，土层内含白色物和蜗牛壳。前池建基面以下黄土层厚度约32m，建基面至1186m高程之间为自重湿陷性黄土，建基面以下9m范围湿陷系数多大于0.03，为中等—强烈湿陷，9m～16m湿陷系数多小于0.03，为轻微湿陷，湿陷起始压力100KPa～175KPa，地基承载力90KPa。1186m高程以下为非湿陷性黄土。②第四系上更新统冲积(Q3al)卵砾石，青灰色夹灰白色，干燥，中密～密实，颗粒磨圆度好，中粗砂充填，最大粒径420mm。天然密度平均值2.15g/cm3，天然含水率平均值0.3%，变形模量50MPa。③第三系中～上新统(N1-2)泥岩，桔黄色、灰黄色，弱风化，成块状、厚层状，天然密度2.26g/cm3，含水量13.8%，属极软岩，属微膨胀岩，具崩解性。强风化层1～3m，强风化层允许承载力建议值300kPa，弱风化层允许承载力建议值500kPa，变形模量30MPa。

3.1.2 压力管坡工程地质条件

图3 泄水陡坡基础处理示意图(钢筋砼灌注桩桩基方案)

表1 厂区各建筑物地基处理方案工程投资汇总表

压力管坡由Ⅳ级阶地向河岸低阶地、河漫滩延伸，管坡地基穿越土层岩性变化较大，地质条件复杂。根据其地层岩性、地貌单元的不同，由北向南分别叙述如下：

①第四系上更新统风积黄土层：位于Ⅳ级阶地阶坡上部，土黄色，干燥～稍湿，具孔隙，稍密～中密，下部接近卵砾石层黄土，密实。湿陷性黄土厚度自南向北逐渐变大，阶地斜坡1174m以上为湿陷性黄土，1174m以下为非湿陷性黄土，前池位置1186m以上黄土为湿陷性黄土，1186m以下为非湿陷性黄土，地基承载力建议值90kPa。

②第四系上更新统冲积卵砾石层：位于Ⅳ级阶地中部，青灰色、灰白色，干燥，中密～密实，颗粒磨圆度好，中粗砂充填，最大粒径420mm。天然密度2.15g/cm3，天然含水率0.3%，变形模量35MPa，承载力建议值400kPa。

③第四系全新统坡积含砾粉土层：位于Ⅳ阶地坡脚，土黄色，干燥～稍湿，含卵石，稍密，土质不均，该层由阶地黄土、卵砾石坡积堆积而成，具湿陷性，中～高压缩性。该层承载力70kPa。压力管坡及泄水陡坡均有局部段位于该层中，该层厚度变化大，土质不均，不适宜作为建筑物地基。

④第三系中～上新统(N1-2)泥岩：主要构成阶地基座，压力管坡在穿越Ⅲ级阶地(Q3al)后，地基土岩性均以该层为主，桔黄色，局部结构面具擦痕，天然密度2.26g/cm3，含水率13.8%，属极软岩，自由膨胀率42～57%，为微膨胀岩，表层1～3m为强风化，允许承载力建议值300kPa；3～5m为弱风化岩，允许承载力建议值500kPa；17～38m为微风化岩，允许承载力建议值800kPa，变形模量30MPa。

3.1.3 泄水陡坡工程地质条件

泄水陡坡沿线工程地质条件基本与压力钢管基本一致。

3.2 厂区建筑物不良地质处理方案

3.2.1 制定处理方案的原则

地基处理以消除或减轻湿陷变形并提高地基承载力为基本原则，以处理后的地基承载力满足建筑物基地应力为目标确定处理方案。

3.2.2 前池地基处理方案

前池建基面以下黄土层厚度约32m，16m范围之内为自重湿陷性黄土，16m～32m范围为非湿陷性黄土，建基面天然地基承载力90KPa。依据前池部位基地压力计算，基地压力在120KPa～230KPa之间。根据建基面以下黄土的厚度、湿陷程度，参考湿陷性黄土地基处理的一般经验，对前池地基处理拟定碎石桩+CFG桩的复合地基方案和钢筋砼灌注桩桩基方案。

碎石桩+CFG桩方案属复合地基，其中碎石桩的主要功能是消除湿陷并提高承载力，处理深度范围为湿陷性黄土层，平面为整个建基面；CFG桩的主要目标是在基地压力较大部位对处理过的碎石桩复合地基进行加强，CFG桩桩端穿透整个黄土层至砂砾石地层顶面，平面为基地压力较大的前池闸室和排冰闸闸室。结合黄土特性和地基计算结论，碎石桩采用振冲水冲法，桩径70cm，桩间距2m，处理后复合地基承载力164KPa，CFG桩采用长螺旋孔内泵压CFG桩施工，CFG桩桩径60cm，桩间距3m，处理后复合地基承载力301KPa，处理后的地基承载力满足要求。

钢筋砼灌注桩属桩基础，主要靠桩周摩阻力和桩端端阻力承担前池荷载。结合前池基础以下各地层岩性和计算结果，钢筋砼灌注桩桩径1m，桩距5m，桩基穿透整个黄土层至砂砾石地层顶面，经计算钢筋砼灌注桩总承载力7500t，上部荷载总荷载6358t，满足设计要求。

通过测算，碎石桩+CFG桩处理方案投资505.10万元，钢筋砼灌注桩方案投资598.68万元，两种方案均满足设计要求，基础处理的投资相差不大，但碎石桩+CFG桩方案所需的施工机械种类较多，相互之间的施工干扰较大，施工工艺较为复杂，而钢筋砼灌注桩基方案技术较为成熟，施工工艺较为简单，工程安全性能较高，前池基础处理采用钢筋砼灌注桩桩基方案(见图1)。

3.2.3 压力钢管地基处理方案

依据工程布置方案和工程地质条件，压力钢管桩号管0+019.563～管0+092.364支墩位于黄土层，黄土具湿陷性，地基承载力90KPa，经计算支墩基地压力130KPa。由于地基承载力不满地基地压力要求且黄土具湿陷性，因此需对该管段支墩地基进行处理。地基处理方案拟定碎石桩+CFG桩的复合地基方案和钢筋砼灌注桩桩基两种方案。

碎石桩+CFG桩方案复合地基和钢筋砼灌注桩方案的布桩原则同前池。其中碎石桩具体布置为：对具湿陷性黄土层的管槽进行整体挤密(桩径70cm，桩间距2m)，之后在支墩基地部位增设CFG桩加强，桩端穿透黄土至砂砾石地层顶面，处理后支墩基底的复核地基承载力284KPa。钢筋砼灌注桩布桩范围为黄土段所有支墩，每个支墩3根，桩端穿透黄土至砂砾石地层顶面，灌注桩承载力2725t，支墩荷载(含钢管)1047t。两种方案均满足设计要求。

通过测算，碎石桩+CFG桩处理方案投资108.85万元，钢筋砼灌注桩方案投资120.59万元，考虑到压力钢管地基处理的总头及两种方案投资差值不是很大，但钢筋砼灌注桩安全性能较高，而压力钢管为本电站的重要建筑物且对地基对变形的要求较高，将钢筋砼灌注桩桩基作为压力钢管地基处理的推荐方案(见图2)。

3.2.4 泄水陡坡地基处理方案

依据工程布置方案和工程地质条件，泄水陡坡桩号泄0+000～0+200(长度200m)位于黄土层，具湿陷性，地基承载力90KPa，经计算泄水陡坡排冰闸后消力池段基地压力98.5KPa，泄水陡坡部分段落地基承载力不满地基地压力要求且黄土具湿陷性，湿陷起始压力较小，因此需对该管段泄水陡坡地基进行处理。地基处理方案拟定碎石桩复合地基方案和钢筋砼灌注桩桩基两种方案。

碎石桩和钢筋砼灌注桩方案的布桩原则同前池。其中碎石桩具体布置为：对位于黄土层的陡坡地基进行整体挤密(桩径70cm，桩间距2m)，以消除湿陷并提高地基承载力，处理后碎石桩复合地基承载力160KPa。钢筋砼灌注桩布桩范围为黄土段地层的陡坡基地，间距5m，桩端穿透黄土至砂砾石地层顶面，灌注桩承载力2531t，泄槽荷载2109t(荷载较大的排冰闸后消力池段为代表计算)。两种方案均满足设计要求。

通过测算，碎石桩方案投资161.05万元，钢筋砼灌注桩方案投资198.61万元，考虑到泄水陡坡为本电站工程的主要建筑物，从提高工程安全性，并兼顾其他建筑物选定的处理方案，便于施工和机械调度等方面考虑，将钢筋砼灌注桩方案作为泄水陡坡地基处理的推荐方案(见图3)。

厂区各建筑物地基处理方案工程投资汇总见表1。

4 结语

湿陷性黄土是一种特殊性质的土，其土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加沉陷，强度迅速降低。故在湿陷性黄土场地上进行建设，应根据建筑物的重要性、地基受水浸湿可能性的大小和在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基湿陷对建筑物产生危害。湿陷性黄土地层常用的地基处理方法有土或灰土垫层、土桩或灰土桩、强夯法、重锤夯实法、桩基础、预浸水法等。本工程考虑建筑物重要性及黄土层实际性状并结合经济技术比较，采用钢筋砼灌注桩方案进行地基加固。工程经验有一定的参考价值。

[1]水电站引水渠道及前池设计规范,DL/T5079-2007[S].

[2]闫明礼.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[3]湿陷性黄土地区建筑规范,GB50025-2004[S].

刘婷(1981-),女,新疆哈密人,工程师,从事水利水电专业设计工作,工作单位:新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院一分院。