素土挤密法在均质土坝中的应用

刘瑞杰

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

山西省目前有水库790座，其中近九成为小型水库。这些水库大都建于上世纪五六十年代，远远超出小型水库30到40年的常规使用寿命，坝体多为土坝，受当时施工技术水平和施工机械的限制，坝体填筑质量较差，大部分水库淤积严重，防洪标准不满足现行规范要求，急需进行改造或除险加固。本文主要是针对西梁水库改造过程中旧坝体土均匀性差、干密度偏小、局部存在湿陷性的问题进行分析研究，并提出合理的处理方案。

1 水库基本概况

西梁水库位于黄河流域汾河水系浍河北支上，在翼城县的寨子村西，该水库修建于20世纪60年代，设计灌溉面积667hm2，有效灌溉面积573hm2。现作为山西大水网禹门口提水东扩（一期）工程的调蓄水库，改造后的水库由大坝、溢洪道、输水涵洞组成，总库容377万m3，是一座以防洪、供水、灌溉为主的小（1）型水库。

2 水库存在主要问题

（1）水库防洪标准不满足现行规范要求。

（2）坝体土均匀性差、干密度偏小、局部存在湿陷性。

（3）旧坝体坝坡存在稳定问题。

3 处理方案设计

3.1 坝体地勘情况

为了较全面地探明西梁水库坝体填土的物理力学指标，沿坝体上布置1个纵向、4个横向地质剖面，共布置钻孔4眼、探井6眼，探井深度30～41 m；钻孔深度7.3～13.5 m，对坝体填土进行取样试验。主要试验结果如下：坝体填土为低液限黏土，均匀性差。含水率平均值15.6%；干密度1.29～1.71 g/cm3，平均值1.53 g/cm3；孔隙比平均值0.783；垂直渗透系数平均值1.22×10-5cm/s； 水平渗透系数平均值1.26×10-5cm/s。内摩擦角（φ）平均值17.2°，粘聚力（c） 平均值18.1kPa，有效内摩擦角（ φ′）平均值21.2°，有效粘聚力（c′）平均值15.4 kPa。坝体填土属中～高压缩性土；坝体土均匀性差，坝体经过几十年的沉降，干密度变幅仍较大，平均值只有1.53 g/cm3；从渗透系数指标分析，填土差异性大；在探井深4 m处仍有湿陷，干密度1.42 g/cm3，表层土体质量较差，该土坝不适宜直接加坝，建议对土坝进行处理，重新取土填筑或采用换基、挤密等方法。

3.2 坝体稳定情况

对原坝坡进行抗滑稳定复合计算，计算选用最大坝高断面，计算工况为死水位、正常蓄水位和设计洪水位，计算方法采用简化毕肖普法。计算结果见表1。

表1 原坝坡抗滑稳定计算成果表

计算结果显示原土坝坝坡抗滑稳定安全系数小于规范允许值，坝坡存在稳定问题。

3.2 形成原因分析

根据调查了解，大坝施工时没有严格按技术要求填筑、夯实，施工时未挖除河槽表层覆土，坝体与坝基、岸坡连接处未做结合槽，只将两侧岸坡削成斜坡。坝体填筑土料由河槽两岸就近拉运，土料未进行勘察试验，不满足上坝土料质量要求。填筑方式以分层人工夯打为主，厚度一般为35～40 cm。抽样检查，只要厚度达到要求即可，若局部有问题，再用人工夯打。坝体施工各村轮流作业，没有统一安排，无法保证作业面连续、均衡。基于填筑土料和施工工艺等原因造成坝体填土均匀性差、干密度偏小、局部存在湿陷性，进而造成坝坡稳定存在问题。

3.3 处理方案比选

针对坝体存在的问题，提出先对原有坝体进行处理，再进行加高改造的方案。结合目前比较常用、成熟的处理方法，提出如下几种处理方案：（1）大开挖换土法；（2）强夯法；（3）预浸水法；（4）素土挤密法。

（1）大开挖换土法

将原有坝体填土全部挖除，换填符合要求的填土料，然后按照碾压土石坝回填要求，逐层回填至坝顶。该方案的优点：施工工序较简单，施工方法成熟，施工质量易控制，处理效果好。缺点：如同新建一座大坝，开挖、碾压回填工程量大（开挖量约4万m3，碾压回填约4万m3），工程投资大，同时需要较大的弃土场地。

（2）强夯法

先将原坝体根据施工要求开挖成工作平台，在平台上进行强夯作业。该方案的优点：施工工序较简单，施工方法成熟，施工质量易控制，有效处理深度3～12m满足本工程的要求，处理速度快，处理效果较好；缺点：施工作业点距离寨子村直线距离只有60 m左右，施工对周围村庄房屋等建筑物影响大，需要采取必要的保护措施，施工干扰较大。

（3）预浸水法

预浸水法是对坝体进行大面积浸水，使土体在饱和自重应力作用下，发生湿陷产生压密效果，消除黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷湿陷性。该方法一般适用于湿陷性黄土厚度大、湿陷性强烈的自重湿陷性黄土场地。浸水时场地周围地表下沉开裂，并容易造成“跑水”穿洞，影响建筑物的安全，所以空旷的新建地区较为适用。该方法施工工序简单、投资省、但处理时间较长，对工期影响较大，同时该坝段施工时场地狭小，而且受坝体断面形状影响，合理布置浸水渗坑位置难度较大，处理效果还有待考证，所以该方案在处理时有好多局限性，实施难度大。

（4）素土挤密法

根据施工机械宽度以及工作半径将坝体开挖成几个工作平台，在平台上进行施工作业，利用机械打桩成孔横向挤压加密土层，改善土体物理力学性能，使桩周一定范围内土层受到挤压，扰动和重塑，使桩周土孔隙比减小，土中气体溢出，从而增加土体密实程度，降低土的压缩性，提高土体承载能力，达到处理土体均匀性差、干密度偏小以及局部存在湿陷性的问题。该方案优点：有效处理深度5～15 m满足本工程的要求，施工工序较简单，施工方法成熟且受外界干扰小，质量容易控制，工程费用适中，处理效果有保证。缺点：要达到理想的处理效果，施工前要进行严格的成孔试验确定参数后方能施工。

综上所述从方案的可行性、适用性、经济性、施工难易程度、处理效果等方面进行分析，确定素土挤密桩方案为处理方案。

3.4 方案设计

3.4.1 挤密桩处理范围及施工平台布置

西梁水库最大坝高25m，坝顶宽4m，坝顶长190 m，上游坝坡1∶3，下游坝坡1∶2.5。根据坝体长度、横断面形状结合施工机械宽度、工作半径，确定素土挤密桩处理范围为大坝桩号0-029.8～0+172，全长201.8 m，平面呈梭型。在坝横断面方向开挖布置6个施工平台，分别为坝体上游布置3个平台，平台高度依次为547.5 m，549.1 m，550 m；宽度依次为5.5 m，5.0 m，5.0 m。坝体顶部布置1个平台，宽度19m，高程550.9m。坝体下游布置2个平台，平台高度依次为549.3m，546.5m；宽度依次为5.0 m，6.5 m。具体布置详见图1、图2。

图1 素土挤密桩平台平面布置图

图2 素土挤密桩平台剖面

3.4.2 挤密桩设计

挤密桩呈梅花形布置，排距1.0 m，桩孔间距1.2 m，桩底高程541.50 m，顶高程550.90 m，桩长5～9.4 m，桩径0.4 m。挤密桩填筑材料与筑坝土料相同，要求填土有机质含量不超过5%，同时不得含有杂土、砖瓦和石块，冻土块等，土料粒径不宜大于50 mm。

挤密桩设计要求：桩体平均压实度不小于0.97，桩间土平均挤密系数不小于0.93；最小挤密系数不小于0.88（桩体平均压实度=桩体土平均干密度/桩体土最大干密度；桩间土平均挤密系数=桩间土平均干密度/桩间土最大干密度）。

3.5 设计优化

挤密桩施工前，在坝体上进行成孔挤密试验，纵向、横向各布7根桩，成桩后对桩体和桩间土挤密系数进行检验。试验结果显示：桩体平均压实度大于0.97，满足设计要求；桩间土平均挤密系数小于0.93，不满足设计要求。

设计单位在对坝体原有填土和料场土料物理力学指标进行分析的基础上，并采纳听取施工单位的合理建议，同时根据现场清表、开挖情况和施工机具实际宽度及运行回转半径要求对原有方案进行优化如下：减少桩号0-004～0-029.8和0+147.4～0+172.0两段挤密桩；桩号0-004～0+147.4之间平台标高调整为547.5 m,桩长统一为6 m；挤密桩布置形式不变，排距由1.0 m调整为0.87 m，桩孔间距由1.2 m调整1.0 m，其余不变。桩孔布置见图3。

图3 桩孔布置图

4 施工工艺简述

4.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图4。

图4 施工工艺流程图

4.2 施工方法

1）打桩原则

由内向外，隔行跳打，分四序进行施工。打桩顺序见图5。

2）主要施工顺序

测量放样：确定平面位置，逐个确定每个桩的位置并编号。

桩机就位：桩机就位，调平桩机，设置定位点，保证桩机中心垂直对准桩位。

图5 打桩顺序图

成孔：采用D18重锤式打桩机成孔，冲击法成孔挤密。

桩孔夯填：采用重力式夯填机（锤重0.4 t）夯填，夯击次数不小于8次。均匀向孔内填进，每次填料高度在30 cm，锤击数不少于6次，直至距孔口20 cm为止。

取样检验：对实际填料数量、填入次数、夯击次数做详细的记录。完成后及时取样试验，合格后进行下一桩孔的施工。

5 结果分析

5.1 挤密桩处理结果分析

挤密桩施工完毕后经过施工单位自检合格后，由第三方进行复测，复测方法及结果如下：土工试验采用探井及室内试验，共挖探井63个，井深6 m，每个探井每米在桩体和桩间个取土样1件，做密度和含水量以及压实度试验。详细结果见表2及表3。

表2 各探井桩间土挤密系数平均值、桩体压实度平均值成果表

表3 压实度、含水量干密度成果表

通过上表分析各探井桩间土平均挤密系数介于0.79～0.99，平均0.93，分析各探井桩体平均挤密系数介于0.8～1.0，平均0.97。桩体土的密实效果较好，压实度介于91.8%～97.7%，平均97.3%，满足设计要求。

5.2 坝体稳定分析结果

对原有坝体进行挤密处理并加高后进行坝坡抗滑稳定计算，计算选用最大坝高断面，计算工况为死水位、正常蓄水位、设计洪水位、校核水位和正常水位+地震5种工况分别计算，计算方法采用简化毕肖普法。计算结果见表4：

表4 坝坡抗滑稳定计算成果表

通过计算可知通过挤密处理并加高的坝体各工况坝坡稳定安全系数均满足规范要求，说明坝体经过挤密处理并加高后是安全稳定的。

6 结论

西梁水库坝体通过素土挤密处理后，很好地解决了坝体土均匀性差、干密度偏小、局部存在湿陷性的问题，保证了坝体的填筑质量，节约了工程投资。坝体土从挤密系数、压实度、干密度以及坝坡抗滑稳定安全系数等指标都满足设计和现行规范要求。目前，西梁水库已通过蓄水安全鉴定和下闸蓄水验收，低水位蓄水试运行2年，水库经受了2个汛期的考验，水库大坝安全稳定。素土挤密法是一种常用的、成熟的方法，但在处理坝体填土均匀性差、干密度偏小、局部存在湿陷性方面，目前在我省水库坝体加固中尚属首次应用。施工过程中，施工单位和设计单位密切配合，根据现场情况及时调整设计参数，优化设计方案，达到了预期处理效果同时积累了一定的工程经验，为今后类似工程提供了借鉴。