抛石挤淤加固技术在土石坝加固中的应用

迟翔天

(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110166)



抛石挤淤加固技术在土石坝加固中的应用

迟翔天

(辽宁润中供水有限责任公司,辽宁 沈阳 110166)

坝前流塑性淤泥的处理是小型水库加固施工中的重要工程技术难题。为了寻求一种便捷、经济的清淤方式，本文以米仓沟水库加固工程为研究对象，对土石坝挤淤加固技术进行了深入探讨和研究。结论显示抛石挤淤施工技术可以节省工程费用、缩短工期，具有显著的经济效益和社会效益，具有一定的推广应用价值。

大坝加固；土石坝；抛石挤淤

1 工程概况

米仓沟水库是辽宁省本溪市的一座小(2)型水库，水库坝址位于桓仁满族自治县雅河乡米仓沟村境内的雅河支流上。水库控制流域面积9.7 km2，总库容80万m3。米仓沟水库是一座以灌溉为主，兼顾养殖的综合性水利工程。水库大坝为土石坝，最大坝高8.0 m，坝长274.0 m，坝顶宽4.2 m[1]。

米仓沟水库流域属于温带大陆性季风气候，四季分明，温差变化大，坝区最高气温35.6 ℃，最低气温-43.2 ℃。多年平均降水量879 mm，受气候特征影响，降水量的年际和月际变化大，在6—9月的汛期容易出现强降雨，并引发短时洪水。

米仓沟水库为典型的河道型水库，河谷为U型，河谷周围为太古宙变质岩构成的剥蚀丘陵。其中，河谷右岸为陡立的岩壁，左岸为缓坡。岩性主要以灰岩为主，下部夹杂有砂岩，第四纪全新冲积地层主要为砂质粗砂或中砂，主要分布于河床中。

米仓沟水库建设标准本来不高，又经历多年运行已经处于病险状态，并被列入辽宁省病险水库加固工程涵盖范围。加固设计的主要内容包括：坝顶加宽和防浪墙翻修、上游砂壳翻压、坝脚抛石压重、黏土斜墙防渗以及上游护坡翻修。加固工程等级为五等，建筑物级别为5级，加固工程完工后水库防洪能力可提高到20 a一遇。

按常规施工方式，在进行坝脚抛石压重前需要对坝前淤积层进行清理，以保障压重体的整体稳定。但是该水库的坝前淤积层是水库建成后多年运行的产物，不仅含水量高，还含有大量的细黏粒，基本处于流塑状态。无论是人工清淤还是机械清淤，不仅难度大、投入高，还会延长施工工期[2]。如果不能按计划在汛前完成加固工程施工，会直接影响水库的安全度汛。为解决这一技术性问题，决定在施工中采用“抛石挤淤”技术。

2 抛石挤淤加固技术的理论计算与工程设计

2.1 水库淤积情况的实测分析

水库经过长期运行，在大坝的壅水作用下，坝址上游的水深和过流断面不断增大，而流速则不断降低，最终造成库区的泥沙淤积。由于细土粒相对不易沉积，会随水流一直运行到坝前，因此，坝前的淤积物主要是细土粒和悬移质[3]。资料显示，米仓沟水库坝前500 m处的淤积层厚度约为1～2 m，d50的粒径约为0.005 mm。为了进一步掌握坝前淤积物的物理力学特征，在坝脚前40 m处提取了水下淤泥试样，并进行了土工试验，其主要物理力学指标如表1所示。

表1 淤积层主要物理力学指标

2.2 抛石挤淤技术的相关计算

抛石挤淤技术的原理是利用抛石压重体的重力作用将坝前淤泥挤出工程范围之外，以达到清淤和压重的双重作用。对米仓沟水库坝前处于饱和、流塑状态的淤泥而言，因为其抗剪强度非常低，一旦发生塑性变形，就会产生很大的沉降量，抛石压重体就会直接穿透淤泥层下沉，从而导致滑动的土体被直接挤出[4]。因此，对于这种淤泥，应该将局部发生剪切破坏时的荷载视为临塑荷载。对抛石挤淤工程而言，需要对抛石挤淤所需要的最小荷载进行计算确定，并由此获得抛石压重体的最小高度。

本工程中的抛石挤淤施工采用的是进占式施工方式，也就是在预定高程修筑能够满足交通要求的施工平台，然后沿与坝轴线垂直的方向进行抛石作业，受施工方式和施工环境的影响，坝前的淤泥只能向库区流动。在具体计算过程中，淤泥塑流的最大深度主要由两部分组成，一部分是坝前淤泥层的原有深度，这需要前期勘测获得[5]。根据勘测数据，米仓沟水库坝前淤泥层的最大厚度为3.75 m。二是抛石压重体前淤泥的最大隆起高度Zl，其计算公式如下：

(1)

式(1)中:Zl为抛石压重体前淤泥的最大隆起高度，m；c为淤泥土黏聚力，kPa；φ为淤泥土内摩擦角，度；γ为淤泥土浮容重，kN/m3。

淤泥的最大深度为：

(2)

式(2)中：Zmax为淤泥最大深度，m；Ζy为淤泥原有深度，m。

在Zmax深度内淤泥全部发生塑流时，所需要的最小荷载Pmin可以通过如下公式计算[6]：

(3)

式(3)中各变量的意义同上。

根据上述公式计算获得的最小荷载以及抛石体的浮容重γs，就可以计算出抛石体的高度H，计算公式如下：

(4)

根据上节的实测计算结果，米仓沟水库坝前淤积层的物理力学指标的平均值为：浮容重γ=5.2 kN/m3，黏聚力c=3.0 kPa，内摩擦角为2°，淤泥层的最大厚度为Ζy=3.75 m。

由公式(1)可以计算出淤泥的最大隆起高度：

(5)

最大淤泥高度为：

(6)

进一步利用公式(3)可以计算出抛石压重体的最小荷载值为：

=13.36 kPa

(7)

根据相关经验，水下抛石的石材浮容重取10 kN/m3，由公式(4)计算获得最小抛石高度为：

(8)

2.3 抛石压重体的设计

2.3.1 设计需要考虑的因素

(1)安全储备。考虑到坝前淤泥的复杂状况，同时压重体的力学参数也存在一定误差，在上述计算的基础上还需要对压重体最小荷载预留一定的安全储备，以保证挤淤的可靠性，提高施工质量。

(2)施工条件。根据计算结果，压重体的最小高度为1.34 m，远小于坝前淤泥的实测厚度。因此，按照这一高度设计压重体，抛石体必将淹没于淤泥层中。为了施工方便，同时保证挤淤效果，压重体的最小高度一般不得小于淤泥层的最大厚度。根据计算，米仓沟水库坝前淤泥的隆起高度为1.9 m，根据前期勘测，坝前淤泥顶面的高程为158.69 m。因此，设计确定压重顶平台的高程为161.0 m即可满足相关施工要求。

(3)压重范围。抛石压重体的设计不仅要满足上述条件，还必须向库内延伸足够的范围，以保证坝基的抗地震液化加固需求[7]。利用现场波速测试法，计算分析认为下游坝脚深度6 m内和上游坝坡深度8 m内在7度的地震烈度下存在沙土液化的可能。通过进一步的动、静力分析计算，大坝抛石压重体需要向库内延伸至少16.2 m。

2.3.2 抛石压重体断面的优化设计

TANG Shi-jie, LIU An-wei, MA Chong, XU Wei-dong, SUN Ying-hao, XU Chuan-liang

根据以上原则进行抛石压重体的断面设计，不仅可以实现清淤和压重的双重目的，还能满足坝基的抗震稳定性要求。但是该设计也需要进行进一步优化，使其与其他工程有机结合，发挥更

大的经济和工程效益[8]。例如，水库大坝在地震烈度为7度时存在震动液化的风险，因此在方案比选过程中需要统一考虑坝基和坝体的加固措施，最终确定对坝体实施砂壳翻压加固措施，翻压加固设计的底部高程为163.5 m，抛石压重体的顶高程为164.0 m，两者可以实现0.5 m厚的搭接。此外，将溢洪道拓宽开挖和大坝护坡翻修工程中产生的块石作为抛石压重的原材料，不仅解决了就地取材，还解决了弃渣占地问题，具有显著的经济效益。通过优化设计，米仓沟水库抛石压重体最终确定采用如图1所示的复式断面。

图1 抛石压重体断面示意图

3 抛石挤淤加固的施工试验与实施

3.1 抛石挤淤施工试验

为了进一步验证抛石挤淤理论计算的合理性和实际工程效果，在正式施工前在大坝桩号1+100～1+140之间的坝段进行了施工试验。

试验方法为：在大坝上游距离坝脚0.5 m和3.5 m处设置垂直插入淤泥层、间距0.2 m的两排钢管。通过试验施工过程中测量钢管处淤泥层高度的变化，对施工效果进行间接判断。试验记录如表2所示。

表2 抛石挤淤施工试验部分数据 m

从表2中数据可以看出，试验段淤泥层隆起明显。再利用钢管测试显示，大部分石块已经沉降至淤泥层底部，虽然有部分石块仍悬浮于淤泥层中，但是距离底部的距离也不超过0.3 m。鉴于淤泥层为流变体，其变形仍会随着时间而发展，因此，随着压重量的不断增加，这些石块最终会沉降至淤泥层底部，所以工程设计完全满足要求。

按照前期勘测资料，试验区的平均力学指标为：浮容重γ=5.2kN/m3，黏聚力c=1.9 kPa，内摩擦角为1.6°，按公式(1)计算获得淤泥层隆起最大高度为1.2 m。虽然施工试验中的最大隆起高度为1.03 m，但是考虑到表2中给出的是挤淤施工10 d后的测试值，这一误差是合理的。因此，抛石挤淤理论计算是科学、合理的。

3.2 抛石挤淤的实施

2013年10月在整个坝段实施了抛石挤淤施工作业，抛石压重体宽度为32～36 m，厚度为6～8 m。在工程实施后的2个月内对压重体平台进行了沉降观测，结果显示平均沉降量为4.9 cm，处于自身压实沉降范围。监测结果说明抛石压重体底部淤泥挤出比较彻底，工程效果良好。

4 结 语

在抛石挤淤加固工程完工后，米仓沟水库已经蓄水运行3年，并且经历了较大洪水的考验。工程实践进一步证明抛石挤淤技术十分成功。此外，与传统的清淤加固施工方式相比，不仅节省近50万元的施工费用，还缩短了2个月工期，获得了良好的经济社会效益，具有极大的推广应用价值。当然，该工程技术的具体应用还需要进一步研究，使其逐步摆脱设计与施工依靠现有工程经验的问题，进一步促进抛石挤淤法的发展。

[1] 孙科研,王鹤伟.米仓沟水库除险加固设计方案优化分析[J].黑龙江水利科技,2016(3):49-51.

[2] 侯奔,张继强.抛石挤淤法在胶东调水工程中的应用[J].山东水利,2013(S1):20-22.

[3] 黄东海.抛石挤淤技术在软土地基围堤工程中的应用[J].水运工程,2012(12):126-129，143.

[4] 姜景山.深厚软基抛石挤淤加固机理数值模拟研究[J].长江科学院院报,2013(2):41-46.

[5] 张永涛,唐炫,杨钊.抛石挤淤法的有效挤淤深度[J].土木工程与管理学报,2012(3):77-80.

[6] 闫澍旺,陈静,孙立强,等.抛石挤淤深度的计算方法和模型试验[J].岩土力学,2015(S1):43-48.

[7] 梁其东,韩淑婷,张鑫.沿海滩涂地区供水管道软基处理方法[J].水利建设与管理,2014(9):11-14，18.

[8] 胡盛明,万燎榕,唐春,等.上犹县城区堤防工程地质问题及防治对策[J].水电能源科学,2013(12):171-173，201.

迟翔天(1990-)，男，助理工程师，主要从事水利工程施工管理工作。

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