振冲法加固处理拦沙坝软基技术分析

■ 太原理工大学 贾涛

北京振冲工程股份有限公司 肖普

1.工程概述

河北丰宁抽水蓄能电站是世界最大的抽水蓄能电站，地处河北省承德市丰宁满族自治县境内，规划装机容量3600MW，安装有12台单机容量300MW 的单级混流可逆式水泵水轮机组，在京津唐电网系统中承担调峰、调频、调相和事故备用任务。工程建设规模为大（1）型，工程等级为一等，下水库拦沙坝建筑物级别为1级。

抽水蓄能电站拦沙坝为复合土工膜心墙堆石坝，最大坝高23.5m，坝顶长度548.0m，坝顶宽度8.0m。

2.地质条件

丰宁抽水蓄能电站下水库拦沙坝距丰宁水电站拦河坝约3.2km，河谷宽度250m～ 450m.河床表层为粉土质砂，土质不均，存在液化、震陷的可能和不均匀沉降问题。据可研勘察资料显示，当地河床高程一般为1037m～1045m，库水位在1048m～1050m之间。表层粉土质砂厚度一般小于3m。下伏砂卵砾石层厚约21m～24m，基岩为灰窑子沟单元细粒花岗岩，两岸弱风化深度45m～70m，河床部位为45m～60m 左右。

近年来，在丰宁抽水蓄能电站下水库上游约80km 处的西山湾水库，以取水为主，下放生态流量较少，致使滦河河水流量明显下降，再加上多丰铁路施工，导致丰宁水电站上游生态环境破坏严重，植被明显减少，且上游流域内表层覆盖层多为马兰期风积湿陷性黄土，抗冲刷能力弱，很容易随降雨及洪水流入河道内，从而使河流泥沙携带量加大，在库尾形成淤积。现今河床高程已淤积到1045m～1048m，表层淤泥质粉土现淤积厚度一般6m～13m，与2007年相比，淤积厚度增加3m～10m。

坝址区河床表层的淤泥质土厚度为4m～8m，下伏砂卵砾石层厚约21m～24m，基岩为灰窑子沟单元细粒花岗岩。淤泥质土主要以粉砂、粉粒为主，含有少量粘粒和胶粒；天然密度为1.56g/cm3～1.97g/cm3，塑性指数为9.2～33.2，数值变化较大。淤泥质土力学性质较差、土质不均匀，存在地震液化问题，地基承载力为80kPa，作为拦沙坝坝基无法满足大坝稳定性、承载力及抗震等要求。（表1）

3.设计方案的确定及设计要求

依据场地的工程地质条件，根据《水工建筑物抗震设计规范》DL5073-2000等国家及行业标准和规范，经过比较、分析、计算及论证等，确定采用振冲法加固处理拦沙坝软基，目的是提高拦沙坝坝基淤泥质土的抗剪强度指标及抗变形能力，防止该层土发生地震液化。

表1 拦排沙系统土层物理力学指标建议值

坝坡稳定计算采用刚体极限平衡法，堆石料抗剪强度采用非线性指标。由于坝基处为淤泥质土，因此先计算坝体与坝基分界面的滑动，以确定振冲桩处理范围，然后在坝基经过振冲桩处理后计算坝体沿堆石体浅层的滑动。计算采用条块间作用力的简化毕肖普法（Simplified Bishop），其最小安全系数与相应滑动面采用最优化方法获得。计算程序采用中国水利水电科学研究院编制的土质边坡稳定分析“STAB-2008”。振冲复合地基设计首先根据坝基不处理情况下的滑弧位置确定基础处理范围，然后根据基础处理后的参数进行稳定计算。

根据相关国家及行业标准和规范，经计算和验证，振冲法加固处理后复合地基要求：

（1）复合地基的承载力特征值大于250kPa；

（2）复合地基土体的等效内摩擦角大于30°，等效粘聚力大于7.25kPa；

（3）复合地基具有抗地震液化能力。

根据以上设计要求及相关国家及行业标准和规范，振冲复合地基设计参数为：

（1）振冲碎石桩直径为1.2m，间、排距为1.5m，等腰三角形布置，深入砂卵砾石层1m；

（2）振冲碎石桩填料粒径范围20～120，级配满足设计要求的包络线；

（3）拦沙坝振冲碎石施工范围为：上游至坝上0+074.7m,下游至坝下0+074.7m,左右两侧至淤泥质粉土与基岩交界处；

（4）施工主要设备采用75kW 振冲器。

4.振冲碎石桩施工

（1）施工依据：

①《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》DL/T 5214-2016；

②《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012；

③《岩土工程勘察规范》GB50021-2001（2009年版）；

④《丰宁抽水蓄能电站拦沙坝坝基淤泥质土处理振冲碎石桩试验技术要求》；

⑤丰宁抽水蓄能电站拦沙坝振冲碎石桩布置图；

⑥《丰宁抽水蓄能电站招标设计阶段拦沙坝补充勘察报告》；

⑦相关设计图纸及施工技术资料。

（2）施工工艺：施工工艺流程见图1。

图1 振冲桩施工工序示意图

（3）施工参数：

工程施工采用BJ-75型振冲器，施工参数包括：

制桩电压为380V（波动不超过±20V）；

加密电流90A；

留振时间10s；

造孔水压0.4MPa ～0.6MPa，加密水压0.3MPa ～ 0.5MPa；

加密段长度30cm ～50cm。

（4）施工中出现的问题及解决措施：

由于施工场地比较宽阔，施工区域地质条件复杂，多个区域存在不同程度的硬夹层，左右岸的大部分区域深度在6m ～12m 之间，中间导流明渠区域深度为3m ～11m，都存在不同厚度的中粗砂及卵砾石层，孔口返砂明显。

为保证工程质量，遇到硬夹层时，通过多次上提、下放振冲器，适当加大水压等措施，使振冲器逐渐冲过硬层，从而避免出现达到终孔条件的假象，以保证桩体的有效处理深度。

5.振冲碎石桩复合地基检测

丰宁抽水蓄能工程下水库拦沙坝振冲桩复合地基质量检测工作由中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司承担，检测内容包括桩间土标准贯入试验、桩间土室内土工试验、桩体密实度的重型（超重型）动力触探试验、复合地基静载荷试验、现场桩体材料室内剪切试验等。

根据相关规程、规范及招标文件的要求，振冲桩复合地基检测工作量如表2所示。

丰宁抽水蓄能电站拦沙坝振冲桩复合地基检测结论：

（1）根据标准贯入试验锤击数测定桩间土的密实度，其中桩6317、21888、6562、8548、21658桩间土的密实程度为中密；桩7982、8038、22682、22440、24150桩间土的砂土密实度为密实。

（2）桩体的动力触探试验的密实度检测符合标书的密实度判断标准，桩体密实。

（3）振冲桩试验检测桩复合地基承载力特征值满足不小于250kPa 的设计要求。

（4）密度为1.89g/cm3的振冲桩桩体的粘聚力为197.53kPa，内摩擦角为40.15°；密度为1.96g/ccm3的振冲桩桩体的粘聚力为210.27kPa，内摩擦角为40.79°；密度为2.08g/cm3的振冲桩桩体的粘聚力为207.62kPa，内摩擦角为41.33°。

（5）根据工程试验经验，复合土体等效内摩擦角大于30°，复合土体等效粘聚力大于7.25kPa。

6.振冲碎石桩复合地基评价

（1）由于工程场地地质条件复杂，振冲碎石桩桩径差异较大，在淤泥质土层中桩径达1.2m ～1.4m。

（2）经中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司检验测试中心检测,出具的《河北丰宁抽水蓄能电站振冲碎石桩复合地基质量检测报告》显示：丰宁抽水蓄能电站振冲桩工程施工质量全部满足设计要求的各项技术指标。

（3）根据《水电水利基本建设工程单元工程质量等级评定标准》第一部分土建工程，在施工结束后监理工程师对该工程进行了验收和评定，工程质量达到优良标准。

表2 复合地基检测工作量