玉林桥水电站拦河闸坝闸基振冲碎石桩处理研究
2020-05-18
(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，四川 郫县，611731)
1 工程概况
玉林桥水电站工程位于峨边县境内，闸坝位于大渡河右岸Ⅰ级支流官料河下游干河沟一带，厂址位于官料河河口右岸。正常蓄水位为638.0m，最大坝高19.6m，水库总库容143.9万m3，设计水头76.68m，总装机容量51MW，主要建筑物有闸坝、引水隧洞、调压室、压力管道、发电厂房等。该工程于2004年4月开工兴建，2008年6月开始运行发电，目前各项基础设施及机器设备运行良好。
本工程大坝基础置于覆盖层上，为了增加拦河闸坝闸基的地基承载力，保证工程安全，对覆盖层中分布的砂壤土层进行振冲碎石桩处理。
2 闸坝区工程地质条件
2.1 地形地貌
闸坝区河流流向N53°E～S85°E，山顶高程1200m～1400m，河床高程626.0m～628.0m，相对高差575m～760m，属低山地貌。河床纵坡比降3.8%，河床宽21.0m～35.5m，两岸山势陡峻，坡角40°～75°，为“V”型谷。地貌上表现为构造剥蚀和剥蚀堆积地貌。
2.2 地层岩性
基岩为震旦系上统灯影组(Zbd)之白云岩夹白云质灰岩；第四系地层有河流冲积层、崩坡积层和崩积人工堆积层。其岩性特征详见表1。
表1闸坝区地层特征一览
2.3 水文地质条件
区内地下水按埋藏条件分为孔隙潜水和基岩裂隙水，受地表水和大气降水补给，向下游或官料河排泄。
2.4 河床覆盖层分布及力学特征
2.4.1 工程地质特征
闸坝区河床覆盖层为第四系全新统河流冲积层，厚20.0m～25.5m，具多层结构特征，从上至下依次为：漂卵砾石夹砂，厚0.67m～5.37m；砂壤土厚4.04m～10.55m，从上游至下游逐渐变薄；块碎石厚1.70m～10.69m，从上游至下游逐渐变厚；卵砾石夹砂，厚4.22m～6.40m。漂卵砾石主要成分为变质岩及火成岩，磨圆度中等，球度及分选性较差。块碎石成分为白云岩，为近岸崩塌堆积而成。
据超重型动力触探资料：漂卵砾石夹砂N120=4.3～12.0击/10cm，平均值为5.75击/10cm，属稍密～中密结构，允许承载力为0.3MPa～0.4MPa；块碎石N120=4.27～6.9击/10cm，属稍密，局部架空，允许承载力为0.2MPa～0.3MPa；卵砾石夹砂N120=5.7～8.8击/10cm，属中密，允许承载力为0.4MPa～0.5MPa。据标准贯入试验资料：砂壤土N63.5=5.25～6.28击/30cm，平均值为5.6击/30cm，允许承载力为0.1MPa。
2.4.2 物理力学特性
根据坑探及钻孔对砂壤土取样试验，其物理力学特性见表2。
表2砂壤土试验成果汇总
2.4.3 砂壤土地震液化评价
本区地震基本烈度为Ⅶ度，根据液化土的判别标准，对坝区砂壤土地震液化评价见表3。
表3砂壤土地震液化对比评价
从上表看出，坝区砂壤土层在Ⅶ度地震作用下存在部分液化的可能。
综上所述，上部漂卵砾石夹砂结构多为稍密，不宜直接作为闸坝地基；砂壤土承载力低，变形大，且存在地震液化问题，不能直接作为地基持力层；块碎石局部有架空结构，不均匀变形及渗漏与渗透变形较大，不宜直接作地基持力层；底部的卵砾石夹砂结构多为中密，可作为闸基持力层。如以覆盖层作为闸坝地基，地质建议采取可靠的抗压缩变形、防渗和砂土液化的工程处理措施，提高地基承载能力和抗渗性能。
根据覆盖层地质条件，设计采取振冲碎石桩的加固措施，孔径φ1m，间排距2m，梅花型布置。在上部漂卵砾石层上，清除大块径1m以上的块石，通过振冲加固，漂卵砾石层不存在变形的问题，提高砂壤土层的密度及承载力，减少变形，消除在地震条件下液化的可能。
3 施工方案
振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对重要的或场地地层复杂的工程，在正式施工前应通过试验确定其处理效果，由于玉林桥水电站拦河闸基为覆盖层地基，在进行施工前须进行振冲试验，以确定较好的施工参数和处理效果。
3.1 孔位布置
在冲砂闸场地内选择砂壤土埋深较厚地段布置三排振冲桩，按边长1.5m等边三角形梅花型布置。
3.2 试验参数选择
表4制桩试验参数
3.3 制桩工艺
单桩工艺流程：①定位孔试机→②振冲造孔→③清孔→④加料振密→⑤终孔位移。振冲施工按下列步骤进行：
(1)清理平整施工场地，布置桩位；
(2)施工机具就位，使振冲器对准桩位，开水开电，检查水压、电压和振冲器的空载电流是否正常；
(3)启动供水泵和振冲器，将振冲器按1m/min～2m/min的速度徐徐下沉，下沉时电流值不能超过电机的额定值。造孔速度为0.5m/min～2.0m/min，直至达到设计孔深。在开孔过程中，要记录振冲器各深度的电流值和时间；
(4)造孔后提升振冲器直至孔口，再放至孔底，重复两三次扩大孔径并使孔内泥浆变稀，开始填料制桩；
(5)边振动边下料，根据少吃多餐的原则，用装载机辅以人工填料，每次加料0.5m3后进行振密，由于填料的不断挤入，孔壁土的约束力逐渐增大，一旦约束力与振冲器产生的振力相等，桩径则不再扩大，便达到了密实电流。当电流达到规定的密实电流时和规定的留振时间后，将振冲器提升30cm～50cm；
(6)重复以上步骤，自下而上逐渐制作桩体直至孔口，记录各段深度的填料量、最终电流值和留振时间，并均应符合设计规定；
(7)关闭振冲器和水泵。
4 质量检测
在施工结束后，采用载荷试验和动力触探试验检测加固后复合地基承载力值及加固效果。该工程现场检测载荷试验3点，动探试验检测45点，检测点平面位置示意见图1。
图1 载荷试验示意
4.1 载荷试验
本次试验采用模拟建筑物地基竖向受压的实际工作条件的试验方法—慢速维持荷载法进行。
4.1.1 加载装置
碎石桩采用正三角形布置，桩距1.5m，单桩承担的加固面积1.95m2，故采用面积为2.0m2的方形刚性压板。试验采用2000kN液压千斤顶加载。荷载大小用0.4级精密度压力表量测，千斤顶反力通过反力梁用堆载来平衡。
4.1.2 沉降量测装置
沉降位移用百分表进行量测，在压板的两个正交方向，对称压板中心安置4只百分表，百分表通过磁性表座固定在基准梁上，基准梁一端固定，另一端自由。4只百分表测的沉降量的平均值即为压板中心的沉降量。
4.1.3 试验方法
(1)加荷载等级划分：加载分8级、卸载共分4级进行，具体的加载等级详见试验成果汇总表(表5、表6、表7)。
(2)沉降观测：每加一级荷载，按10min、10min、10min、15min、15min读记压板沉降1次，以后按每30min读记一次。
(3)沉降相对稳定标准：当1h内沉降量小于0.1mm时，认为该级已经达到相对稳定，可进行下一级加载。
(4)终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载：
①沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；
②承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6%；
③当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。
(5)卸载级数：可为加载级数的一半，等量进行，每卸一级，间隔半小时，读记回弹量，待卸完全后间隔3h读记总回弹量。
表5静载点ZH1(127#桩)试验结果汇总
表6静载点ZH2(53#桩)试验结果汇总
表7静载点ZH3(274#桩)试验結果汇总
4.2 动力触探试验
本次检测采用超重型动力触探，按《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)有关要求进行试验。根据所测桩体或桩间土密实度，结合载荷试验成果，水平向进行比较，综合评价该场地复合地基的承载力及均匀性。
5 试验结果分析
5.1 载荷试验
加载等级及载荷试验成果汇总见表5-表7。通过绘制P-S曲线(图2、图3、图4)，根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002)，按照相对变形值确定复合地基承载力特征值。对于场内各点，压板下主要以砂土为主，取s/b=0.010，即s=14mm所对应的荷载为该点地基承载力特征值。
由于各点沉降均较小，按照相对变形值所得承载力均大于施加荷载的一半，故取所施加荷载的一半为其承载力特征值。所得复合地基承载力特征值详见载荷试验分析成果汇总表(表8)。
图2 静载点ZH1试验P-S曲线
图3 静载点ZH2试验P-S曲线
图4 静载点ZH3试验P-S曲线
5.2 动力触探试验
本次检测采用超重型动力触探，全场共检测45点，其中振冲桩23点，桩间土22点。试验成果表明，桩间土均有不同程度的挤密效果，振冲桩体较密实，在处理深度范围内没有软弱夹层，整个场地均匀性较好。
6 结语
本次载荷试验检测的振冲桩复合地基承载力特征值均不低于289kPa，桩间土均有不同程度的挤密效果，振冲桩体较密实，在处理深度范围内没有软弱夹层，整个场地均匀性较好，满足设计要求。根据业主四川明达集团峨边电能有限责任公司编制的《玉林桥水电站工程竣工安全鉴定运行自检报告》中大坝运行情况部分结论，该电站运行12年情况表明，左岸非溢流坝、泄洪冲砂闸、右岸非溢流坝均运行良好，无变形、位移和渗漏情况。
振冲碎石桩法处理软土地基不仅效果好、速度快，而且节省工程造价、适用性广。随着施工工艺的日益成熟，振冲碎石桩将会在更多的工程建设中得到应用。
