水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密加固探讨

刘 阳

(江西省水利水电开发有限公司，南昌 330000)

1 工程概况

某水电站工程采用直接衔接上游BG水电站的尾水，在电站下游设置反调节池对两级电站进行发电反调的布置方案，主要建筑物包括引水调节池、泄水建筑物、发电引水系统、水电站厂房等建筑物。引水隧洞布置在BG水电站尾水箱涵的末端，轴线与尾水箱涵轴线垂直，闸前正常水深为2625.759m。引水闸设置2孔，每孔宽4.8 m，底板高程2623.197m，顶高程2628.50m，闸后接长12m的矩形明渠与引水调节池相接。节制退水闸位于BG水电站厂房尾水渠上，与引水闸相邻布置，2孔，每孔宽4.8m，后接渐变段由矩形断面渐变为梯形断面与河道连接。

由于引水调节池位于BG水电站尾水渠某河左岸河漫潭上，在引水调节池右侧回填出顶面平均宽度为3m的护坡，坡度为1:2，外边坡采用现浇混凝土板衬砌，厚度为500mm。水电站坝址所在区呈现出明显的亚热带季风气候水文特征，降雨量充沛，但由于日照充足，蒸发强烈及季节性原因，降雨量年内年际分配极不均衡。水电站引水隧洞大坝建成时间早，运行数十年后，目前大坝高程已经难以满足防洪要求，上游坝坡无防护，坝体和坝基所可能接触的部位均存在不同程度的漏水问题，涵管的漏水也越来越严重，工程运行过程中安全隐患十分突出，大坝工程综合整治迫在眉睫。

2 大坝坝坡振冲加密加固施工

2.1 施工设备的选用

结合水电站引水隧洞大坝坝坡地质条件，选用TR75型振冲器，自下而上由振动段、导管和上端段构成[1]，其中振动段的长度初步设计为3m，直径初拟定为400mm，且为圆柱形状管段，内中设置液压电极、驱动偏心块和隔振器，为减小磨损、提升钻进速率，振冲器最底端为尖锥形设计，上端则通过隔振器使之与导管以弹性方式相接；导管主要为钢管，导管长度常常根据贯入深度予以确定，导管设计必须充分考虑到振冲施工可能导致的管段断裂；上端段位于振冲器顶部，由液压软管和进水管构成，还发挥着连接振冲器与吊车钢丝绳的作用，具体构造详见图1。除振冲器外，水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密施工还需要装载机、水泵、履带吊车、液压钻、储水罐、定位仪、钻机等设备。

水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密加固施工工艺，采用的是双头振冲挤密技术，先将一对振冲器固定在钢梁位置，而且振冲器的间距能根据坝坡振冲挤密加固实际要求进行调整，吊机启动后起吊钢梁并带动固定于钢梁的振冲器，从而确保振冲器充分发生水平振动并产生共振效应，进而在水和气体等介质的综合作用下，使砂土充分液化，随后，土层颗粒重新组合固结成块，在振动效应和气流作用下大颗粒土块下沉，微分颗粒上升，从而使地层中泥质成分被逐渐排除，再借助共振和排泥效应消除液化，实现大坝坝坡地基土的挤密加固[2]。

2.2 振冲造孔

采用成片模式进行振冲孔孔位的同步放样，并按照后退法的工法进行振冲造孔施工，在造孔前必须按工程设计要求调整好两台振冲器的间距，并同时启用履带式吊机将振冲器起吊至孔位，随后开启水泵至设计水压，待振冲器下段端口喷水口开始喷水时将其启动，与此同时启动空压机。在具体的振冲造孔过程中必须使用履带式吊机将振冲器按照1.0-2.0m/min的速度缓慢而匀速贯入砂土，并确保振冲器喷水水压保持在400-600KPa，水量≥20m3/h。为保证振冲效果，在振冲器贯入砂土的同时，还必须保证其始终处于悬垂直立的状态，每贯进单位米砂土都务必进行1次实时电流、水压和气压观测值的书面记录并由操作人员和相关负责人签字，待造孔完毕，还必须沿悬垂贯入方向上下提升数次振冲器，确保最终振冲造孔的贯通与通畅。

振冲造孔过程中孔壁的稳定性达不到设计要求必将引起坍塌，对于过大的填砂孔隙用振冲器振密实后期加密点处也将出现坍塌漏斗，经测量，水电站引水隧洞大坝坝坡振冲造孔孔壁沉陷量最大达加密土层厚度的8.0%，为保证坝坡加固质量，应考虑在加密过程中掺加砂土并确保振后坝坡坡面恢复至原施工平台高程。

2.3 挤密加固

从孔底开始按自下而上的次序逐段对水电站引水隧洞大坝坝坡进行挤密加固处理，单位段长必须控制在25-50cm才能保证挤密加固效果，对于振冲孔孔口3-5m以内的范围必须挤密加固至少2遍。为保证挤密加实效果，还应加强对留振时间和加密电流的观测与控制，对于50cm的加密段留振时间≥60s，对留振时间的控制通过自动警铃系统实现，具体而言，水电站引水隧洞大坝坝坡挤密加固水压为0.01-0.20MPa，挤密加固电流为45-55A，辅助气压为0.6-0.8MPa。

2.4 表层土处理

振冲加密加固施工技术本身的局限导致上部若无重压情况下，对于面层2-3m范围振冲器无法达到所设计的振冲加密加固密实度要求，水电站引水隧洞大坝坝坡加固中通过采用井点排水方法，将面层2-3m以内的地下水排出，再通过16t自行振动碾压的方法碾压至少20遍的处理方法，有效提升面层2-3m以内砂土的密实度。

3 质量检测

3.1 取样密度检测

水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密加固施工后效果检测的土样密度和取样深度情况详见表1，由表中实测密度指标数据表明，振冲加密加固后碎石桩密度显著增加，加密电流与碎石土密度呈正向变动关系[3]，碎石桩密度>2.0 g/cm3，则桩间土密度>1.85 g/cm3。本工程大坝坝坡碎石土密度不同于天然极配，所以检测结果也并不是桩间距越小则密度越大，或者加密电流越高则密度越大的情况。但是可以肯定的是，当加密电流达到100A且桩间距分别为2.0m和2.25m，振冲加密加固后干密度均>1.89 g/cm3，达到设计要求。

3.2 桩体重型圆锥动力触探检测

桩体重型圆锥动力触探检测主要采用的是自动落锤锤击检测法，自桩顶面标高位置处持续匀速贯入，每贯入10cm必须对所对应的锤击数进行记录，直至桩底，并参考《岩土工程勘察设计规范》(DGJ08-37-2012)对重型动力进行触探，重型圆锥动力触探锤击数N63.5的记录数如果连续三次及以上都>50击时，试样过程应当立即停止，并根据检验数据进行桩体承载力判断。水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密加固桩体重型圆锥动力触探检测结果详见表2。由表中结果可知，本工程桩体连续完整且密实度高，桩体承载力特征值均大于设计值200.5 KPa。

表1 大坝坝坡振冲加密后实测密度指标

表2 水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密加固桩体重型圆锥动力触探检测结果

N63.5为桩体重型圆锥动力触探检测锤击记录数；N63.5′为修正后的桩体重型圆锥动力触探检测锤击记录数。

3.3 标准贯入检测

先用贯入器持续匀速贯入大坝坝坡土层13cm，稍作1-3s停顿后后再持续匀速贯入，每贯入10cm的深度则必须对所对应的锤击数进行记录，标准贯入击数通过贯入达30cm的锤击数表示，达标准贯入击数后取出标贯器并将其替换成提砂器进行取砂，取砂则是从1.0m深度开始，起初的20cm不做记录，待连续匀速贯入40cm后直接记录累计锤击数，如此循环往复直至4.5m深度。贯入土层深度、锤击均值、标准值、桩间土承载力特征值及坝坡土层压缩模量等的具体成果见表3。

表3 水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密加固标准贯入检测结果

由表3可知，水电站引水隧洞大坝坝坡振冲加密加固桩间土密实度和强度均有明显提高，桩间土地基承载力特征值和坝坡土层压缩模量均大于设计值200.5 KPa和16.5MPa。

4 结 论

工程振冲加密加固施工及质量检验结果表明，该技术对于大坝坝坡地基处理较为适用，加固效果良好。通过振冲器的振冲作用达到大坝坝坡饱和砂层液化的目的，从而引起砂砾石的重新排列与组合，孔隙不断减少，结构不断优化，最终达到较好的振冲挤密加固作用。水电站引水隧洞大坝坝坡碎石土层振冲挤密加固施工在大坝正常蓄水情况下未经大量施工开挖而顺利完成，比碾压法等传统的病险堤坝加固技术更加安全、简便、高效、经济，应当在大坝坝坡快速加固方面推广应用。