胶凝砂砾石在拦河引水枢纽工程基础处理中的应用

崔忠 新疆水利水电勘测设计研究院

1.工程概况

新疆EH输水工程首部拦河枢纽由泄洪闸、溢流堰、引水闸等主要建筑物组成。首部拦河枢纽工程规模为大（2）型工程，建筑物级别为2级。拦河引水枢纽洪水标准按50年一遇设计，相应洪峰流量为1750m/s；200年一遇校核，相应洪峰流量为3077m/s。闸址处天然多年平均悬移质输沙量为330.6×10t，多年平均悬移质输沙率为104.8kg/s，多年平均悬移质含沙量为0.994kg/m，多年平均推移质输沙量为33.06×10t，多年平均总输沙量为363.6×10t。

1.1 工程布置

拦河引水枢纽布置在相对顺直泄洪闸布置在河床左侧，桩号为：坝0+000.0m～坝0+069.0m，泄洪闸闸室长度为19.0m，设有一道工作门和两道检修门，共布置6孔，其中边孔泄洪闸闸室净宽度为4.0m，设置有胸墙为潜孔泄洪闸，其余5孔闸室净宽为10.0m，不设胸墙为开敞式泄洪闸。泄洪闸边墙厚1.5m，中墩厚2.0m，闸室总宽度为69.0m。闸顶高程651.0m，底板高程638.0m，底板厚2.0m。闸室结构采用C35、F300、W8钢筋混凝土。

溢流堰段布置于泄洪闸右侧河床，桩号为：坝0+069.00m～坝0+144.00m，堰顶总宽75.0m，溢流堰为无闸门控制溢流堰，堰顶高程为644.1m。堰型采用WES实用堰，堰前部采用三段圆弧连接，溢流堰最大堰高8.1m，上游面铅直，下游面坡比为1：1.0。顺水流方向长度19.0m，溢流堰总长度75m，垂直水流方向每15m设置一道结构缝。溢流堰结构采用C35、F300、W8混凝土。

引水闸布置在左岸，泄洪闸上游约40m处，其轴线与泄洪闸轴线交角为90°，底板高程为640.00m，比泄洪闸底板高程高2.0m。引水闸设计引水流量40.0m/s。引水闸由拦污栅、检修门和工作门组成。拦污栅孔数为3孔，每孔净宽5.0m，闸底板高程640.00m，闸顶高程为651.00m，拦污栅闸室宽21.0m，长度18.0m。拦污栅闸室和工作门闸室由长24.0m的渐变段相连，宽度由18.0m渐变到7.9m。工作门及检修门孔数为1孔，净宽7.9m，长度18.0m，闸底板高程640.00m，闸顶高程为651.00m。引水闸闸室结构采用C35、F300、W8钢筋混凝土。引水枢纽体布置见图1。

图1 拦河引水枢纽布置图

1.2 工程地质

左岸坡地形下部坡度约为40°,上部地形成缓坡，该段基岩裸露，岩性为上石炭统变质砂岩，产状为315°N E ∠75°。强风化层厚2.5～3.5m，岩体裂隙较发育，弱风化层厚3～4 m，微风化～新鲜岩石坚硬、完整。河床宽约115 m，为现代河床，上部覆盖层厚6.5～13.5m，岩性为第四系全新统冲积砂卵砾石层。但原始地层已完全被淘金者扰动，均被分离成相对较集中的卵砾石和粉细砂堆积体，在平面和垂直深度上长度及厚度不等，其中：卵砾石被堆积在一起形成较厚的架空层，粉细砂被堆积在一起形成较厚的流沙层,易形成不均匀沉降。右岸地形坡度变化较大，下部较缓，坡度约为33°，上部较陡，坡度约为71°，该段基岩裸露，岩性为上石炭统变质砂岩，产状为315°NE∠75°。强风化层厚2.5～3.5m，弱风化层厚3～4m，微风化～新鲜岩石坚硬、完整。

根据布置在闸址上下游附近的河床、河漫滩探坑开挖刻槽取样试验表明：粒径＞150m含量占8.08%，粒径5～150m含量占60.05%，粒径＜5mm含量占30.87%，砂砾石层渗透系数1.0×10～2.7×10cm/s,砂砾石层变形模量E0=30MPa，粉细砂层变形模量E0=10MPa。

拦河闸基础建议清除上部松散冲积砂卵砾石架空层及含砾中粗砂、粉细砂层，基础置于基岩强风化层下部，工程地质条件满足要求。

2.拦河引水枢纽基础处理方案

拦河引水枢纽基础为第四系全新统冲积含土砂卵砾石层，基础开挖后还存在厚度0～7.0m的砂卵砾石层。基础原始地层已被淘金者扰动，存在级配不均的情况，如果不对基础进行处理，运行期间可能会发生不均匀沉降，影响建筑物安全运行。鉴于工程的重要性，需对拦河引水枢纽砂砾石基础进行处理，初拟两种基础处理方案。方案一砂砾石换填方案、方案二胶凝砂砾石换填方案。

2.1 砂砾石换填方案

泄洪闸基础开挖后还存在厚度0～7.0m的砂卵砾石层，将泄洪闸基础范围内已受扰动的砂卵砾石层全部挖除，进行换填处理。泄洪闸闸室基础采用砂砾石进行基础换填，闸室基础下面设置一道防渗墙，防渗墙厚度为0.6m，防渗墙基础深入岩石0.5m，防渗墙采用C35混凝土。溢流堰基础开挖后还存在厚度0～7.0m的砂卵砾石层，将溢流堰基础范围内已受扰动的砂卵砾石层全部挖除，溢流堰基础采用砂砾石进行基础换填，溢流堰上游设置一道防渗墙，防渗墙厚度为0.6m，防渗墙基础深入岩石0.5m，防渗墙采用C30混凝土，防渗墙通过一连接板与溢流堰相连。防渗墙上游设施置40m长的混凝土铺盖，铺盖与防渗墙相连。砂砾石换填方案见图2。

图2 砂砾石换填方案结构图

2.2 胶凝砂砾石换填方案

泄洪闸基础开挖后还存在厚度0～7.0m的砂卵砾石层，将泄洪闸基础范围内已受扰动的砂卵砾石层全部挖除，进行换填处理。泄洪闸闸室基础采用胶凝砂砾石换填。溢流堰基础开挖后还存在厚度0～7.0m的砂卵砾石层，将溢流堰基础范围内已受扰动的砂卵砾石层全部挖除，溢流堰基础采用胶凝砂砾石换填。砂砾石换填方案见图3。

图3 胶凝砂砾石换填方案结构图

2.3 方案比选

胶凝砂砾石换填方案把拦河枢纽基础全部拦截，不会发生渗透破坏。工程安全运行的角度考虑采用胶凝砂砾石换填方案优于砂砾石换填方案。

砂砾石换填方案基础开挖完成后，混凝土防渗墙的浇筑和砂砾石填筑施工相互干扰。混凝土防渗墙施工如质量控制不好，容易出现安全隐患。胶凝砂砾石换填不存在施工干扰，施工质量容易控制。工程施工的角度考虑采用胶凝砂砾石换填方案要优于砂砾石换填方案。

3.胶凝砂砾石换填

胶凝砂砾石是一种由砂砾料和胶凝材料组成的集合体，使用少量的胶凝材料在工程现场不筛分、不水洗的砂砾石料，通过拌和、摊铺、振动碾压后形成具备一定强度、抗剪性能抗渗性能的新型材料。

3.1 胶凝砂砾石骨料品质要求

砂砾石料的品质要求，砂砾石母岩抗压强度高，表观密度不小于2450kg/m，砂砾石质地坚硬，在保障搅拌工艺和碾压技术的标准的前提下，进一步确立砂砾料的最大粒径；一般状态下，最大粒径不宜超过150mm。砂砾石的含水率应相对稳定，拌和时其中砂子的含水率不宜大于6%。砂砾料中的含泥量不超过5%，并要避免发生泥块较为集中的现象。砂砾石级配料，粒径小于5mm的砂含量宜在18%～35%，粒径为5～40mm的含量宜为35%～65%。

3.2 基础处理胶凝砂砾石料源

基础处理胶凝砂砾石料源来自基础开挖的砂砾料。泄洪闸闸室及溢流堰基础以下砂砾石层厚度0～7.0m，河床原始地层已完全被淘金者扰动，被分离成相对较集中的卵砾石和粉细砂堆积体，在平面和垂直深度上长度及厚度不等，其中：卵砾石被堆积在一起形成较厚的架空层，粉细砂被堆积在一起形成较厚的流沙层，易形成不均匀沉降。河床砂砾料粒径＞150m含量占8.08%，粒径5～150m含量占60.05%，粒径＜5mm含量占30.87%，砂砾石层渗透系数1.0×10～2.7×10cm/s。原始河床砂砾石开挖后，剔除粒径大于150mm的石块后满足要求，参入一定量的水泥后进行拌和后形成胶凝砂砾石，再进行回填形成新的基础。胶凝材料掺量不宜低于80kg/m，水泥熟料用量不低于40kg/m。

3.3 胶凝砂砾石的施工流程

胶凝砂砾石的施工方法和碾压混凝土的施工方法相类似，但胶凝砂砾石施工更为简单快速。胶凝砂砾石的骨料可充分利用施工现场附近的开挖弃料、河床砂砾料等，一般不做筛分，只需剔除超径颗粒即可；水泥和用水量少，水化热较低，不需进行温度控制，所形成的大体积结构也无需设置变形伸缩缝。胶凝砂砾石的施工工艺大为简化，完全采用常规的、高效的施工设备开展施工。基础处理胶凝砂砾石施工流程见图4。

图4 基础处理胶凝砂砾石施工流程图

4.结语

胶凝砂砾石水化热小，形成的大体积混凝土结构收缩小，具有较强抗裂能力和防渗性能好，胶凝砂砾石常用于围堰工程和小型土石坝工程。新疆EH输水工程首部拦河枢纽基础为第四系全新统冲积砂卵砾石层，原始地层已完全被淘金者扰动。其扰动后的基础承载力不满足要求，通过基础处理方案比选确定采用胶凝砂砾石换填。成功的运用胶凝砂砾石对拦河引水枢纽的基础进行处理，拓展了胶凝砂砾石的应用，实践证明胶凝砂砾石适宜于水工建筑物的基础。