超深振冲碎石桩加固处理深厚覆盖层围堰堰基应用研究

刘强 卢伟 李晓力 田应辉 杜广进

摘要：金沙江上游拉哇水电站上游围堰高60 m，基础覆盖层深超70 m，围堰地基中有超过50 m厚的堰塞湖相沉积低液限黏土层，覆盖层厚度大、承载力低、抗剪强度低、压缩性高，围堰工程面临沉降变形、边坡不稳定等突出问题。常见的软基处理技术均不能解决该工程所面临的难题。对该围堰工程难点进行了分析，采用超深振冲碎石桩加固处理深厚覆盖层围堰堰基，并进行了质量检测。结果表明：该水电工程应用超深振冲碎石桩技术取得了良好效果。研究成果可为振冲碎石桩工艺在相似地层的应用提供参考。

关键词：超深振冲碎石桩; 深厚覆盖层; 拉哇水电站; 金沙江

中图法分类号：TV553 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.015

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0090 - 06

0 引 言

金沙江上游拉哇水电站上游围堰覆盖层具有厚度大、承载力低、渗透系数低、抗剪强度低、压缩性高等特征，上游围堰与大坝基坑开挖形成的联合边坡高度达130 m，围堰工程面临边坡不稳定、沉降变形等技术难题。采取超深碎石桩加固地基，能够充分发挥碎石桩促进饱和土地基径向排水加速固结、提高复合地基各项力学指标的作用，且在围堰及基坑开挖边坡稳定的基础上，防渗体系通过工程措施处理后能够适应变形，保证围堰在施工及运行期间的安全。超深碎石桩在施工技术上具有可行性。

该工程地质条件复杂、工程规模大、重要性突出、技术难度大、缺乏成熟工程经验、施工制约因素较多，所采用的施工工艺和应对措施对类似工程具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

拉哇水电站位于金沙江上游，属Ⅰ等大（1）型工程;电站枢纽主要由混凝土面板堆石坝、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下厂房等建筑物组成，总装机容量200万kW（2 000 MW），最大坝高239.00 m。

该电站上游围堰设计挡水标准采用全年30 a一遇，洪峰流量6 330 m3/s，堰顶高程2 597.00 m，堰顶长度187.75 m，堰顶宽度15.00 m，最大堰高60 m。

上游围堰采用超深振冲碎石桩进行地基处理，共分两期施工。超深振冲碎石桩施工在填筑的施工平台上进行，施工程序为：① 右岸一期施工平台填筑;② 一期振冲碎石桩施工;③ 右岸一期施工平台拆除;④ 2020年汛期度汛;⑤ 左岸二期施工平台填筑;⑥ 二期振冲碎石桩施工;⑦ 左岸二期施工平台拆除;⑧ 2021年汛期度汛。

一期超深振冲碎石桩施工右岸堰基，由左岸束窄河床过流，施工时间为2020年3月19日至5月17日;二期超深振冲碎石桩施工左岸堰基，由右岸束窄河床过流，施工时间为2020年12月8日至2021年3月21日。共完成振冲碎石桩1 860根，桩长共计51 071.40 m。振冲碎石桩最大单桩深度约70 m。

2 工程地质条件

2.1 水文气象

据巴塘气象站（海拔2 589.10 m）观测资料统计，该地多年平均降水量489.1 mm，最大单日降水量42.3 mm，降水量年内分配极不均匀，5～10月降水量占全年降水量的 94.9%， 11 月至次年4 月降水量仅占 5.1%。多年平均蒸发量为2 037 mm（20 cm蒸发皿），其中5月份的平均蒸发量最大，为 253.5 mm。多年平均氣温12.7 ℃，7月份平均气温19.7 ℃，12月份平均气温4.0 ℃，多年平均最高气温21.6 ℃，多年平均最低气温5.7 ℃，极端最高气温37.9 ℃，极端最低气温-12.8 ℃。多年平均相对湿度47%。多年平均风速1.2 m/s，最大风速 22.0 m/s，坝址区实测最大风速 25.4 m/s，相应风向N。多年平均雷暴日数为70.7 d，大风日数为24.2 d。

2.2 工程地质

由于上游围堰地基处理是在截流前，须在施工前填筑施工平台。上游围堰地基处理施工范围内河床覆盖层最大深度为71.4 m，按物质成分可分为5层和Ⅰ号透镜体，由上至下依次为。

（1） Qal-5层（覆盖层）。为河床冲积砂卵石层夹少量漂石，以卵石夹砂、砾石、漂石为主，卵石、漂石成分为绿片岩、花岗岩等。卵砾石块径一般在5～20 cm之间，少部分漂石达80 cm 左右。厚度1.8～10.8 m。

（2） Ql-3层。以黏土质砂为主，局部为砂质低液限黏土、含细粒土砂及少量的卵砾石，厚度一般为15～25 m。

（3） Ql-2层。以砂质低液限黏土为主，局部为黏土质砂、低液限黏土，最大厚度约为30 m，岩相变化大，组成复杂;灰褐色黏土呈软塑状，局部呈流塑状，失水后具有一定的硬度。该层自上而下可分为Ql-2-③，Ql-2-②，Ql-2-①三个亚层，其中Ql-2-③层以低液限黏土为主，多呈流塑状，厚度4.0～8.5 m;Ql-2-②层以低液限粉土和砂质低液限粉土为主，多呈可塑-软塑状，厚度10～15 m;Ql-2-①层以低液限黏土为主，局部为低液限粉土，多呈可塑-软塑状，厚度15.2 m。

（4） Qal-1层。为河床冲积层，以块石、砂卵石夹砂为主，局部可见碎石土、粉土透镜体，分布在河床底部。该层厚度一般为5.0～15.0 m，局部达到21.6 m（含崩坡积物），主要为河床冲积、崩积及坡积物。坝址区缺失第4层。围堰及大坝基础覆盖层内分布有透镜体。

堰基下游端及基坑边坡上游端发育的Ⅰ号透镜体位于河床靠右岸坡脚处，物质组成为崩石、块石，顺河向长度为325 m、宽度约70 m，最大厚度为32.1 m，分布高程为2 489.500～2 487.000 m。覆盖层下伏基岩地层第1层为[Pa-1txn]，其岩性为角闪片岩、绿泥角闪片岩夹少量的云母石英片岩、石英片岩及大理岩，浅表层岩石主要呈弱风化，厚度一般为10～15 m。

上游围堰工程地质情况见图1，湖相沉积层土体物理学指标见表1～2。

3 围堰工程技术特点

3.1 地质条件复杂

上、下游围堰均修建在深度达71 m且含有约50 m厚堰塞湖相沉积低液限黏土的深厚覆盖层上。围堰填筑后，软弱地基土将形成较高的超孔隙水压力，消散时间长，且围堰堰基沉降变形和水平位移大，边坡稳定性问题突出。

3.2 工程规模大

（1） 上游围堰高度60 m，与基坑开挖形成的联合边坡高度130 m。

（2） 挡水库容2.8亿m3，挡水时间5 a，围堰工程属3级建筑物。

（3） 基坑保护施工对象为面板堆石坝、地下厂房，防洪度汛级别高。

（4） 受白格滑坡残留体的潜在影响，该工程围堰是金沙江上游梯级开发中重要的拦蓄溃堰洪水建筑物。

3.3 控制工程沉降及水平变形技术难度大

在天然地基条件下，上游围堰填筑后覆盖层地基最大沉降量约3.5 m，下游坡脚最大水平位移约3.4 m，边坡稳定性及防渗墙墙体、堰体土工膜变形问题突出。

采取桩基等结构控制以防止地基发生过大沉降及水平变形。但由于覆盖层深厚且性状差，加固处理难度大，防渗墙墙体及堰体表面土工膜对变形的适应性问题突出。

3.4 理论研究存在较多技术难题

（1） 物理力学方面。围堰地基覆盖层在纵向、横向分布不均匀，土层特性差别大。虽经大量试验研究，但因取样及试验误差，仍难以准确获得真实土体的物理力学指标，如渗透系数、固结系数等，其计算取值对结果的影响较为敏感。

（2） 数学本构模型方面。湖相沉积软弱土体本身属于非线性、不连续介质，具有黏弹塑性特征。但现有研究手段仍多采用非线弹性本构模型。如用确定性的求解方法解决不确定性土工问题，其适用性及误差判别缺乏依据。

（3） 土力学边坡稳定性分析方法的适用性。SL 274-2020《碾压式土石坝设计规范》及DL/T 5353-2006《水电水利工程边坡设计规范》对土质边坡推荐采用极限平衡法。但是该工程由于沉降变形及水平变形较大，堰体和土体均可能开裂发生应力迁移，采用极限平衡法计算安全系数及采用有限元应力法计算滑弧稳定安全系数进行稳定判别缺乏依据。

（4） 复合地基及桩土分算的理论体系。① 现有振冲规范DL/T 5214-2016《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》及地基处理有关规范均采用复合地基设计理论[1-2]。该理论根据桩的置换率及桩和桩间土的特性换算成复合地基特性，进而开展变形及稳定计算;缺点是在复合地基的受力模式、变形协调性、综合参数特别是本构模型参数的选取等方面均缺乏一定的判据。② 桩土分算理论将桩、土分开考虑，具有一定合理性;但是桩与土的结合面特性不易模拟，桩体发生水平变形后，受力特征发生变化，计算模型不易处理且计算工程量巨大。

3.5 超深振冲碎石桩地基处理缺乏成熟工程经验

经过大量分析研究和比选，为充分发挥覆盖层土体强度，提出了振冲碎石桩处理方案。中国此成熟技术一般在35 m左右深度，深度达65 m的超深振冲碎石桩尚未有实施案例，施工技术难度高。

3.6 施工工期安排受制约因素较多

工程计划于2021年11月截流，截流后1个枯水期内应完成围堰填筑及防渗体系施工，否则汛期度汛安全问题突出。围堰填筑时间快，时间不足以使软弱地基充分排水固结。为使围堰填筑期不受地基处理施工干扰，地基加固工程还必须在截流前于天然河道上修建平台完成施工。截流前下河施工，安全问题也较为突出。因此，超深振冲碎石桩施工质量为该工程的关键技术要点之一。

4 围堰处理振冲施工方法

4.1 设计技术要求

拉哇水电站上游围堰高60 m，基础覆盖层深度超70 m，堰体库容2.8亿m3，设计使用寿命5 a。

根据前期地质勘探及生产性试验研究，振冲技术指标要求如下。

（1） 振冲碎石桩设计直径1.2 m，渗透系数不小于1×10-2 cm/s，压缩模量不小于50 MPa，固结排水剪内摩擦角标准值不小于40°，单桩承载力不小于 600 kPa。

（2） 碎石桩填料采用具有良好级配的碎石，石料饱和抗压强度大于40 MPa，粒径控制在 20～80 mm之间，20～40 mm 占比約 40%，40～80 mm占比约 60%。

（3） 桩体及相关布置要求为：桩体底部伸入Qal-1层以内0.5 m，上部伸入Qal-5层顶部，中间贯穿堰塞湖相沉积层。

（4） 振冲碎石桩布桩采用梅花型，共分两区布置：SY0-142.500 m～SY0-029.500 m，桩排距及间距为3 m;SY0-029.500 m～SY0-201.500 m，桩排距及间距为2.5 m。

防渗墙下游177 m范围内碎石桩间的排距为3 m，围堰下游堰脚往上游169 m范围内碎石桩间排距为2.5 m。

4.2 超深振冲碎石桩施工

由于施工平台填筑部分位于水下，回填时间较短，碎石土黏性颗粒含量少，导致回填层较松散，极易产生塌孔现象，影响施工效率，并对大型机械设备的安装、使用、拆除有一定的影响。为降低对施工平台填筑部分的不利影响、保证施工效率及施工安全，结合工程地质勘察报告和现场踏勘结果，综合考虑工期、地层适用性、施工作业面等因素，采用了旋挖钻机对施工平台填筑约12 m的深度进行引孔并下设护筒，振冲桩施工工艺流程如图2所示。

振冲碎石桩施工是以起重设备吊起振冲器，利用振冲器的水平振动和高压水或辅以高压空气的共同作用，在地基土层中成孔后，回填石料，经振密形成振冲碎石桩。该施工设备主要由起吊设备、振冲器、电器控制系统、供水设备、填料设备等组成。该工程因施工桩长最深超过60 m，属于超深振冲碎石桩施工。

4.3 振冲碎石桩施工工艺

4.3.1 振冲施工工艺要求

根据相关规范[2-3]，振冲碎石桩施工时的工艺要求如下。

（1） 造孔和清孔。① 施工时振冲器喷水中心与孔径中心偏差不得大于5 cm。② 振冲造孔后，成孔中心与施工图纸定位中心偏差不得大于10 cm。③ 桩顶中心与定位中心偏差不得大于桩孔直径的1/4。④ 振冲器贯入土中时应保持竖直。⑤ 振冲器每贯入1～2 m孔段，应记录一次造孔电流、水压和时间，直至贯入到试验规定的深度。⑥ 完孔后应清孔1～2遍。⑦ 终孔标准：达到设计孔深;达到该孔位临近的地质勘察孔及补充勘察孔资料相关要求;振冲器造孔电流达200 A以上，且持续造孔5 min左右无明显进尺;振冲器造孔穿过湖相沉积层土体后进入底部透镜体或Qal-1层卵石、块石夹砂层0.2 m以上，振冲器导杆抖动明显，振动强烈，持续造孔10 min左右无明显进尺。

（2） 填料和加密。采用强迫填料法填料。加密参数为：① 制桩电压为380 V，波动超过±20 V不得施工;② 加密段长度30～50 cm;③ 留振时间8～10 s;④ 填料量1.4～1.6 m3/m。

4.3.2 振冲碎石桩施工措施

（1） 施工难点。① 覆盖层深厚。该工程需在截流前施工，且施工区域位于金沙江中，必须回填出一个施工平台以进行振冲碎石桩的施工，导致需处理的堰塞湖相沉积层上部覆盖层达15 m左右，且覆盖层中有Qal-5层，即河床冲积砂卵石层的存在，振冲器极难穿透该层，施工难度大。② 处理厚度大。需处理的堰塞湖相沉积层厚度达到50 m，为中国目前振冲碎石桩工艺处理的最大厚度。③ 造孔深度大。中国振冲碎石桩施工水平在35 m范围内，而本项目针对围堰地基堰塞湖相沉积低液限黏土层进行振冲处理，超出现行业水平，是当前世界上最深的振冲碎石桩工程。

（2） 针对措施。① 选用大功率、大振幅的振冲设备。由于覆盖层存在砂卵石层，一般振冲器难以穿透，因此选用了功率为220 kW、振幅为28 mm的BJV220型振冲器。② 加强生产管理，聘请了从事过多个振冲施工项目、具有丰富施工经验和技术的管理人员进行现场生产管理。同时，聘请了设置项目主管和技术主管，配备包含技术、设备、施工、项目管理等专业的专家团队。 ③ 采用了大吨位的300 t及320 t履带式起重机作为起吊设备。组装了世界最深振冲施工设备，总长73 m，总重约20 t。由于设备自重大，遇到硬层时利于造孔，对振冲加密效果好，也明显提高了工作效率。

（3） 施工方法。① 造孔：振冲器运行正常后，下放振冲器至施工平台开始造孔， 将振冲器徐徐贯入土中，直至终孔深度。过程中将造孔水压控制在0.3～0.8 MPa，振冲器贯入速率不超过2 m/min，振冲器下沉过程中的电流值不超过电机的额定值。② 终孔：根据4.2.2振冲施工工艺要求，达到终孔标准的设计孔深即终孔。③ 清孔：造孔时返出泥浆稠或孔中有狭窄或缩孔地段时应进行清孔。清孔时将振冲器提出孔口或在需要扩孔地段上下反复提拉振冲器，使孔口返出的泥浆变稀，保证振冲孔顺直通畅以利于填料沉落，此时振冲器电流基本为空载电流值。④ 填料加密：采用强迫填料制桩工艺。在地基软土层中成孔后，回填性能稳定的硬质粗颗粒材料，依靠振冲器的自重和水平振动力等向下挤压并振密形成密实的碎石桩体;制桩时连续施工，加密从孔底开始，加密段长度不得超过0.5 m，逐段向上，中间不得漏振。加密电流和留振时间应符合设计要求。加密为自下而上，直至加密施工至设计要求的桩顶标高。加密电压为380 V，波动不得超过±20 V。

5 超深振冲碎石桩施工技术应用经验总结

5.1 加固处理堰塞湖相沉积低液限黏土层优势显著

采用超深振冲碎石桩加固处理50 m厚堰塞湖相沉积低液限黏土层，与强夯法、沉管砂石桩法、深层搅拌法等地基处理技术相比有明显的优势。因振冲器位于施工设备的底部，其加固土层的动能不因施工深度的变化而变化，即振冲器的激振力在土层的任何深度部位均相同，因此该法加固原土层后形成的复合地基均匀性好，加固处理深厚覆盖层软土有其得天独厚的优势，应用前景广阔。

5.2 加固处理堰塞湖相沉积低液限黏土层效果明显

超深振冲碎石桩加固处理堰塞湖相沉积黏土层是在振冲器水平振动和高压水或辅以高压空气的共同作用下，在地基软土层中成孔后，回填性能稳定的硬质粗颗粒材料，经振冲器自重向下挤压和经水平振动振密形成增强体（振冲碎石桩），增强体和周围地基土形成复合地基。

振沖碎石桩复合地基与原地基相比，其承载力高、压缩性小，能够减少地基的沉降量和差异沉降量，提高土体的抗剪强度，且复合地基中的碎石桩桩体有应力集中和砂井排水双重作用。

5.3 注意事项

在超深振冲碎石桩处理地基时，对于深厚覆盖层，因其土层物理力学性质变化大，地质条件复杂，必须采用大功率振冲器方可穿透复杂的土层达到一定的深度;此外，由于碎石桩深度大，起吊设备要求高，安全施工要求严格。

6 质量检测

施工完成后，采用重型动力触探、跨孔CT、现场渗透试验检测[4]，所得结果如下。

（1） 由重型动力触探检测成果可知，振冲碎石桩整体质量较好，所检振冲碎石桩的桩身在修正后平均重型动力触探击数均大于15击，满足设计要求，各桩各测段的平均修正击数均满足设计要求，合格率100%。

（2） 由渗透试验成果可知，各测点的渗透系数均满足不小于1×10-2 cm/s的设计要求，合格率100%。所测渗透系数最小值为1.55×10-2 cm/s，最大值为8.74×10-2 cm/s，表明振冲碎石桩透水性良好。

（3） 跨孔CT测试是通过获取地层不同点位的纵波波速来反映地层分布情况。在该项目中，通过跨孔CT获取相邻两根碎石桩钻孔之间剖面的纵波波速分布情况，以定性反映桩体对地层的加固效果。从测试成果可知，所检测的各桩在桩体范围内波速均较高，表明桩体填充良好，密实度较好。波速自两侧桩体向内逐渐降低，说明碎石桩对桩周土有一定的挤密作用。

7 結 论

本文介绍了超深振冲碎石桩首次应用在处理厚度达到50 m的堰塞湖相沉积层中。根据振冲碎石桩施工过程和检测结果，该工程满足了振冲碎石桩设计直径1.2 m、渗透系数不小于 1×10-2 cm/s、压缩模量不小于 50 MPa、固结排水剪内摩擦角标准值不小于 40°、单桩承载力不小于600 kPa的要求，取得了令人满意的效果。同时，该工程实践表明，超深振冲碎石桩施工必须采用大功率或超大功率振冲器施工，才能满足设计要求。该研究为振冲碎石桩工艺在相似地层的应用提供了宝贵的经验。

参考文献：

[1] JGJ 79-2012 建筑地基处理技术规范[S].

[2] DL/T 5214-2016 水电水利工程振冲法地基处理技术规范[S].

[3] 地基处理手册编写委员会. 地基处理手册[M]. 3版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[4] JGJ 340-2015 建筑地基检测技术规范[S].

（编辑：高小雲）

Research on application of ultra-deep vibro-replacement stone column for strengthening and treating deep overburden cofferdam foundation

LIU Qiang1， LU Wei2， LI Xiaoli2，TIAN Yinghui1，DU Guangjin1

（1. Rawa Branch， Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co. Ltd.， Batang， 627650， Chna; 2. China Power

Construction Vibroflot Construction Engineering Co. Ltd.， Beijing 100102， China）

Abstract： The upstream cofferdam of the Lawah Hydropower Station is 60 m high， and the foundation overburden is more than 70 m deep. There is a low liquid limit clay layer deposited by the Landslide dammed lacustrine deposit in the cofferdam foundation， which is more than 50 m thick. The overburden layer has the characteristics of large thickness， low bearing capacity， low shear strength and high compressibility. The cofferdam has the problems of land subsidence， deformation and slope instability. Common soft foundation treatment techniques can not solve the technical problems in the Lawah project. The problems of this foundation project are analyzed. The deep overburden cofferdam foundation was reinforced by the ultra-deep vibro-replacement stone column， and the quality was tested. The results show that the ultra-deep vibro-replacement stone column in Lawah Hydropower Project achieved good results. This research results can be a reference for application of vibro-replacement stone column in similar layers.

Key words： ultra-deep vibro-replacement stone column;deep overburden; Lawah Hydropower Station; Jinsha River