真空联合堆载预压法在寒区筑坝工程中的应用

占鑫杰，杨守华，朱群峰，米占宽，赵士文，于仲离，滕 昊

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.南京水科院瑞迪科技集团有限公司，江苏 南京 210029； 3.中国水利水电第一工程局有限公司基础工程分局，辽宁 大连 116041)

排水固结法是利用天然地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体，通过预先在地基表面进行加载预压或利用建（构）筑物自身重量使土体中孔隙水逐渐排出，土体逐渐固结，强度逐步提高的方法。排水固结法包括真空预压法、堆载预压法和真空联合堆载预压法。真空联合堆载预压法虽然造价比堆载预压法稍高，但具有工期短、加固效果明显等优势，广泛应用于软土地区公路、机场、码头等工程中[1-3]。塑料排水板作为竖向排水体的一种，已被普遍采用，根据不同地质条件采用的打设工艺也趋于多样化。

然而对于一些上覆硬土层、下卧深厚淤泥质软土层的复杂场地，常规的真空预压地基处理方法面临以下问题[3-9]：（1）普通插板机无法穿透上覆硬土层，排水板打设困难；（2）如何在复杂地质条件下将真空压力传递到深层并保证下卧软土层的加固效果。王征亮等[4]针对上覆硬壳层、下卧深厚软土地基的复杂场地，选取代表性场地作为试验区采用浅层引孔结合开挖换填的真空预压地基处理方案，取得了良好的加固效果；丁晓峰[5]针对湛江港宝满集装箱码头一期工程因部分区域硬土层较厚，普通液压履带式插板机无法正常打板的问题，提出先引孔再打设排水板来处理硬土层较厚地基的方法；孙洪春等[6-9]根据港珠澳大桥岛隧工程东人工岛软基处理中塑料排水板施插深度大、施工深度内含有硬夹层的工程特点，采用改进后的静压式和振动锤式插排机，实现了复杂地质条件下超深塑料排水板打设施工。当被加固的软土地基表层含有高渗透性土层时，如果采用真空预压进行加固，对高渗透性土层的侧向密封处理十分重要。对于浅层的高渗透性土层，可采用开挖换填的方法进行处理，也可将密封膜深埋穿过透气土层，达到密封的目的。对于埋藏较深的高渗透性土层，常用的处理方法是打设黏土密封墙。黏土密封墙的施工质量、控制指标对保证膜下真空度达到设计值起决定作用[10]。梁爱华等[11-12]对典型工程的黏土密封墙施工进行分析，提出了黏土密封墙的主要施工质量控制参数；任燚等[13-14]结合天津地区超软地基冬季施工的难题，初步总结了低温、大风对砂垫层、排水板打设、滤管和密封膜施工的影响，提出了相应的处理方法。

中国北方某蓄水调蓄工程由挡水土坝、排水泵站及排水沟等建筑物组成。挡水土坝折线型布置，坝长8 035 m，最大坝高17.1 m，拟建场地地基主要为淤泥质黏土，具有含水率高、压缩性大、强度低、排水固结性能差等特点，淤泥地基表面上覆2～5 m 的壤土和砂壤土层。设计采用无砂垫层真空联合堆载预压方案，但中国北方寒冷地区缺少真空联合堆载预压施工经验和参考案例。工程面临以下难题：（1）坝基淤泥质黏土层上覆2～5 m 的硬土层，传统插板工艺的施工效率和地层适应性仍不确定；（2）坝基表面的砂壤土层透水性大，场地的侧向密封措施对保证膜下真空度至关重要；（3）坝体填筑荷载大，填筑施工过程中密封膜存在破损风险；（4）真空预压施工需要越冬，本区域冬季气温低至−30 ℃，工程区域最大冻深为2 m，冻结力可能会破坏饱水的塑料排水板、滤管和密封膜进而影响后续真空排水效果。因此，坝基需采取可靠的防冻措施，为此选取试验段对以上问题进行论证。本文首先介绍真空联合堆载预压试验段的设计方案，在此基础上分别开展塑料排水板插板工艺试验、密封墙成墙试验、密封膜保护试验、坝基防冻试验，为后续大面积施工提供技术支撑。

1 工程地质条件

坝址区地层主要由第四系全新统人工堆积的壤土，第四系全新统湖沼堆积的壤土、砂壤土、淤泥质黏土、灰壤土，第四系上更新统顾乡屯组冲积堆积的黄土状黏土、黄土状壤土，第四系中更新统冲湖积堆积的黏土、壤土组成。场地地基土（图1）从上至下依次为：壤土层（2-1）、砂壤土层（2-2）、淤泥质黏土层（软塑）（2-3）、淤泥质黏土层（2-4）、黏土层（4-1）。工程区内地下水类型为第四系黏土层上层滞水，勘察期间地下水位埋深2.0～8.1 m，高程120.40～134.30 m，接受大气降水补给，以蒸发形式排泄，受气候变化影响较大。

图1 软土地基沿程分布示意Fig.1 Schematic diagram of distribution of soft soil foundation

根据地质勘察结果，在坝段桩号3+220～6+552 段有淤泥质黏土层（2-3 层和2-4 层），其中软基段A2 区到A9 区，地基的沿程分布如图1 所示。坝基主要土层的物理力学性质如表1 所示。

表1 坝基土层的物理力学性质指标Tab.1 Physical and mechanical properties of dam foundation

2 真空联合堆载预压试验段设计方案

在大坝桩号3+820～3+920 处进行真空联合堆载预压现场试验，试验段真空预压范围长100 m，宽82.05 m。试验段（桩号3+820～3+920）的平面图见图2。泥浆搅拌墙形成封闭的矩形区域，以保证真空预压区的密闭性。

图2 真空联合堆载试验段平面布置（单位：cm）Fig.2 Layout of vacuum combined surcharge test section (unit: cm)

真空预压设计方案包括塑料排水板设计、竖向密封系统设计、水平密封系统设计、水平排水系统设计及抽真空等。塑料排水板采用整体式塑料排水板，为国内生产的100-C 型塑料排水板，宽100 mm，厚4.5 mm。排水板间距为1 m×1 m，正方形布置，插入深度至黏土层（4-1 层）内1 m。淤泥质黏土层（2-3 层）上方存在砂壤土层，属于透水层，采用泥浆搅拌墙进行密闭处理。泥浆搅拌墙采用双头搅拌桩机进行施工，直径0.7 m（包括搭接部分0.2 m），总厚为1.2 m，搅拌墙插入淤泥质黏土层1.5 m，渗透系数需小于1×10−6cm/s。在地基表面依次铺设编织布、无纺土工布、密封膜3 层、无纺土工布、复合土工膜和编织布。排水系统包括主管和支管，真空支管采用内径25 mm 的PVC 钢丝软管，真空主管及真空连接段采用内径50 mm 的PVC 钢丝软管。抽真空系统采用大功率的水环式真空泵（功率为55 kW），经检查无漏气后，将膜下真空压力提高到80 kPa。

膜下真空度达到设计值后，在编织布上方分层填筑黏土。填土需满足坝体填筑料密实度要求，紧邻编织布的素填土填筑时需保证不破坏下卧密封膜和复合土工膜等密封系统。堆载速率根据现场地基监测情况进行动态调整。

3 试验段方案

由于本工程地处寒区，地质条件复杂，同时工程区域缺少真空联合堆载筑坝的施工经验和参考案例。针对本工程特点，试验段包括以下内容：（1）复杂地质条件塑料排水板插板工艺试验；（2）密封墙成墙试验；（3）密封膜保护试验；（4）在冬季开展坝基的防冻试验。

3.1 复杂地质条件插板工艺试验

本工程地基表面为硬土层（2-1 壤土层、2-2 砂壤土层），总厚度为2～5 m。由于这两层土的强度较高，普通的插板工艺无法穿透硬土层。国内的工程案例中，对于上覆有硬层软土场地的加固，在排水板插板施工中可能需要进行引孔。为验证地基处理施工方案的可行性，在试验段开展插板工艺试验，选定的两种插板工艺是振动插板和引孔+振动插板。试验过程中记录插管和提管速度（排水板是用特制的管子插入土体，打设排水板后会将这根特制的管子提起），对比两种施工工艺的质量和效率，评定不同插板工艺对本工程地层的适应性。

3.2 密封墙成墙试验

本工程地基表面的2-1 层壤土和2-2 层砂壤土渗透性较高（表1），属于透水透气层。若场地周围的密封措施不佳，将严重影响真空加固效果，本工程设计采用黏土密封墙进行侧向密封。考虑到项目建设区域缺少泥浆搅拌墙的施工经验，为进一步保证墙体质量，拟在试验段开展真空预压密封墙试验。试验内容包括室内泥浆墙配合比试验，确定泥浆墙材料的配合比，试打工艺桩及成墙检测。

选取工程场址附近的黏性土和膨润土作为2-1 壤土层和2-2 砂壤土层的掺和料，开展配合比试验，5 组试验掺入配合比分别为：30%黏土、35%黏土、40%黏土、20%黏土+5%膨润土和20%黏土+10%膨润土（黏土和膨润土的掺入配合比为黏土和膨润土与原地基土样的质量之比）。测试混合试样的渗透系数，根据渗透系数小于1×10−6cm/s 的要求，确定合理的配合比。

泥浆搅拌墙工艺桩试打之前，沿密封墙区域每50 m 布置1 个探摸孔，探摸至淤泥质黏土层以下1.5 m；施工采用步履爬行式搅拌桩机，采用四喷四搅方式施工，下搅速度1.2 m/min，上搅速度0.8 m/min，泥浆相对体积质量为1.3，施工过程中严格控制泥浆质量及掺入比。成桩7 天后，在泥浆墙试验区钻孔取样检测黏粒含量和渗透系数，检测位置位于泥浆墙不同深度，且需包含泥浆墙最底端的试样。

3.3 密封膜保护试验

本工程坝体填筑最大高度为17.1 m，如直接在密封膜表面填筑坝体，在施工过程中密封膜存在撕裂风险，进而导致真空泄漏。《真空预压加固软土地基技术规程》（JTS 147-2—2009）规定：采用真空联合堆载预压时，密封膜上下均应设置保护层。为防止密封膜被填筑层刺破，在密封膜表面铺设1 层无纺土工布和编织布，然后在编织布表面填筑过渡层。为有效保护密封膜，拟在试验段开展密封膜保护试验：（1）挖沟埋设安装水平真空管，埋设深度不小于5 cm，确保在填土荷载作用下形成的拱效应能起到保护水平真空管的作用；（2）用中粗砂填平并密实塑料排水板插板后形成的坑，防止真空预压过程中密封膜发生不均匀变形而撕裂；（3）密封膜上铺设80 cm 的素填土过渡层作为坝基的一部分。该层素填土压实度过低会降低坝体稳定性或增大坝体沉降，而压实度过高又会对密封膜和真空管造成损坏。所以，素填土施工采用人工结合轻型机械进行铺摊，然后用非振动压实机械碾压，碾压后强度指标和压缩模量按不小于现状坝基2-1 层壤土的指标予以控制。

3.4 冬季坝基的防冻试验

根据本工程的真空预压工期和施工进度，真空联合堆载预压区需要越冬。工程区域冬季气温低至−30 ℃，最大冻深为2 m，冬歇期前坝体填土厚度为4～5 m，坝基上部和迎水侧防冻距离有可靠保证，但坝体背水侧坡脚处的水平防冻距离不足，在低温条件下冻结力可能会破坏饱水的塑料排水板、排水管和密封膜进而影响后续真空排水效果。为此采取如下防冻措施：在冬季温度达到−4 ℃时，关闭水环式真空泵停止抽真空，并将水气分离罐和排水主管埋入土坝坡脚的地层中，土坝背水侧坡脚两侧设置2 m 厚度的防冻层。冬季对坝基温度进行同步监测。冬歇期后，待气温回升，重新启动水环式真空泵抽真空。

4 试验段结果及分析

4.1 插板工艺试验

插板工艺试验对比结果表明：履带式振动插板工艺能有效穿透上覆硬土层，打设1 根塑料排水板的时间为3～5 min，其插管速度和提管速度满足施工要求，每台插板机组每天插板4 000～5 000 m，满足工程进度要求。质量检验结果表明，打设后塑料排水板的板距、垂直度、板长、跟带长度符合规范要求。

引孔+振动插板工艺的施工效率远低于振动插板工艺，因此在后续施工中采用振动插板工艺。通过试验段插板工艺试验，验证了振动插板工艺在本场地的适应性，后续可大面积施工塑料排水板。

4.2 密封墙成墙试验结果

2-2 砂壤土层中不同配比方案的渗透系数测试结果见表2。根据表2 可知，采用20%黏土+10%膨润土拌和后，泥浆墙的渗透系数降至4.19×10−7cm/s，满足设计要求。为便于施工，2-1 壤土层中同样采用以上配比方案。密封墙成墙7 d 后，在试验区上、下游及左侧分别取泥浆墙试样开展渗透试验，检测结果如表3 所示。根据检测结果可知，试验段泥浆墙的渗透系数符合设计要求。

表2 不同配比方案泥浆墙材料的渗透系数Tab.2 Measured permeability of slurry wall materials with different proportion schemes

表3 试验段泥浆墙渗透系数检测结果Tab.3 Test results of permeability coefficient of slurry wall in test section

在试验区的迎水侧、坝轴线、背水侧的密封膜下分别布置了3 组（每组3 个）真空度测头，试验区膜下真空度测试结果见图3。从图3 可知，试验段抽气后，10 d 左右膜下真空度均可达到80 kPa，此后由于停电故障间断等原因，膜下真空度值稍低于80 kPa，抽真空4 个月后，试验区不同位置的膜下真空度值基本维持在80 kPa。这一结果从侧面说明试验区黏土密封墙的密封性良好。

图3 试验区膜下真空度测试结果Fig.3 Test results of vacuum pressure under membrane in test section

4.3 密封膜保护试验

真空联合堆载阶段的膜下真空度、堆载过程和沉降变化曲线如图4 所示。抽真空10 d 后，膜下平均真空度达到80 kPa 左右。抽真空20 d 后，铺设土工布、编织布和过渡层，并开始坝体填筑。试验段填筑历时40 d，实际填筑高度4.2 m。监测结果显示：填筑后坝基迎水侧、坝轴线、背水侧的膜下真空度基本维持在80～83 kPa，这表明试验段密封膜的保护措施是有效的。

图4 试验段膜下真空度及堆载过程曲线Fig.4 Vacuum degree under membrane and heaped load process curve of test section

4.4 坝基防冻试验

冬季坝基迎水侧和背水侧的温度监测结果见图5。从2020 年9 月20 日到2021 年3 月20 日，随着冬季环境温度的降低，工程场址的最低气温为−28 ℃。根据监测结果可知，随着室外温度降低，坝基温度也迅速降低；受冬季风向影响，迎水侧地基的温度低于背水侧地基温度，且地基深度0.5 m 的温度低于地基深度2.5 m 的温度。设置防冻层后，坝基内最低温度为3 ℃，仍高于冻结温度，这说明冬季试验区坝基和真空排水系统没有被冻结，防冻层的效果良好。

图5 冬季坝基迎水侧和背水侧的温度监测结果Fig.5 Temperature monitoring results at the upstream and downstream sides of dam foundation in winter

4.5 加固机理分析

真空联合堆载预压法，是真空预压法和堆载预压法的叠加，即为真空（大气压）和堆载附加应力两种荷载的叠加。本工程坝体填筑的荷载作用面为梯形，因此坝基不同位置的附加应力不同，表现为“中间大，两侧小”的规律。在试验区垂直于坝轴线方向的地基表面布置了4 个沉降标[15]，坝基沉降监测结果如图6 所示。从图6 可知，地表4 个测点沉降为1 695～2 580 mm，由于地基的附加应力不同，不同位置地表沉降出现一定差异，其中坝轴线的沉降最大。根据试验区地表的沉降曲线可知，由于上覆硬土层的“顶托”作用，地表沉降曲线比较顺滑，土方填筑堆载过程中没有明显“坡降”段。同时上覆硬土层一定程度减缓了坝基的差异变形（见图6），避免了水平管网因过大的差异沉降而受损，保障了持续的排水效果。

图6 试验区地表沉降监测结果Fig.6 Monitoring results of surface settlement in the test section

试验段坝轴线不同深度地基中的孔压测试结果如图7 所示。试验区从2020 年5 月24 日开始抽真空，截止到2021 年6 月24 日，软基加固可划分为4 个阶段：第1 阶段（2020 年5 月24 日—6 月27 日），抽真空阶段；（2）第2 阶段（2020 年6 月27 日—11 月14 日），真空联合堆载阶段；（3）第3 阶段（2020 年11 月14 日—2021 年5 月4 日），冬歇期，停止抽真空和堆载；（4）第4 阶段（2021 年5 月4 日—2021 年6 月24 日），重新开始抽真空，膜下真空压力恢复后，重新开始堆载。

图7 试验区轴线地基超静孔隙水压力变化过程曲线Fig.7 Variation of excess pore pressure along the axis of the test section

由图7 可知，不同深度地基超静孔压受到真空负压和填土堆载的共同作用：（1）深度3、6 和18 m的孔压计分别埋设在壤土层、砂土层、黏土层中，由于地基渗透性大，第1 阶段抽真空后地基中孔压迅速降低，第2 阶段堆载后孔压变化较小，第3 阶段冬歇期停止抽真空后孔压值增大，第4 阶段复抽真空后孔压值迅速减小；（2）深度9、12 和15 m 的孔压计分别埋设在淤泥质黏土2-3 层、2-4 层中，第1 阶段抽真空后地基中孔压缓慢降低，其主要原因是孔压计埋设在排水板中间位置，淤泥地基的渗透性小，真空传递缓慢；第2 阶段堆载后，淤泥地基中的孔压值迅速增大，随堆载过程呈现波动上升趋势；第3 阶段冬歇期停止抽真空后，地基中孔压缓慢消散，第4 阶段重新堆载后淤泥地基中孔压缓慢上升。有学者指出当上覆硬土层较厚时，孔隙水压力的响应存在一定滞后[16]。本工程中由于坝体填筑层范围较大，附加应力影响的深度较大，虽然坝基上覆一定的硬土层，堆载后孔隙水压力响应较快。

5 结 语

中国北方某蓄水调蓄工程位于高寒地区，水工建筑物由挡水土坝、排水泵站及排水沟等组成。拟建场地的地质条件复杂，地基为上硬下软形式，软土层为淤泥质黏土，具有含水率高、压缩性大、强度低、排水固结性能差等特点。设计采用无砂垫层真空联合堆载预压方案，但区域缺少真空预压施工经验和参考案例。为此选取100 m 长的试验段，分别开展了塑料排水板插板工艺试验，密封墙成墙试验、密封膜保护试验和坝基的冬季防冻试验。综合本文工作，得到如下结论：

（1）履带式振动插板机能有效穿透坝基表面的壤土层和砂土层，施工效率较高，每台机组的施工效率为4 000～5 000 m/d，满足施工进度要求。振动插板工艺的施工效率优于引孔+振动插板工艺。

（2）试验段壤土层和砂土层经黏土和膨润土拌和后，密封墙的渗透系数降至4.19×10−7cm/s ，成墙7 d 后的检测得出不同深度泥浆墙的渗透系数满足设计要求。抽气10 d 后，膜下真空度均可达80 kPa，试验段泥浆墙的密封性良好。填筑后坝基迎水侧、轴线、背水侧的膜下真空度基本维持在80 kPa，这表明试验段密封膜的保护措施有效。

（3）在土坝坡脚两侧设置2 m 厚度防冻层，并将水气分离罐、排水主管埋入地下，可有效防止冬季坝基和密封系统的冻结破坏。监测结果表明，冬季地基温度维持在3～10 ℃。冬歇期后恢复抽真空，场地内密封膜下真空度和排水效果仍完好，这表明本工程真空预压区的防冻措施是有效的。