水利水电工程设计与地基处理技术分析

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【摘要】软土地基处治主要为了优化软土地基的压缩特性、剪切及透水特性、动力特性等。论文结合湖北某水电工程淤泥质土地基处理工程，阐述坝基软土地质处理方案的确定及试验要求，分析两个试验区域的软土地基处理效果，得出试验II区的施工方式加固效果更好。

【关键词】坝基加固；软土地基处理；振冲碎石桩；质量检测

1引言

我国城市电力需求随着人口密度而不断增加，为实现水能环保资源的充分利用就需要建设数量规模庞大的水利水电工程。水电工程的建设选址多选择在一些偏远地区，考虑到地形、地质、水文等生态环境的影响，水电站建设需要选择承载强度足够的地基，其中坝基加固是确保水电站长期稳定运行的关键技术，如何科学合理地进行不良建设地基的有效处治需要综合工程质量和社会经济效益两个方面。因此，需要加强重视地基处理的重要性。

2工程概况

2.1工程位置及技术指标

某水电站为引水式龙头水库电站，项目采取混合式开发类型，位于湖北省内某干流上，能够将干流水量引至当地较大支流实现支流、干流汇合大型发电的效果。项目输水闸坝位于干流上游3km，厂址则建设在支干流汇合口处下游1km，坝址距离当地市中心102km，坝址和厂址之间的直线距离为14km，其中厂址附近存在国道和公路的连接路段，对外部交通较为便利，该水电项目是湖北省内重点水利工程，对当地供水、发电、农业灌溉等具备极其重要的现实意义。该水电站水库水源直接来源于本区径流，控制流域面积达到了403km2，百年一遇设计峰值流量为190m2/s，平均年径流量达到了14500万m3，年平均输沙量为15.2万t/a，水库蓄水正常量为2950m，死水位设计为2910m，库容为11350万m3，调节库容达到了9150万m3，当水库为死库容时，其起到发电的效果，水电站工程等别为II等，规模控制在大（2）型，临时及次要建筑结构物级别为3等，堆石坝级别为I级，项目建设位置具备较为复杂的地质构造，建筑结构的抗震设防烈度为VII度，该水库电站总装机容量为240MW，共有2台装机，主要构造物为引水系统、坝区枢纽、厂区枢纽、输水枢纽，堆石坝型为复合土工膜和混凝土防渗墙相互结合形式[1]，水电站主要特性参数如表1所示。

2.2坝区工程地质

坝区地质上下游是U形冰川谷，具备较为开阔的地势，且覆盖层厚度较大，上游水深最大可达到30m，坝基河床具备较复杂的层次结构，且河床覆盖层厚度大，根据现场钻孔厚度结果，地质情况可分为7层，自下而上勘测结果为第⑦层淤泥质壤土层，第①~⑥层为砂砾石层。其中，淤泥质壤土层主要分布在河床顶部左岸位置，为湖积(Ql42)，在坝基横向方向的宽度为170~250m；该土层内部有机质丰富，且主要以粉粒和细砂为主，比例分别占到了42%、39%，其余部分为黏粒构成，土层级配较为连续，孔隙比在0.6~1.5，天然密度为1.8g/cm3，含水率为25%~52%，液限和塑限分别为27%和16%，塑性指数为11，整体表现为软塑状，是高液限性软土。经过室内相关技术试验表明，其压缩模量在5~9MPa，黏聚力为0.04~0.06MPa，内摩擦角为7°~10°，渗透系数较低，为1.35×10-4cm/s，透水性较差，力学指标较弱。根据该指标可以判断土层整体为液化土，考虑到该土层并没有铺满整个河床，且厚度不厚，难以形成较为稳定的隔水结构，为此需要解决坝基覆盖层下游渗漏缺陷，并且对于坝坡和坝基的稳定性需要进行必要的加固。第①~⑥层为砂砾石层，深度达到了130m，是整个大坝的主要持力层，内部多还有块碎石，是堆积冰川(Qg131)，主要分布在河床底部位置，其中块碎石内部含有较少的板岩及石英岩，含有较多比例的变质砂岩，级配较为疏松，最大公称粒径可以达到1.1m，呈现棱角状；最大比例的粉质土呈现浅灰色，较为密实。

3坝基处理方案

3.1方案目标确定

根据专家推荐，坝基软土加固主要采取强夯置换或者振冲置换两种方式，两种方法都是为了通过部分软土的置换，而达到复合地基较高的抗剪强度和压缩模量，并不仅仅只为了加密土层结构。其中，振冲碎石置换可以达到土层排水固结加快的效果，当碎石置换率控制在25%~38%时，则能够大幅度提升强度和模量，施工成本投入较高，且技术应用简单，具备较多的应用经验案例。为此本项目主要采取振冲碎石桩法进行坝基处理。另外，为了有效验证该技术的使用效果和可行性，本项目选取了相关施工技术指标进行坝基处理效果的对比。试验流程按如下开展：首先，振冲设备采取德国OMS振冲器，分别为377-75kW，377-130kW两种型号。进行振冲试验后获取施工参数和复合地基处理后的变形模量、抗剪强度、渗透系数、承载强度指标；其次，对不同方案之间的加固效果进行对比，对大范围应用的设备方案进行确定；最后，需要对振冲施工质量进行必要的检验及确定振冲碎石桩法的关键性参数（填料数量、施工填料级配、碎石桩桩径、桩间距、桩排列方式）[2]。

3.2试验要求

本项目采取地基淤泥质壤土分布范围较为均匀且厚度较大的区域进行相关试验。试验要求如下：1）淤泥质壤土的加固深度控制在5~20m；2）加固后的复合地基整体平均密度需要达到2.2g/cm3以上，孔隙率需要控制在0.28以下；3）复合地基承载力达到250kPa以上，变形模量达到40MPa以上，压缩系数小于0.25MPa-1，黏聚力大于25kPa，内摩擦角大于25°，渗透系数要大于1×10-3cm/s，整体具备抗液化水平；4）现场试验按照分区（I区和II区）开展，每个位置进行Municipal·Traffic·WaterResourcesEngineeringDesign市政·交通·水利工程设计100根碎石桩振冲处理。其中，I区采取的振冲器为377-130kW，II区采取的振冲器为337-75kW，两个位置的桩形布置都为梅花形，其中I区桩间距控制为2m，II区桩间距控制位1.5m[3]。

3.3软基处理效果

现场振冲试验结束3周后开展复合地基桩间土工程特性、碎石置换率、桩体质量的检测，根据N120动力触探试验、静载试验、标准贯入实验、室内土工试验开展要求及内容，如表2所示，进行复合地基相关指标的计算（内摩擦角、变形模量、密度、孔隙率、承载力强度特征值、压缩系数等），具体如表3所示。根据不同试验位置的N120动力触探试验、静载试验、标准贯入试验、室内物理及力学试验数据可以看出，通过振冲碎石桩的物理力学作用，复合地基的整体力学性能都有了较大幅度的提高，因两个试验位置采取的振冲器及桩间距离的差异，指标数据结果存在较为明显的差异性。其中，II区复合地基的承载力特征值和变形模量大于I区，且两个功率的振冲器在施工中采取的填筑量都要比试验规划量少，现场都控制在1.3m3/m左右，桩体直径在施工完成后控制在1.15~1.18m；施工置换率的计算需要根据完成后桩径及布桩形式来计算，I区、II区置换率分别为0.31和0.52。通过简要分析可以得出结论，II区比I区的加固效果更好，项目宜采取II区施工方式进行加固。

4结语

在水电工程地基处理中，需要针对多年冻土层、可液化层、淤泥质土层进行相应的物理力学指标分析，选择合适的地基处理技术及施工方案，技术的应用也要充分结合坝基所处的地形、地质、水文生态情况，以提升复合地基的承载力、变形模量及降低孔隙率和施工成本为重要指标，优化施工技术，为后续的水电工程上部结构提供稳定的地基基础。

【参考文献】

[1]浦锐.浅谈物探技术在强岩溶地区坝基处理中的运用[J].建材与装饰,2020(12):2.

[2]何见春.浅谈固结灌浆与帷幕灌浆在坝基处理中的应用[J].科技资讯,2013(8):82-83.

[3]倪国俊.振冲碎石桩在水电站厚覆盖层坝基处理中的应用研究[J].中国水能及电气化,2019(12):16-19.

作者：潘亚辉 付海峰 刘敏 单位：湖北省水利水电规划勘测设计院 武汉楚江水利水电工程质量检测有限公司