清徐供水工程末端調(diào)蓄池液化地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì)

王晉瑛

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

1 工程概況及優(yōu)化設(shè)計(jì)緣由

清徐供水工程位于太原市，為清徐縣、小店區(qū)和晉源區(qū)三縣區(qū)提供工業(yè)和城鎮(zhèn)生活用水。工程輸水管線末端調(diào)蓄池布置于清徐工業(yè)園區(qū)南牛家寨附近，容積為60萬(wàn)m3。調(diào)蓄池設(shè)計(jì)為半挖半填平原圍封型，平面方形布置，池底長(zhǎng)370m，寬132m，壩軸線長(zhǎng)1.195k m，壩頂寬度5.0 m。調(diào)蓄池總深度10.2m，地面以下挖深5.0 m，開挖邊坡1:3；地面以上為開挖土料填筑圍護(hù)壩，高度5.2m，迎水面邊坡1:3.0，背水面邊坡1:2.5。調(diào)蓄池正常水深9.4m，全庫(kù)盆采用土工膜防滲，壩基地基液化處理采用全壩基沉管碎石樁。工程區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度值為0.20g，地震設(shè)防烈度Ⅷ度。

本工程初步設(shè)計(jì)已經(jīng)批復(fù)，批復(fù)的調(diào)蓄池建筑工程投資為4906萬(wàn)元，其中地基碎石樁處理費(fèi)用1617萬(wàn)元，占調(diào)蓄池投資近33%，考慮到地基處理費(fèi)用所占比例較高，其次碎石樁施工工期較長(zhǎng)?；诖嗽?，對(duì)調(diào)蓄池地基處理方案進(jìn)一步分析研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證工程安全的前提下，力求調(diào)蓄池地基處理方案更加經(jīng)濟(jì)合理，便于施工。

2 工程地質(zhì)

2.1 地質(zhì)概況

調(diào)蓄池位置大部分為耕地，地形較平坦。地基土為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）低液限粉土夾粉土質(zhì)砂、低液限黏土透鏡體及第四系上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal）低液限黏土。勘察期間地下水位埋藏深度0.80～2.90m。主要存在的工程地質(zhì)問(wèn)題為壩基滲漏問(wèn)題、浸沒(méi)問(wèn)題、基坑開挖存在涌水問(wèn)題、壩基土存在地震液化問(wèn)題。

2.2 地基土液化評(píng)價(jià)

對(duì)工程區(qū)進(jìn)行了鉆孔取樣（即ZK13χχ-1~ZK13χχ-8，共計(jì)8個(gè)）及野外標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判別分析，得出壩基土全新統(tǒng)洪沖積低液限粉土、粉土質(zhì)砂、含細(xì)粒土砂，在地震烈度Ⅷ度時(shí)產(chǎn)生液化，液化指數(shù)為1.1～33.0，其中Z K13χχ-7處液化等級(jí)為輕微液化，ZK13χχ-5處液化等級(jí)為中等液化，其它鉆孔處液化等級(jí)為嚴(yán)重，綜合評(píng)價(jià)場(chǎng)地液化等級(jí)為嚴(yán)重，影響壩基穩(wěn)定，壩基土存在地震液化問(wèn)題，地基液化深度為15m。

3 地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì)

依據(jù)地質(zhì)提供資料，工程區(qū)地基液化深度15m，為深層液化。以下結(jié)合本工程實(shí)際，對(duì)強(qiáng)夯法、蓋重法、圍封法和沉管碎石樁法等方法的適應(yīng)性進(jìn)行分析比較，進(jìn)而確定本工程末端調(diào)蓄池經(jīng)濟(jì)合理的地基處理方案。

1）強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土。其工作原理是利用起重設(shè)備反復(fù)將夯錘提升到高處，使其自由落下，給地基以沖擊和振動(dòng)能量，使地基密實(shí)，從而提高地基強(qiáng)度，減少沉降，提高抗液化能力。此方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、施工速度快、節(jié)約材料、經(jīng)濟(jì)可行、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)夯法對(duì)于飽和度較高的粉土和黏性土地基處理效果不顯著。

根據(jù)提供的調(diào)蓄池地質(zhì)資料，工程區(qū)地下水位勘察期間埋藏深度0.80～2.90m，地基土的平均飽和度達(dá)到93%，飽和度很高，采用強(qiáng)夯法處理不理想，因此本次方案優(yōu)化設(shè)計(jì)不建議采用強(qiáng)夯法。

2）蓋重法

蓋重法是考慮填筑體對(duì)地基土的壓重效應(yīng)，提高地基易液化土層的約束應(yīng)力，從而提高抗液化能力。采用蓋重法處理液化，具有施工簡(jiǎn)單，工期短，投資小等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是大壩下游坡單薄，若在大壩下游地基范圍也采用蓋重處理，需增加較長(zhǎng)的蓋重體，會(huì)出現(xiàn)占地面積大的問(wèn)題。

本工程末端調(diào)蓄池處于工業(yè)園區(qū)核心地帶，土地資源寶貴，因此本次方案優(yōu)化設(shè)計(jì)不考慮全壩段采用蓋重法消除地基液化。

3）全壩基沉管碎石樁法

振動(dòng)沉管法是在振動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作用下，把套管打入規(guī)定的設(shè)計(jì)深度，套管入土后，擠密套管周圍的土，然后再投入碎石，振動(dòng)密實(shí)、振動(dòng)拔管成樁，多次循環(huán)后，就成為擠密碎石樁。這種施工工藝處理效果較好，既有擠密作用又有振密作用，使樁與樁間土形成較好的復(fù)合地基，提高場(chǎng)地基承載力、防止了地基土液化、增大了軟弱地基土的整體穩(wěn)定性。碎石樁處理可液化地基的有效性已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外許多實(shí)際發(fā)生地震和試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。

圖1 全壩基沉管碎石樁

原設(shè)計(jì)調(diào)蓄池地基處理方案就采用了全壩基沉管碎石樁方法，見圖1。調(diào)蓄池壩軸線長(zhǎng)度約為1.2k m，壩基寬度為39.1m，采用全壩基沉管碎石樁處理地基不但費(fèi)用較高，而且碎石樁施工工期也較長(zhǎng)，因此本方案需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 圍封法

地基液化是由于地基松散的砂土或粉土，在地下水的作用之下達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)受到震動(dòng)，土體更加緊密，孔隙水壓力上升，在短暫的震動(dòng)過(guò)程中，驟然上升的孔隙水壓力來(lái)不及消散，這就使原來(lái)由土顆粒間接觸點(diǎn)傳遞的有效壓力減小，當(dāng)有效壓力完全消失時(shí)，土層會(huì)完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，變成像液體一樣流動(dòng)?；诖朔N現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用圍擋方式，即將建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi)的易液化的土體采用幕墻進(jìn)行圍封，使其在遇到地震時(shí)，圍封的土體由于幕墻的作用而不會(huì)被擾動(dòng)，從而消除液化發(fā)生。

圍封土體的幕墻可采用多種材質(zhì)和型式。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇高壓定向噴射和塑性混凝土墻兩種方式進(jìn)行比較。

（1）定向噴射注漿

定向噴射注漿法是利用鉆機(jī)將帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層設(shè)計(jì)深度，通過(guò)定向高速噴射用切割土體并使水泥與土攪拌混合，形成連續(xù)的薄的漿體防滲墻。采用定向噴射注漿方法具有施工方便，施工速度快，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。但也存在其效果受地層影響較大，施工質(zhì)量不易控制，可靠性較差等缺點(diǎn)。

本工程設(shè)計(jì)在調(diào)蓄池壩體下游坡腳處，采用高壓噴射定噴工藝沿庫(kù)盆做定噴注漿。噴射孔采用單排，深度為壩基以下20m，采用折接型式，折接擺角300，鉆孔間距1.3m。具體布置見圖2。

（2）塑性混凝土墻

塑性混凝土墻是采用抓鉆法成槽，用塑性混凝土澆筑成連續(xù)墻的施工工藝。塑性混凝土墻與定向噴射注漿形成幕墻相比具有施工質(zhì)量易控制，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，也存在施工期長(zhǎng)，施工強(qiáng)度高，造價(jià)高的不足。

本工程設(shè)計(jì)在調(diào)蓄池填筑體下游坡腳，沿庫(kù)盆做塑性混凝土墻，將調(diào)蓄池地基內(nèi)土體進(jìn)行圍封。塑性混凝土墻深度為壩基以下20m，墻體厚度60c m。具體布置見圖3。

（3）圍封法小結(jié)

定向噴射注漿和塑性混凝土墻方法作為圍封方法消除地基液化的設(shè)計(jì)思路是相同的，此法還有利于施工中的基坑排水。圍封法對(duì)小范圍土體的圍封應(yīng)該能達(dá)到消除地基液化的效果，但本工程調(diào)蓄池占地面積近13h m2，采用這種方法處理大范圍內(nèi)地基液化的效果不易評(píng)估。

圖2 定噴注漿

圖3 塑性混凝土墻

（4）局部沉管碎石樁法

局部沉管碎石樁法是地基處理方法的綜合使用，是在原設(shè)計(jì)全壩基沉管碎石樁地基處理的基礎(chǔ)上，考慮到調(diào)蓄池填筑體高度5.2m，正常水位蓄水高度4.4m，在壩體上游坡及壩頂范圍內(nèi)，填筑體和池內(nèi)蓄水對(duì)地基土的蓋重效應(yīng)，在此范圍內(nèi)地基不做處理。在大壩下游坡范圍內(nèi)，地基處理采用沉管擠密碎石樁，碎石樁間距2.4m，樁徑60c m，樁深14m，樁頂鋪設(shè)反濾排水層。具體布置見圖4。

本方案是根據(jù)工程實(shí)際情況，充分考慮到采用壩體及庫(kù)盆水體的蓋重來(lái)替代原設(shè)計(jì)的全壩基沉管碎石樁，僅在下游壩坡范圍內(nèi)地基采用碎石樁處理，處理范圍減少，碎石樁數(shù)量為原方案的3/5。本方案比原方案不僅縮短了工期，減少了投資，而且也是安全可靠的。

（5）地基處理投資比較

對(duì)可行的定向噴射注漿、塑性混凝土墻和局部沉管碎石樁這三種地基處理方案投資進(jìn)行了比較，具體見表1。

表1 地基處理投資比較表

圖4 局部沉管碎石樁

從表1可見，塑性混凝土墻投資最高，高于原設(shè)計(jì)的全壩基碎石樁地基處理方案；局部沉管碎石樁法的投資比原設(shè)計(jì)的全壩基碎石樁地基處理方案減少了27.3%；定向噴射注漿投資最少，僅為原設(shè)計(jì)的57.6%。

（6）最優(yōu)方案確定

綜合以上各方法，在可行的方案中，塑性混凝土墻圍封法費(fèi)用高于原設(shè)計(jì)地基處理方案，且施工期長(zhǎng)，施工強(qiáng)度高，此方案沒(méi)有優(yōu)勢(shì)可言；定向噴射注漿圍封法投資要比局部沉管碎石樁法要少，但此法施工質(zhì)量不易控制，可靠性較差，且采用這種方法處理大范圍內(nèi)地基液化的效果不易評(píng)估；局部沉管碎石樁法費(fèi)用雖比定向噴射注漿圍封法略高，但其可靠性要高很多。

因此經(jīng)綜合比較，本工程末端調(diào)蓄池地基液化處理采用局部沉管碎石樁法。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)調(diào)蓄池地基處理進(jìn)行多方案論證比較、科學(xué)準(zhǔn)確分析，根據(jù)工程實(shí)際情況，在保證工程安全的前提下，選擇科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)高效的蓋重加沉管碎石樁地基處理方案是可以采用的。

（2）采用局部擠密碎石樁法進(jìn)行地基處理，會(huì)存在壩體上游壩坡范圍為原土地基，下游壩坡地基范圍為碎石樁處理地基，壩體位于兩種基礎(chǔ)上，對(duì)壩體穩(wěn)定存在隱患。建議將下游壩坡地基碎石樁處理范圍超過(guò)壩體穩(wěn)定計(jì)算劃弧范圍，保證壩體的穩(wěn)定。