振沖碎石樁技術(shù)在響水凹水庫壩基加固工程中的應(yīng)用研究

(1.施甸縣水務(wù)局, 云南 保山 678200;2.保山學(xué)院信息學(xué)院, 云南 保山 678000)

1 工程概況

1.1 水庫病險情況

施甸縣響水凹水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩高18m，壩頂寬5m，壩頂高程1511.30m，壩頂長386m。上游壩坡4級，由上至下坡比分別為1∶4.7、1∶4.0、1∶14.7、1∶4；下游壩坡3級，由上至下坡比分別為1∶2.16、1∶2.5、1∶1.7(排水棱體)。主要功能為城市防洪及灌溉。水庫壩址高程1493.30m，城區(qū)高程1468.00m。水庫于1958年開始建設(shè)，1975年建成，壩高22m，總庫容220萬m3。1976年受龍陵縣地震的影響，大壩上游壩坡首次出現(xiàn)了滑坡。滑坡體長236m，高8m，最大錯距3m。1977年，水庫進行第1次除險加固，期間降低了水庫壩高，使壩高降至18m，然后對大壩上游壩坡、下游壩坡進行了削坡減重，蓄水量降至175萬m3。1979年、1980年、1981年、1990年、1991年5年間，春灌放水期后上游壩坡均發(fā)生了不同程度的滑動。1994年，對水庫進行第2次除險加固。設(shè)計將大壩軸線往下游平移5.96m，對上游壩坡采取削坡減重、拋石壓腳的措施，對下游壩坡采取了培厚加高的措施。水庫前后經(jīng)過兩次除險加固，但1996—2008年的12年間，上游壩坡仍發(fā)生了不同程度滑動，水庫病險并未得到有效治理，一直處于帶病運行狀態(tài)。隨著水庫運行年限的增加，病險逐年加重，嚴(yán)重危及了施甸縣城及下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

1.2 水文地質(zhì)情況

水庫樞紐區(qū)出露的地層為志留系及第四系更新統(tǒng)湖洪積層，大壩基礎(chǔ)上部為湖積層, 層厚0.58～19.45m，為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，小于0.005mm的黏粒含量占12.5%～28.8%，0.005～0.075mm的粉粒含量占9%～76%，2～0.075mm的砂粒含量占9.0%～16.5%，壓縮系數(shù)a200～300=0.18～0.35，滲透系數(shù)K20=4.34×10-5cm/s，鉆孔壓(注)水試驗為K=8.21×10-6～1.4×10-5cm/s。天然快剪試驗成果，內(nèi)摩擦角2.82°～8.5°，黏聚力20～35.5kPa，承載力facl=90～120kPa。大壩基礎(chǔ)下部為更新統(tǒng)湖洪積層單層，厚1.24～10.61m。巖性主要為卵礫石，混有約25%的粉質(zhì)黏土及約20%的砂土層，其滲透系數(shù)K=2.91×10-4～4.35×10-4cm/s。

2 除險加固設(shè)計

響水凹水庫大壩上游壩坡發(fā)現(xiàn)滑坡3處，由北向南分別為HP1、HP2、HP3，3個滑坡體總長229m。云南省保山市水利局對響水凹水庫大壩結(jié)構(gòu)安全鑒定的等級為C級。2008年，被列為國家除險加固項目，2009年，云南省水利廳批準(zhǔn)對響水凹水庫進行第3次除險加固。

設(shè)計對上游壩坡滑坡區(qū)域采用碎石振沖置換法加固[1-3]，對原松散壩體及部分壩基實施振沖碎石樁置換，使樁體與壩體、壩基組成一個整體。施工前將上游壩坡振沖區(qū)域分三級平臺開挖，碎石振沖置換法加固完畢后，重新填筑恢復(fù)壩面。

振沖加固區(qū)布置在上游壩坡發(fā)現(xiàn)的3個滑動面區(qū)域，深度穿過設(shè)計推斷的滑動面，碎石樁樁深超過軟基層，振沖加固區(qū)總長266m，寬20m，高程1499.7～1483.2m。碎石樁按照等邊三角形布置，樁距2.5m，樁徑1～1.2m，平均1.1m，平均樁深16.5m,共計1064根, 17556m。

振沖碎石樁施工工藝流程為：定位→成孔→碎石填料→終孔→完畢→移位。振沖碎石樁施工質(zhì)量檢查,按留振時間、振密電流、填料量三要素進行檢查和控制。在施工時，振沖碎石樁根據(jù)Ⅰ序排和Ⅱ序排進行布設(shè)。同時，每排又分Ⅰ序孔、Ⅱ序孔和Ⅲ序孔。振沖功率75～100kW，振沖置換率22%。

3 施 工

3.1 振沖試驗

施工平臺開挖形成及其他準(zhǔn)備工作就緒后即開始進行振沖試驗，振沖樁采用自外向內(nèi)、自下而上的順序施工，填料采用石灰?guī)r石機制碎石料，粒徑以20～120mm為主，其粒徑比例為20～50mm的占20%、50～80mm的占60%、80～120mm的占20%。

試驗樁布置在左岸上游面的1～6排孔，每排取1～5號孔作為試驗孔。第一排、第二排確定為一試驗區(qū)，第三排、第四排確定為二試驗區(qū)，第五排、第六排確定為三試驗區(qū)。按不同的技術(shù)參數(shù)進行試驗(見圖1)。試驗參數(shù)為：樁間距2.5m，排距2.2m，加密電流95～140A，留振時間不低于13s，加密段長度40cm。施工按I序排和II序排施工，填料采用連續(xù)填料法。

圖1 試驗樁布置及施工技術(shù)參數(shù)

3.2 施工工序

按設(shè)計布置的孔位及要求測量定位，在施工前測定各樁位孔口高程，振沖施工主要設(shè)備為75kW碎石振沖器、25t吊車、喂料裝載機、地質(zhì)鉆機、動力觸探儀。施工按定位→造孔→清孔→填料加密的施工程序進行。

3.3 施工作業(yè)

3.3.1 造孔

a.操作人員將75kW振沖器緩慢、平穩(wěn)地吊起，對準(zhǔn)測量放樣樁位，平緩地使振沖器往下降。當(dāng)振沖器距離地面30cm以內(nèi)時，開啟清水泵供水。振沖器射水口的水壓、水量滿足設(shè)計要求后，開啟振沖器，并緊緊拉住防扭繩索。

b.當(dāng)振沖器內(nèi)的偏心塊滿足額定轉(zhuǎn)速時，操作人員下沉振沖器，貫入軟基進行造孔。

c.操作人員在造孔過程中，嚴(yán)格控制25t吊車鋼絲繩的下放速度，一般以0.5～2m/min為宜。與此同時，保持75kW振沖器處于懸掛狀態(tài)，以避免孔傾斜超過設(shè)計、規(guī)范要求。

d.在造孔過程中,如果發(fā)生電流值大于電機額定電流的情況，則需停止或者減慢振沖器的下沉速度。在高壓水沖松土層后，再繼續(xù)下沉造孔。

e.當(dāng)造孔滿足設(shè)計深度時，上提75kW振沖器,同時記錄不同深度的水壓、電流,以及對應(yīng)的時間。

3.3.2 清孔

當(dāng)造孔深度滿足設(shè)計深度時，將75kW振沖器提出孔口，再次下沉75kW振沖器2～3次，清除孔內(nèi)變清、變稀泥土，使樁體含泥量符合設(shè)計要求。

3.3.3 振沖密實

清孔之后，把75kW振沖器提至距孔底30～50cm的位置，然后再通過喂料裝載機往孔內(nèi)不斷地填入滿足設(shè)計要求的碎石料。與此同時，振沖器通過振動將孔內(nèi)的石料振密，填料擠入已造好的孔壁內(nèi)，樁徑不斷擴大。當(dāng)樁內(nèi)約束力與75kW振沖器的振力相等時，樁徑就不再擴大。這時，75kW振沖器電機的電流值不斷增加，當(dāng)電流滿足設(shè)計或試驗值時，電機控制系統(tǒng)會發(fā)出電鈴信號。這時樁仍根據(jù)設(shè)計不斷地加密，直到達到留振時間時，控制系統(tǒng)再次發(fā)出電鈴信號，此時，該段的填料加密過程結(jié)束。

再次提升75kW振沖器30～50cm，不斷地往復(fù)循環(huán)上述填料加密過程，直至逐段完成填料加密至地表。1根碎石樁制樁完成后，再進行下一樁位的制樁作業(yè)。

3.4 振沖施工技術(shù)要求

3.4.1 造孔與清孔

a.按照設(shè)計圖紙布置的縱、橫布孔進行實地測量放線，各樁孔口的地面高程現(xiàn)場測量，或以統(tǒng)一采用的平臺高程作為控制造孔深度的依據(jù)。

b.下振前造孔孔位中心偏差控制在5cm以內(nèi)，造孔結(jié)束后孔位偏差控制在10cm以內(nèi)，成樁后振沖樁位頂面中心偏差控制在15cm以內(nèi)，樁位垂直偏差不超過2%。

c.振沖器下振時，水壓力范圍為0.60～0.80MPa，當(dāng)接近持力層或延時造孔15min以上，振沖器無法下振時，將振沖器射水壓力減小至0.50～0.70MPa。

d.振沖器下振時，施工采用380V的工作電壓，并按照振沖器功率界定相應(yīng)的電流值，一般密實電流控制在140A以內(nèi)，當(dāng)電壓高于或低于380V時密實電流做相應(yīng)調(diào)整。

e.造孔時，為防止成孔移位和傾斜，嚴(yán)禁振沖器自由下落，振沖器適宜以0.50～1m/s的速度在軟基中均勻下沉造孔，如果出現(xiàn)堅硬物質(zhì)應(yīng)盡量清除。不能清除時，應(yīng)采取提取振沖器反復(fù)振動、加大水壓等措施，直至造孔滿足設(shè)計孔深。再將振沖器以5～6m/min的速度均勻地上提至孔口，上、下升降振沖器2～3遍，在循環(huán)水的作用下孔內(nèi)泥漿逐漸變稀變清，清孔應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范要求。

f.造孔深度須達到設(shè)計要求的深度。如造孔深度無法滿足設(shè)計深度，監(jiān)理部、項目部應(yīng)及時分析、排查原因，并采取相對應(yīng)的措施。

g.造孔過程中應(yīng)認真做好孔位、孔深及造孔水壓、電流的記錄工作，加強對孔口返水顏色的觀測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)返水顏色突變時，應(yīng)認真記錄各段相對應(yīng)的造孔深度。

3.4.2 振沖制樁

a.振沖造孔、清孔滿足設(shè)計要求后，方可進入填料制樁工序。首先填入0.30～0.50m3碎石，再將振沖器下沉入孔中，距孔底約30cm開始加密，加密長度應(yīng)控制在20～50cm，逐段連續(xù)加密直至孔口。振沖器導(dǎo)桿上應(yīng)設(shè)置有明顯的深度標(biāo)志，并加強觀測和記錄，防止斷樁、漏振。制樁水壓采用0.60～0.70MPa。

b.填料。碎石填料過程應(yīng)以連續(xù)下料為主，間隔加料為輔，加料時采取“少吃多餐”的方法。每次填料0.50～1m3，振沖器貫入孔內(nèi)將碎石振密，然后將孔內(nèi)振沖器上提30～50cm，再往孔內(nèi)填料0.50～1m3，再下降振沖器振密實，直至達到140A的密實電流為止，每次達到密實后振沖器提升高度不宜超過50cm。振沖樁每米的碎石填料量控制在0.85～1.20m3之間，填料應(yīng)符合設(shè)計要求。如遇孔口坍塌堵塞情況，可采取間隔加料。

c.加密電流達到140～150A后，留振時間延續(xù)10s，用電鈴告知吊機操作手振密過程中已達到控制振密電流。吊機操作手向上提升振沖器，每次不宜超過50cm的上提高度。如填料不能落入孔底，以適當(dāng)增加提升高度的措施解決。

d.振沖制樁電壓如低于380V，為保證振沖器輸出功率，可加大密實電流，以滿足振沖制樁的密實度要求。

e.填料選用抗壓強度高、級配好的石灰?guī)r機制碎石料，粒徑20～120mm，粒徑比例為20～50mm的占20%、50～80mm的占60%、80～120mm的占20%，含泥量小于5%，不得夾有土塊、石粉。

f.逐段連續(xù)加密直至孔口后提出振沖器并關(guān)閉電源。

g.做好每根樁的施工記錄，包括區(qū)號、樁號、開始時間、成樁時間、填料量、加密電流、水壓及樁頂高程、樁底高程、成樁深度等。

振沖樁制樁施工工藝見圖2。

4 質(zhì)量檢驗

a.總填料量20345m3，總進尺17493m，平均填料量1.16m3/m，符合設(shè)計不小于0.95m3/m的要求。

b.振沖置換率13.10%～21.60%，平均17.70%，符合設(shè)計不小于17.60%的要求。

c.開挖檢查碎石樁徑54根，實測樁徑0.95～1.22m，平均實測樁徑1.105m，符合設(shè)計樁徑不小于1.10的要求。

圖2 響水凹水庫振沖制樁施工工藝

d.樁體做圓錐動力觸探試驗，共檢測11根，造孔進尺175.60m，動力觸探試驗66次，無斷樁、漏振現(xiàn)象，每下降10cm的錘擊數(shù)為13～29擊，平均錘擊數(shù)18擊，滿足設(shè)計要求不小于7 擊的要求。

e.樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗共抽檢11根成樁，造孔進尺168.9m，做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗66次，每貫入30cm錘擊數(shù)為16～23擊，平均19擊，滿足設(shè)計要求不小于7 擊的要求

f.樁間土共檢測10組，室內(nèi)原狀土試驗檢測，天然密度1.85～2.0g/cm3，平均干密度1.93g/cm3。

5 結(jié) 論

通過2010—2018年8年蓄水運行觀測，響水凹水庫原滑坡區(qū)域未再出現(xiàn)裂縫、變形情況。8年的安全蓄水運行證明了采用振沖碎石樁技術(shù)能夠有效治理響水凹水庫上游壩坡軟基滑坡，達到了設(shè)計效果。水庫較好地發(fā)揮了原設(shè)計城市防洪及灌溉效益，施甸縣城及下游群眾的生命財產(chǎn)安全也得到了保障，并取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。響水凹水庫振沖碎石樁的設(shè)計及應(yīng)用，為其他水利工程施工提供了借鑒。