關(guān)于宣威市石城河水庫(kù)工程砂礫石壩基強(qiáng)夯處理的粗淺認(rèn)識(shí)

沈祥斌 徐元光

摘 要：宣威市石城河水庫(kù)工程實(shí)施中，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，采用強(qiáng)夯進(jìn)行基礎(chǔ)處理，減少河床基礎(chǔ)沖洪積層開(kāi)挖及大壩填筑工程量，不但節(jié)約了資金，為大壩后續(xù)施工贏得了時(shí)間，還可減少棄渣場(chǎng)征占地，對(duì)環(huán)境保護(hù)有正面積極影響。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；基礎(chǔ)處理；強(qiáng)夯

一、工程概況

宣威市石城河水庫(kù)工程位于云南省宣威市西部的西澤鄉(xiāng)，壩址地處金沙江三級(jí)支流迤那河上，其下游分別為西澤河和金沙江一級(jí)支流牛欄江。大壩為混凝土面板堆石壩，趾板建基面高程1839.00m，最大壩高81.0m，壩頂高程1920.00m，壩軸線長(zhǎng)280.0m，壩頂寬7.0m，最大壩腳寬225.71米，設(shè)計(jì)上、下游坡均為1：1.4，下游坡分別在1900.0m和1878.0m高程設(shè)3m寬戧臺(tái)。

石城河水庫(kù)工程設(shè)計(jì)規(guī)模為中型水庫(kù)，其功能主要以灌溉、人畜飲水為主，兼顧下游防洪防汛及生態(tài)用水?？値?kù)容1142.0萬(wàn)m3，校核洪水位1918.90m；正常蓄水位1915.20m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容1004萬(wàn)m3，興利庫(kù)容859萬(wàn)m3；水庫(kù)死水位1878.10m，死庫(kù)容145萬(wàn)m3。水庫(kù)建成后，每年可為灌區(qū)提供供水量1497.7萬(wàn)m3，其中農(nóng)灌用水1280.1萬(wàn)m3，人畜飲水217.6萬(wàn)m3，能有效解決2.6萬(wàn)畝耕地灌溉用水及農(nóng)村2.47萬(wàn)人、15.35萬(wàn)頭大小牲畜飲水困難問(wèn)題。同時(shí)可提供下游河道生態(tài)用水253萬(wàn)m3，對(duì)提高下游河道防洪防汛能力、保障周邊生態(tài)建設(shè)用水具有重要作用。

水庫(kù)樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、輸水隧洞和導(dǎo)流洞（兼泄洪洞）組成，灌區(qū)采用引水管道進(jìn)行灌溉。石城河水庫(kù)工程為中型，工程等別為Ⅲ等，其主要建筑物溢洪道、輸水隧洞為3級(jí)建筑物，臨時(shí)建筑物及引水管道按5級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。因混凝土面板堆石壩最大壩高為81米，超過(guò)70米，根據(jù)建筑物的重要性，將攔河壩提級(jí)至2級(jí)建筑物。

二、 問(wèn)題的提出

石城河水庫(kù)工程大壩為面板堆石壩，壩址河床段有由砂質(zhì)粘土和砂卵礫石組成的沖、洪積層，厚9～20.2m。初步設(shè)計(jì)階段批復(fù)除趾板基礎(chǔ)開(kāi)挖全部第四系沖、洪積和殘坡積層，建基在弱風(fēng)化玄武巖上，其余壩基河床部位清除沖、洪積層建基于弱風(fēng)化基巖上，兩岸基礎(chǔ)清除殘坡積層至強(qiáng)風(fēng)化層上。“鑒于河床沖、洪積層厚度較大，清除工程量較大，建議下階段進(jìn)一步研究采取工程措施處理后盡量減少?zèng)_洪積層的開(kāi)挖”。

根據(jù)初設(shè)批復(fù)，設(shè)計(jì)單位對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，在研究分析了國(guó)內(nèi)外一些基礎(chǔ)處理的經(jīng)驗(yàn)方法上，初步?jīng)Q定采用強(qiáng)夯的方法進(jìn)行基礎(chǔ)處理。由于當(dāng)?shù)厮こ讨拔醋鬟^(guò)類似基礎(chǔ)處理工程，為確保工程安全，計(jì)劃對(duì)工程基礎(chǔ)處理先進(jìn)行強(qiáng)夯試驗(yàn)，分析其是否可行，且通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步確定強(qiáng)夯質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和施工參數(shù)，可行的話再全面實(shí)施。處理步驟為：強(qiáng)夯試驗(yàn)-檢測(cè)效果-復(fù)核-全面實(shí)施。

三、 試驗(yàn)及研究

1.擬保留地基情況

石城河水庫(kù)大壩工程于2012年底開(kāi)始開(kāi)挖，大壩渡訊節(jié)點(diǎn)工期為2013年4月30日，壩體渡訊開(kāi)挖、填筑工作強(qiáng)度大，工期緊張。實(shí)際施工過(guò)程中受導(dǎo)流泄洪洞出口工程地質(zhì)條件差、征占地等工作的影響，造成大壩樞紐有效工期進(jìn)一步縮短。當(dāng)時(shí)研究工作還沒(méi)有來(lái)得及深入開(kāi)展，在大壩工程既要面臨次年渡汛要求又要確保工程安全的前提下，為不影響渡汛壩填筑，結(jié)合工程實(shí)際對(duì)主堆區(qū)沖、洪積層作了全面挖除。而次堆區(qū)作了部份開(kāi)挖，開(kāi)挖后基本為一平臺(tái)，高程在1849左右。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)調(diào)整在非渡訊壩體區(qū)進(jìn)行。施工階段對(duì)壩基進(jìn)行進(jìn)一步勘察，壩基地層由第四系沖、洪積松散層及二疊系上統(tǒng)峨眉山組組成，根據(jù)鉆孔資料揭示，在當(dāng)時(shí)開(kāi)挖高程情況下，擬保留砂礫石層地基覆蓋深度7.8～16.4m，保留砂礫石層地基平面面積大約12600m2，其中覆蓋深度7.8～12m范圍面積為8500m2，占總面積12600 m2的2/3強(qiáng)。

2.強(qiáng)夯試驗(yàn)

設(shè)計(jì)在次堆區(qū)選擇了兩個(gè)區(qū)域做強(qiáng)夯試驗(yàn)，即強(qiáng)夯試驗(yàn)1區(qū)和強(qiáng)夯試驗(yàn)2區(qū)。加固深度采用梅那（L.Menard）公式進(jìn)行估算，砂礫石地基修正系數(shù)取0.5～0.6，錘重40t，落距20m時(shí)，估算的最大加固深度為14.1～16.9m，強(qiáng)夯能級(jí)為8000kN.m?？紤]到要處理的砂礫石地基深度最高達(dá)16.4m，試驗(yàn)中采用8000kN.m和10000kN.m兩種能級(jí)進(jìn)行強(qiáng)夯比較。

試驗(yàn)1區(qū)采用夯擊能為8000kN.m，第一遍主點(diǎn)夯8m×8m正方形布點(diǎn)，第二遍主點(diǎn)夯布置在第一遍主點(diǎn)夯相鄰四個(gè)夯點(diǎn)的中心處，整體呈梅花形布置。第一、二遍主點(diǎn)夯夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于10cm并不少于15擊控制。當(dāng)夯坑深度超過(guò)2.5m且起錘困難時(shí)，暫停夯擊，用裝載機(jī)將填料填入夯坑內(nèi)，繼續(xù)夯擊，如此重復(fù)，直至最后兩擊平均夯沉量小于10cm同時(shí)夯坑深度小于2.5m時(shí)停止點(diǎn)夯作業(yè)。第三遍為加固夯，單擊夯擊能采用4000kN.m，夯點(diǎn)布置在第一、二遍主點(diǎn)夯每四個(gè)呈方形布置的夯點(diǎn)中心處。加固夯夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于5cm并不少于12擊控制；當(dāng)夯坑深度超過(guò)2.5m且起錘困難時(shí)，暫停夯擊，用裝載機(jī)將填料填入夯坑內(nèi)，繼續(xù)夯擊，如此重復(fù)，直至最后兩擊平均夯沉量小于5cm同時(shí)夯坑深度小于2.5m時(shí)停止點(diǎn)夯作業(yè)。第四遍滿夯，滿夯單點(diǎn)夯擊能采用2000kN.m，夯印搭接1/3布點(diǎn)，夯點(diǎn)擊數(shù)3擊。

試驗(yàn)2區(qū)采用10000kN.m，第一遍主點(diǎn)夯8m×8m正方形布點(diǎn)，第二遍夯點(diǎn)布置在第一遍主點(diǎn)夯相鄰四個(gè)夯點(diǎn)的中心處，整體呈梅花形布置。第一、二遍主點(diǎn)夯夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于15cm并不少于20擊控制；當(dāng)夯坑深度超過(guò)2.5m且起錘困難時(shí)，暫停夯擊，用裝載機(jī)將填料填入夯坑內(nèi)，繼續(xù)夯擊，如此重復(fù)，直至最后兩擊平均夯沉量小于15cm同時(shí)夯坑深度小于2.5m時(shí)停止點(diǎn)夯作業(yè)。第三遍為加固夯，單擊夯擊能采用6000kN.m，正方形布點(diǎn)，夯點(diǎn)布置在第一、二遍主點(diǎn)夯每四個(gè)呈方形布置的夯點(diǎn)中心處。加固夯夯擊次數(shù)以最后兩擊平均夯沉量不大于8cm控制并不少于15擊；當(dāng)夯坑深度超過(guò)2.5m且起錘困難時(shí)，暫停夯擊，用裝載機(jī)將填料填入夯坑內(nèi)，繼續(xù)夯擊，如此重復(fù)，直至最后兩擊平均夯沉量小于8cm同時(shí)夯坑深度小于2.5m時(shí)停止點(diǎn)夯作業(yè)。第四遍滿夯，滿夯單點(diǎn)夯擊能采用3000kN.m，夯印搭接1/3布點(diǎn)，夯點(diǎn)擊數(shù)3擊。

3.強(qiáng)夯試驗(yàn)質(zhì)量檢測(cè)

（1）強(qiáng)夯試驗(yàn)1區(qū)動(dòng)力觸探試驗(yàn)。強(qiáng)夯試驗(yàn)1區(qū)試驗(yàn)面積為24m×24m，即576平方米。強(qiáng)夯前布有ZKD1、ZKD2、ZKD3三個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)孔，孔深10.0～14.1m，鉆孔間距2.8～4.0m，共完成鉆探進(jìn)尺35.1m，原位動(dòng)力觸探測(cè)試21次，取擾動(dòng)土試樣6件，鉆孔注水試驗(yàn)6段。強(qiáng)夯后布有ZKD4、ZKD5、ZKD6三個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)孔，孔深10.6～11.1m，鉆孔間距2.8～4.0m，共完成鉆探進(jìn)尺32.5m，原位動(dòng)力觸探測(cè)試22次，取擾動(dòng)土試樣6件，鉆孔注水試驗(yàn)6段。

通過(guò)強(qiáng)夯試驗(yàn)前、后重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、鉆孔注水試驗(yàn)檢測(cè)資料，壩基砂卵礫石層：0～5.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅85%，承載力增幅47%，密實(shí)度由中密～密實(shí)變?yōu)槊軐?shí)；5.0～7.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅73%，承載力增幅43%，密實(shí)度由中密變?yōu)槊軐?shí)；7.0～9.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅59%，承載力增幅35%，密實(shí)度由松散～中密變?yōu)橹忻堋軐?shí)；9.0～11.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅26%，承載力增幅15%，密實(shí)度由中密變?yōu)橹忻堋軐?shí)。0～6.2m注水滲透系數(shù)夯后比夯前減小約1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；6.2～11.0m注水滲透系數(shù)夯后比夯前減小約1個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)強(qiáng)夯工程處理措施后，壩基砂卵礫石層：0～5.0m效果最好，5.0～7.0m效果好，7.0～9.0m效果較好，9.0～11.0m效果較差。

（2）強(qiáng)夯試驗(yàn)2區(qū)動(dòng)力觸探試驗(yàn)。強(qiáng)夯試驗(yàn)二區(qū)試驗(yàn)面積為24m×24m，即576平方米。強(qiáng)夯前布有ZKD7、ZKD8、ZK34三個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)孔，孔深16.2～19.7m，鉆孔間距5.7m，共完成鉆探進(jìn)尺53.3m，原位動(dòng)力觸探測(cè)試29次，取擾動(dòng)土試樣3件，鉆孔注水試驗(yàn)4段。強(qiáng)夯后布有ZKD9、ZKD10、ZKD11三個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)孔，孔深15.8～17.2m，鉆孔間距5.7m，共完成鉆探進(jìn)尺49.9m，原位動(dòng)力觸探測(cè)試30次，鉆孔注水試驗(yàn)6段。

通過(guò)強(qiáng)夯試驗(yàn)前、后重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、鉆孔注水試驗(yàn)檢測(cè)資料，壩基砂卵礫石層：0～5.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅89%，承載力增幅54%，密實(shí)度由中密變?yōu)槊軐?shí)；5.0～7.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅81%，承載力增幅49%，密實(shí)度由稍密～密實(shí)變?yōu)槊軐?shí)；7.0～9.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅66%，承載力增幅40%，密實(shí)度由稍密～中密變?yōu)橹忻堋軐?shí)；9.0～11.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅26%，承載力增幅15%，密實(shí)度由稍密～中密變?yōu)橹忻埽?1.0～13.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅15%，承載力增幅10%，密實(shí)度由稍密～中密變?yōu)橹忻埽?3.0～15.0m夯后比夯前錘擊數(shù)增幅9%，承載力增幅8%，密實(shí)度基本無(wú)變化。0～7.5m注水滲透系數(shù)夯后比夯前減小約1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；7.5～15.0m注水滲透系數(shù)夯后比夯前減小約1個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)強(qiáng)夯，壩基砂卵礫石層：0～5.0m效果最好，5.0～7.0m效果好，7.0～9.0m效果較好，9.0～11.0m效果較差，11.0～13.0m效果差，13.0～15.0m效果最差。

（3）試夯前后干密度、空隙率及滲透系數(shù)。試夯前、后進(jìn)行4組干密度、孔隙率及原位滲透測(cè)試（灌水法），成果見(jiàn)表1。

從表1可以看出：

①干密度：夯前干密度為：1.99g/cm3～2.10g/cm3，平均為2.05 g/cm3；夯后干密度為：2.18g/cm3～2.38g/cm3，平均為2.28 g/cm3；對(duì)比強(qiáng)夯前、后干密度檢測(cè)成果，干密度有效增加，較夯前提高11.2%；平均干密度2.28 g/cm3>2.15 g/cm3滿足設(shè)計(jì)要求。

②孔隙率：夯前孔隙率為：24.5%～30.3%，平均為27.5%；夯后孔隙率為：17.9%～23.8%，平均為20.8%；空隙率滿足堆石體空隙率要求。對(duì)比強(qiáng)夯前后孔隙率檢測(cè)成果，孔隙率有效減小，較夯前減小24.4%。

③滲透系數(shù)：夯前滲透系數(shù)為：2.5×10-2～1.4×10-2，平均為2.0×10-2；夯后滲透系數(shù)為：2.7×10-5～1.6×10-5，平均為2.2×10-5；對(duì)比強(qiáng)夯前后滲透系數(shù)檢測(cè)成果，滲透系數(shù)有效減小。

（4）試夯前后原位載荷試驗(yàn)

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了3個(gè)點(diǎn)，其中A2#和 B2#為同一位置強(qiáng)夯前后對(duì)比試驗(yàn)，即B1#（能級(jí)8000kN.m強(qiáng)夯加固處理后） 、A2#（強(qiáng)夯加固處理前）和 B2#（能級(jí)10000kN.m強(qiáng)夯加固處理后），載荷試驗(yàn)成果見(jiàn)下表：

表2：壩基淺層平板靜載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總表

從試驗(yàn)結(jié)果看出：

A2#（強(qiáng)夯加固處理前）試驗(yàn)最大荷載為720kPa，承載力特征值fak=320kPa；對(duì)應(yīng)變形模量為56.49MPa；

B1#（強(qiáng)夯加固處理后）試驗(yàn)最大荷載為800kPa，承載力特征值fak≥400kPa；對(duì)應(yīng)變形模量為77.86MPa。

B2#（強(qiáng)夯加固處理后）試驗(yàn)最大荷載為1320kPa，承載力特征值fak=600kPa；對(duì)應(yīng)變形模量為105.76MPa。

（5）強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)論。

①根據(jù)強(qiáng)夯試驗(yàn)施工及檢測(cè)的成果來(lái)看，河床砂礫石層壩基經(jīng)強(qiáng)夯處理后，在0～9m深度以內(nèi)土層干密度有了較大提高，滲透系數(shù)及孔隙率有所減少，壓縮模量有大幅提高，砂礫石層性質(zhì)有較好的改善；9～15范圍內(nèi)為有影響的范圍，上述指標(biāo)有一定程度提高。

②設(shè)計(jì)強(qiáng)夯后的主要控制指標(biāo)干密度不小于2.15g/cm3、強(qiáng)夯后地基承載力≥400kPa及壓縮模量E0≥80MPa均達(dá)預(yù)期值，河床砂礫石層地基強(qiáng)夯加固處理滿足設(shè)計(jì)要求。

③強(qiáng)夯試驗(yàn)表明采用10000kN.m能級(jí)和8000kN.m能級(jí)在深度9m范圍內(nèi)指標(biāo)差異不大，但10000kN.m能級(jí)在深度大于9m時(shí)候各項(xiàng)指標(biāo)稍高于8000kN.m能級(jí)強(qiáng)夯，設(shè)計(jì)擬采用10000kN.m能級(jí)和4×4m點(diǎn)距布置強(qiáng)夯點(diǎn)陣，分三序強(qiáng)夯處理壩基。

4.壩體穩(wěn)定復(fù)核

根據(jù)強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)單位對(duì)大壩滲流、穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核。滲流、穩(wěn)定分析計(jì)算包括校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位、死水位等幾種水位組合情況進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)各種工況下對(duì)壩體滲流的計(jì)算結(jié)果，浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)均在下游堆石體與河床砂礫石接觸帶上部出逸，下游堆石體不存在滲透破壞。根據(jù)滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，壩體混凝土面板溢出點(diǎn)水力坡降在校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位、正常蓄水位、死水位情況下水力梯度在《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL228-98）規(guī)定的范圍內(nèi)，不存在滲透破壞。

本工程因建設(shè)征占地難度較大，充分利用棄渣料，可有效減少棄渣場(chǎng)的占地，有利于工程順利開(kāi)展和節(jié)約工程投資，開(kāi)挖棄渣料（礫石、石渣、土混合料）用于大壩下游壓腳。從計(jì)算對(duì)口果可以看出大壩下游壩坡做強(qiáng)夯后，同時(shí)下游壩腳采用棄渣料壓腳，經(jīng)計(jì)算分析穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

四、 實(shí)施情況

1.設(shè)計(jì)參數(shù)及要求

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，設(shè)計(jì)提出石城河水庫(kù)砂礫石覆蓋層強(qiáng)夯處理要求及控制參數(shù)如下：（1）河床砂礫層經(jīng)強(qiáng)夯處理后其相對(duì)密度不小于0.75，干密度不小于2.15g/cm3。（2）強(qiáng)夯后地基承載力≥400kPa。（3）設(shè)計(jì)擬采用10000kN.m能級(jí)和4×4m點(diǎn)距布置強(qiáng)夯點(diǎn)陣，強(qiáng)夯施工分三序進(jìn)行，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序布點(diǎn)，點(diǎn)點(diǎn)跳夯、排排跳夯，點(diǎn)夯完成整平后，低能量滿夯一遍。

2.施工情況

施工采用實(shí)驗(yàn)2區(qū)能級(jí)及方法進(jìn)行施工。具體施工日期為：2013年7月1日至2013年8月31日。共完成強(qiáng)夯處理面積13258平方米。

強(qiáng)夯工程完工后，按設(shè)計(jì)要求對(duì)次堆區(qū)進(jìn)行大壩填筑（在強(qiáng)夯處理后的基礎(chǔ)上進(jìn)行填筑），大壩填筑工程于2015年1月完成，經(jīng)過(guò)近三年的觀測(cè)，大壩沉降較小，沉降值在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

石城河水庫(kù)大壩次堆區(qū)砂礫石層壩基處理采取強(qiáng)夯法處理地基，減少挖、填方量約12萬(wàn)立方米，比開(kāi)挖、回填節(jié)約資金740.6萬(wàn)元，同時(shí)提前1個(gè)月工期，為大壩后續(xù)施工贏得了時(shí)間，還可減少棄渣場(chǎng)征占地，對(duì)環(huán)境保護(hù)有正面積極影響。

五、 結(jié)語(yǔ)

宣威市石城河水庫(kù)工程實(shí)施中，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，采用強(qiáng)夯進(jìn)行基礎(chǔ)處理，減少河床基礎(chǔ)沖洪積層開(kāi)挖及大壩填筑工程量，不但節(jié)約了資金，為大壩后續(xù)施工贏得了時(shí)間，還可減少棄渣場(chǎng)征占地，對(duì)環(huán)境保護(hù)有正面積極影響。從國(guó)內(nèi)外已建工程經(jīng)驗(yàn)看強(qiáng)夯處理砂礫石地基有較多的成功實(shí)例，通過(guò)本次強(qiáng)夯試驗(yàn)研究及實(shí)施，石城河水庫(kù)大壩次堆石區(qū)砂礫石壩基做強(qiáng)夯處理是可行的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：沈祥斌（1970-5-），男，漢，云南宣威，本科，副高級(jí)工程師，研究方向：水工、水土保持工作。

徐元光（1966-12—），男，漢，云南宣威，大專，副高級(jí)工程師，研究方向：水工、水土保持工作。