水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密加固探討

劉 陽

(江西省水利水電開發(fā)有限公司，南昌 330000)

1 工程概況

某水電站工程采用直接銜接上游BG水電站的尾水，在電站下游設(shè)置反調(diào)節(jié)池對(duì)兩級(jí)電站進(jìn)行發(fā)電反調(diào)的布置方案，主要建筑物包括引水調(diào)節(jié)池、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)、水電站廠房等建筑物。引水隧洞布置在BG水電站尾水箱涵的末端，軸線與尾水箱涵軸線垂直，閘前正常水深為2625.759m。引水閘設(shè)置2孔，每孔寬4.8 m，底板高程2623.197m，頂高程2628.50m，閘后接長12m的矩形明渠與引水調(diào)節(jié)池相接。節(jié)制退水閘位于BG水電站廠房尾水渠上，與引水閘相鄰布置，2孔，每孔寬4.8m，后接漸變段由矩形斷面漸變?yōu)樘菪螖嗝媾c河道連接。

由于引水調(diào)節(jié)池位于BG水電站尾水渠某河左岸河漫潭上，在引水調(diào)節(jié)池右側(cè)回填出頂面平均寬度為3m的護(hù)坡，坡度為1:2，外邊坡采用現(xiàn)澆混凝土板襯砌，厚度為500mm。水電站壩址所在區(qū)呈現(xiàn)出明顯的亞熱帶季風(fēng)氣候水文特征，降雨量充沛，但由于日照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈及季節(jié)性原因，降雨量年內(nèi)年際分配極不均衡。水電站引水隧洞大壩建成時(shí)間早，運(yùn)行數(shù)十年后，目前大壩高程已經(jīng)難以滿足防洪要求，上游壩坡無防護(hù)，壩體和壩基所可能接觸的部位均存在不同程度的漏水問題，涵管的漏水也越來越嚴(yán)重，工程運(yùn)行過程中安全隱患十分突出，大壩工程綜合整治迫在眉睫。

2 大壩壩坡振沖加密加固施工

2.1 施工設(shè)備的選用

結(jié)合水電站引水隧洞大壩壩坡地質(zhì)條件，選用TR75型振沖器，自下而上由振動(dòng)段、導(dǎo)管和上端段構(gòu)成[1]，其中振動(dòng)段的長度初步設(shè)計(jì)為3m，直徑初擬定為400mm，且為圓柱形狀管段，內(nèi)中設(shè)置液壓電極、驅(qū)動(dòng)偏心塊和隔振器，為減小磨損、提升鉆進(jìn)速率，振沖器最底端為尖錐形設(shè)計(jì)，上端則通過隔振器使之與導(dǎo)管以彈性方式相接；導(dǎo)管主要為鋼管，導(dǎo)管長度常常根據(jù)貫入深度予以確定，導(dǎo)管設(shè)計(jì)必須充分考慮到振沖施工可能導(dǎo)致的管段斷裂；上端段位于振沖器頂部，由液壓軟管和進(jìn)水管構(gòu)成，還發(fā)揮著連接振沖器與吊車鋼絲繩的作用，具體構(gòu)造詳見圖1。除振沖器外，水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密施工還需要裝載機(jī)、水泵、履帶吊車、液壓鉆、儲(chǔ)水罐、定位儀、鉆機(jī)等設(shè)備。

水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密加固施工工藝，采用的是雙頭振沖擠密技術(shù)，先將一對(duì)振沖器固定在鋼梁位置，而且振沖器的間距能根據(jù)壩坡振沖擠密加固實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)整，吊機(jī)啟動(dòng)后起吊鋼梁并帶動(dòng)固定于鋼梁的振沖器，從而確保振沖器充分發(fā)生水平振動(dòng)并產(chǎn)生共振效應(yīng)，進(jìn)而在水和氣體等介質(zhì)的綜合作用下，使砂土充分液化，隨后，土層顆粒重新組合固結(jié)成塊，在振動(dòng)效應(yīng)和氣流作用下大顆粒土塊下沉，微分顆粒上升，從而使地層中泥質(zhì)成分被逐漸排除，再借助共振和排泥效應(yīng)消除液化，實(shí)現(xiàn)大壩壩坡地基土的擠密加固[2]。

2.2 振沖造孔

采用成片模式進(jìn)行振沖孔孔位的同步放樣，并按照后退法的工法進(jìn)行振沖造孔施工，在造孔前必須按工程設(shè)計(jì)要求調(diào)整好兩臺(tái)振沖器的間距，并同時(shí)啟用履帶式吊機(jī)將振沖器起吊至孔位，隨后開啟水泵至設(shè)計(jì)水壓，待振沖器下段端口噴水口開始噴水時(shí)將其啟動(dòng)，與此同時(shí)啟動(dòng)空壓機(jī)。在具體的振沖造孔過程中必須使用履帶式吊機(jī)將振沖器按照1.0-2.0m/min的速度緩慢而勻速貫入砂土，并確保振沖器噴水水壓保持在400-600KPa，水量≥20m3/h。為保證振沖效果，在振沖器貫入砂土的同時(shí)，還必須保證其始終處于懸垂直立的狀態(tài)，每貫進(jìn)單位米砂土都務(wù)必進(jìn)行1次實(shí)時(shí)電流、水壓和氣壓觀測值的書面記錄并由操作人員和相關(guān)負(fù)責(zé)人簽字，待造孔完畢，還必須沿懸垂貫入方向上下提升數(shù)次振沖器，確保最終振沖造孔的貫通與通暢。

振沖造孔過程中孔壁的穩(wěn)定性達(dá)不到設(shè)計(jì)要求必將引起坍塌，對(duì)于過大的填砂孔隙用振沖器振密實(shí)后期加密點(diǎn)處也將出現(xiàn)坍塌漏斗，經(jīng)測量，水電站引水隧洞大壩壩坡振沖造孔孔壁沉陷量最大達(dá)加密土層厚度的8.0%，為保證壩坡加固質(zhì)量，應(yīng)考慮在加密過程中摻加砂土并確保振后壩坡坡面恢復(fù)至原施工平臺(tái)高程。

2.3 擠密加固

從孔底開始按自下而上的次序逐段對(duì)水電站引水隧洞大壩壩坡進(jìn)行擠密加固處理，單位段長必須控制在25-50cm才能保證擠密加固效果，對(duì)于振沖孔孔口3-5m以內(nèi)的范圍必須擠密加固至少2遍。為保證擠密加實(shí)效果，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)留振時(shí)間和加密電流的觀測與控制，對(duì)于50cm的加密段留振時(shí)間≥60s，對(duì)留振時(shí)間的控制通過自動(dòng)警鈴系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體而言，水電站引水隧洞大壩壩坡擠密加固水壓為0.01-0.20MPa，擠密加固電流為45-55A，輔助氣壓為0.6-0.8MPa。

2.4 表層土處理

振沖加密加固施工技術(shù)本身的局限導(dǎo)致上部若無重壓情況下，對(duì)于面層2-3m范圍振沖器無法達(dá)到所設(shè)計(jì)的振沖加密加固密實(shí)度要求，水電站引水隧洞大壩壩坡加固中通過采用井點(diǎn)排水方法，將面層2-3m以內(nèi)的地下水排出，再通過16t自行振動(dòng)碾壓的方法碾壓至少20遍的處理方法，有效提升面層2-3m以內(nèi)砂土的密實(shí)度。

3 質(zhì)量檢測

3.1 取樣密度檢測

水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密加固施工后效果檢測的土樣密度和取樣深度情況詳見表1，由表中實(shí)測密度指標(biāo)數(shù)據(jù)表明，振沖加密加固后碎石樁密度顯著增加，加密電流與碎石土密度呈正向變動(dòng)關(guān)系[3]，碎石樁密度>2.0 g/cm3，則樁間土密度>1.85 g/cm3。本工程大壩壩坡碎石土密度不同于天然極配，所以檢測結(jié)果也并不是樁間距越小則密度越大，或者加密電流越高則密度越大的情況。但是可以肯定的是，當(dāng)加密電流達(dá)到100A且樁間距分別為2.0m和2.25m，振沖加密加固后干密度均>1.89 g/cm3，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 樁體重型圓錐動(dòng)力觸探檢測

樁體重型圓錐動(dòng)力觸探檢測主要采用的是自動(dòng)落錘錘擊檢測法，自樁頂面標(biāo)高位置處持續(xù)勻速貫入，每貫入10cm必須對(duì)所對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)進(jìn)行記錄，直至樁底，并參考《巖土工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ08-37-2012)對(duì)重型動(dòng)力進(jìn)行觸探，重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N63.5的記錄數(shù)如果連續(xù)三次及以上都>50擊時(shí)，試樣過程應(yīng)當(dāng)立即停止，并根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行樁體承載力判斷。水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密加固樁體重型圓錐動(dòng)力觸探檢測結(jié)果詳見表2。由表中結(jié)果可知，本工程樁體連續(xù)完整且密實(shí)度高，樁體承載力特征值均大于設(shè)計(jì)值200.5 KPa。

表1 大壩壩坡振沖加密后實(shí)測密度指標(biāo)

表2 水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密加固樁體重型圓錐動(dòng)力觸探檢測結(jié)果

N63.5為樁體重型圓錐動(dòng)力觸探檢測錘擊記錄數(shù)；N63.5′為修正后的樁體重型圓錐動(dòng)力觸探檢測錘擊記錄數(shù)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測

先用貫入器持續(xù)勻速貫入大壩壩坡土層13cm，稍作1-3s停頓后后再持續(xù)勻速貫入，每貫入10cm的深度則必須對(duì)所對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)進(jìn)行記錄，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)通過貫入達(dá)30cm的錘擊數(shù)表示，達(dá)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)后取出標(biāo)貫器并將其替換成提砂器進(jìn)行取砂，取砂則是從1.0m深度開始，起初的20cm不做記錄，待連續(xù)勻速貫入40cm后直接記錄累計(jì)錘擊數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)直至4.5m深度。貫入土層深度、錘擊均值、標(biāo)準(zhǔn)值、樁間土承載力特征值及壩坡土層壓縮模量等的具體成果見表3。

表3 水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密加固標(biāo)準(zhǔn)貫入檢測結(jié)果

由表3可知，水電站引水隧洞大壩壩坡振沖加密加固樁間土密實(shí)度和強(qiáng)度均有明顯提高，樁間土地基承載力特征值和壩坡土層壓縮模量均大于設(shè)計(jì)值200.5 KPa和16.5MPa。

4 結(jié) 論

工程振沖加密加固施工及質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)對(duì)于大壩壩坡地基處理較為適用，加固效果良好。通過振沖器的振沖作用達(dá)到大壩壩坡飽和砂層液化的目的，從而引起砂礫石的重新排列與組合，孔隙不斷減少，結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，最終達(dá)到較好的振沖擠密加固作用。水電站引水隧洞大壩壩坡碎石土層振沖擠密加固施工在大壩正常蓄水情況下未經(jīng)大量施工開挖而順利完成，比碾壓法等傳統(tǒng)的病險(xiǎn)堤壩加固技術(shù)更加安全、簡便、高效、經(jīng)濟(jì)，應(yīng)當(dāng)在大壩壩坡快速加固方面推廣應(yīng)用。