南河水庫(kù)壩基排水處理方案比選

袁宇霞

（晉中市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 山西晉中030600）

1 南河水庫(kù)工程概況

南河水庫(kù)是介休市一座為工業(yè)供水的調(diào)蓄水庫(kù)，儲(chǔ)蓄大水網(wǎng)東山供水工程來(lái)水，解決該市新型建材工業(yè)園區(qū)中部引黃工程停供期的用水。南河水庫(kù)總庫(kù)容438.1 萬(wàn)m3，規(guī)模為?。á瘢┬?。樞紐工程由大壩、輸水洞組成。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂長(zhǎng)180.65 m，頂寬6 m，最大壩高51 m。

2 壩址工程地質(zhì)

壩址處河谷總體走向N74°W，河床地形較為平緩，地面高程為819～822 m。但受岸坡卸荷及雨水沖刷淘蝕影響，地表溝壑縱橫，兩岸岸頂高程在865 m 以上，河谷斷面呈“U”型。

壩基河床及河漫灘上部地層巖性為第四系全新統(tǒng)洪沖積低液限黏（粉）土，局部底部為薄層卵石混合土、級(jí)配不良砂。卵石混合土層結(jié)構(gòu)松散，具強(qiáng)透水性，為主要滲漏通道，厚2 m 左右，全層厚5.0～10.6 m。其下為中更新統(tǒng)洪積棕黃、棕紅色低液限黏土。地下水類(lèi)型為松散巖類(lèi)孔隙水，主要賦存于第四系全新統(tǒng)洪沖積低液限黏（粉）土、卵石混合土（級(jí)配不良砂）中，一般富水性較好，但局部因含泥量增大，富水性變差?？辈鞎r(shí)段地下水埋深較淺，一般為1.5～4.0 m。

3 壩基實(shí)際情況

南河水庫(kù)于2019年6月開(kāi)工，2019年10月在對(duì)大壩壩基進(jìn)行碾壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)大壩壩基土含水量較高（經(jīng)檢測(cè)大壩下游壩基含水率最低為17.8%，最高達(dá)26.2%），為解決壩體軟基問(wèn)題，對(duì)壩基進(jìn)行了多次的碾壓試驗(yàn)，并邀請(qǐng)有關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行了技術(shù)咨詢。根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)及地質(zhì)情況，提出了以下三種設(shè)計(jì)方案。

4 壩基排水方案及效果

壩基排水處理前先對(duì)試驗(yàn)回填土（選取上嶺后大壩回填土料場(chǎng)土方）進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果得最大干密度為1.87 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.2%。壩基清基后對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行碾壓，壓實(shí)度應(yīng)達(dá)到95%。

4.1 換基1 m 分三層填筑

4.1.1 試驗(yàn)過(guò)程

在壩基下游選取試驗(yàn)位置（底寬3 m，長(zhǎng)度10 m的矩形試驗(yàn)段，高程約816.6 m），直接開(kāi)挖至高程815.1 m（此處設(shè)計(jì)壩基面高程為816.15 m），基面整平后隨機(jī)選取三個(gè)原狀土檢測(cè)點(diǎn)，天然密實(shí)度分別為88.0%、86.7%、92.6%，含水率分別為21.4%、24.4%、18.8%。

第一層回填虛鋪厚度為35 cm，采用22 t 凸塊碾靜壓6 遍后出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，停止碾壓并選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓實(shí)度分別為98.7%、96.8%、93.3%，含水率分別為16.1%、17.5%、18.8%。第一層碾壓后平均高程為815.30 m。第二層回填虛鋪厚度為35 cm，采用22 t 凸塊碾靜壓4 遍后出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，停止碾壓并隨機(jī)選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓實(shí)度分別為98.9%、95.7%、93.3%，含水率分別為14.3%、18.0%、16.9%。第二層碾壓后平均高程為815.60 m。第三層回填虛鋪厚度為35 cm，采用22 t 凸塊碾靜壓2 遍，振動(dòng)碾壓4 遍后出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，停止碾壓并隨機(jī)選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓實(shí)度分別為98.1%、97.6%、96.3%，含水率分別為16.7%、15.6%、17.6%。第三層碾壓后平均高程為815.85 m。

4.1.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)前原狀土平均密實(shí)度為89.1%，平均含水率為21.5%；處理后第一層碾壓平均壓實(shí)度為96.3%，平均含水率為17.5%，出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象；第二層碾壓平均壓實(shí)度為96.0%，平均含水率為16.4%，出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象；第三層碾壓平均壓實(shí)度為97.3%，平均含水率為16.6%，出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象。

可以看出，換填1 m 分層回填，土方壓實(shí)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但碾壓過(guò)程中均出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)隨土層向上逐漸減弱。

4.2 換基1 m 一次性填筑

4.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

開(kāi)挖試驗(yàn)段（底寬3 m，長(zhǎng)10 m，底高程815.1 m），壩基原狀土經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)得最大干密度為1.88 g/cm3，最優(yōu)含水率為12.5%。

用回填土直接虛鋪1 m，采用22 t 凸塊碾靜壓2 遍，振動(dòng)碾壓6 遍，未出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，隨機(jī)選取表層三個(gè)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓實(shí)度分別為94.9%、96.5%和97.1%，含水率為17.9%、17.1%和16.1%，碾壓后平均高程為815.76 m。下挖70 cm 后選取一點(diǎn)檢測(cè)土方壓實(shí)度為90.9%，對(duì)應(yīng)含水率為20.7%。

4.2.2 結(jié)果分析

土料虛鋪1 m 直接回填碾壓后平均壓實(shí)度為96.2%，平均含水率為17.0%，未出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象；虛鋪?lái)斆嫦蛳?0 cm 處的壓實(shí)度為90.9%，含水率為20.7%?？梢钥闯?，此種方法回填碾壓后上層土方壓實(shí)度能滿足設(shè)計(jì)要求，且碾壓面不會(huì)出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，但下層土方壓實(shí)度及含水率均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 砂井固結(jié)排水

4.3.1 試驗(yàn)過(guò)程

采用砂井的方法進(jìn)行壩基固結(jié)排水處理，處理范圍為大壩下游河床處，位置從截水槽下游河床25 m開(kāi)始處理至大壩下游坡腳，長(zhǎng)93 m，寬60 m。砂井需深入至Q2土層，高程約805 m，砂井直徑為40 cm，井距為3 m，呈梅花型布置。南河水庫(kù)壩基砂井分布圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 南河水庫(kù)壩基砂井平面分布圖

圖2 南河水庫(kù)壩基砂井立面分布圖

施工方法：在地基中打入封底的鋼管，拔管的同時(shí)灌入中粗砂形成柱狀排水體，為低透水性軟土提供一個(gè)排水通道，以加快地基土層固結(jié)的速度。下游孔數(shù)為768 孔，打孔深度累計(jì)9 216 m。

施工要求：1）砂井垂直度要好。2）砂料含泥量要小，一般含泥量要求小于3%。3）回填采用中粗砂，有效粒徑d10＞0.1～0.3 mm，不均勻系數(shù)3～5。4）砂料要風(fēng)干砂，含水率小于5%，灌制密實(shí)，相對(duì)密度不低于0.75。

對(duì)上下游壩基分別進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，上游左岸壩基采用22 t 凸塊碾靜壓2 遍，振動(dòng)碾壓6 遍，未出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，隨機(jī)選取測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓實(shí)度為95.2%，含水率為13.1%；上游左岸回填土虛鋪厚度35 cm，采用22 t凸塊碾靜壓2 遍，振動(dòng)碾壓6 遍，未出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，隨機(jī)選取測(cè)點(diǎn)檢測(cè)壓實(shí)度為97.9%，含水率為13.2%。下游壩基采用22 t 凸塊碾靜壓2 遍，振動(dòng)碾壓6 遍，隨機(jī)選取測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，左側(cè)未經(jīng)過(guò)砂井處理區(qū)域壓實(shí)度為95.7%，且有彈簧土現(xiàn)象，含水率為16.9%；左側(cè)經(jīng)過(guò)砂井處理區(qū)域壓實(shí)度為95.8%，未出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，含水率為13.8%；右側(cè)經(jīng)過(guò)砂井處理區(qū)域壓實(shí)度為96.3%，未出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，含水率為15%。

4.3.2 結(jié)果分析

上游原狀壩基土以及回填虛鋪35 cm 后進(jìn)行碾壓，壓實(shí)度均能滿足設(shè)計(jì)要求，且碾壓面不會(huì)出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，同時(shí)，也能夠達(dá)到最優(yōu)含水率。下游左側(cè)未經(jīng)過(guò)砂井處理區(qū)域壓實(shí)度能滿足設(shè)計(jì)要求，但含水率偏高，且有彈簧土現(xiàn)象；下游左、右側(cè)經(jīng)過(guò)砂井處理區(qū)域壓實(shí)度能滿足設(shè)計(jì)要求，碾壓面也未出現(xiàn)彈簧土現(xiàn)象，左側(cè)含水率達(dá)到最優(yōu)含水率，右側(cè)含水率雖未達(dá)到最優(yōu)含水率，但比未經(jīng)過(guò)砂井處理區(qū)域含水率偏低，排水效果較為明顯。同時(shí)，根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了大壩壩基滲流計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算。經(jīng)多種工況試算，上游壩基滲透破壞滿足穩(wěn)定要求，下游壩基通過(guò)砂井處理后也能夠滿足滲透穩(wěn)定要求。

5 結(jié)論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，除壩基砂井固結(jié)排水方案外，換基1 m 一次性填筑和分三層填筑兩種方案均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這是由于壩基砂井固結(jié)排水處理一方面可以加密地基，另一方面是通過(guò)砂井形成一個(gè)柱狀排水體，為低透水性軟土提供一個(gè)排水通道，排出地下水，從而加快地基固結(jié)和土層擠密，以提高其承載力和抗剪強(qiáng)度。因此通過(guò)三種壩基排水處理方案的對(duì)比試驗(yàn)分析，在南河水庫(kù)壩基排水處理方案中選擇砂井固結(jié)排水方案。