振冲碎石桩在水电站厚覆盖层坝基处理中的应用研究

(桓仁满族自治县水务移民服务中心，辽宁 桓仁 117200)

1 工程背景

河湾水电站位于辽宁省丹东凤城市镇安区汤山城镇河湾村境内的爱河干流上，电站设计有单机容量2500kW的3台水力发电机组，装机总容量7500kW，设计年发电量2630万kW·h。工程主要包括拦河坝、电站、进场公路以及升压站。电站建成后不仅可以有效缓解当地的用电紧张状况，还可以在城市供水、水产养殖以及度假休闲等方面发挥重要作用。

由于河湾水库位于爱河中游，坝址区存在厚度较大的覆盖层，对大坝的建设十分不利。覆盖层从上至下分别为第四系的人工堆积层、洪冲积层、残坡积层、崩坡积层以及三叠纪灰白砂板岩。针对覆盖层复杂地质环境，一般需要利用开挖、灌浆或振冲碎石桩置换的方式形成复合地基进行处理[1]。由于覆盖层的范围广，厚度大，最大厚度达44m，不能全部清除，因此，拟对心墙位置高程232.00m以下的坝基进行清除，而对其余基建面采用碎石振冲桩加固处理[2]。

2 振冲碎石桩复合地基设计方案

2.1 振冲碎石桩复合地基加固机理

在实际工程应用过程中，松散砂土极易在外力作用下发生地基液化，因此，针对这种地基条件，一般采取振冲法在地基中设置碎石桩进行加固处理。由于碎石桩体的影响，可对周围的桩体产生较大的横向压力，随着砂层内孔隙受压减少，砂层的密实度也会得到较大改善[3]。在剪循环荷载作用下，地基的饱和松散砂土不断收缩，土体的密实度也会不断增大，如果没有排水，则会造成超静水压力大幅增加[4]。在碎石桩的桩孔内填入强渗透性碎石材料，可以构建竖向排水通道，降低孔隙水压力，减少液化的可能性，提高地基的配水固结效果。

2.2 振冲碎石桩加固方案设计

由于河湾水电站拦河坝右岸的覆盖层范围广，厚度普遍在20m以上，最大厚度达到了44m，全部清除是不可能的。因此，在工程设计中仅对位置高程232.00m以下的坝基进行清除，而对其余基建面采用碎石振冲桩加固处理。

碎石振冲桩加固处理范围为拦河坝右岸坝基覆盖层，主要目的是利用碎石和基础土碎石形成复合地基，通过大幅提升坝基基础的承载力，减少基础沉降对坝体的不利影响[5]，同时，分别对上游高程235.00m和255.00m处分平台进行振冲加固出口库内边坡，目的是结合现状坝前压脚，增加库内岸坡稳定性。碎石振冲桩的桩体采用正三角形布置，孔距和排距均为2m，其平面示意见图1。碎石振冲桩的处理深度到下覆基岩分界线[6]。根据工程地质资料，碎石振冲桩的平均桩长为25m，处理面积为8552m2。桩体材料为施工现场的碎石，桩径设计为0.8m，振冲平台的宽度为8～12m，结合地形特点进行布置；碎石振冲桩采用自下而上开挖施工平台的方式进行施工作业。

图1 碎石振冲桩布置平面示意图(单位：mm)

3 振冲碎石桩复合地基处理效果数值模拟分析

3.1 有限元计算模型

研究中，利用ANSYS大型通用有限元软件进行数值模拟计算模型的构建，根据河湾水电站混凝土防渗墙风化料坝的平面布置图以及K0+10.50结构断面建立模型[7]。以顺流指向下游的方向为X轴正方向，以坝轴线指向左岸的方向为Y轴正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。建立的有限元计算模型向大坝坝轴线的上游方向延伸145m，下游方向延伸120m，深度方向取210m。计算模型采用空间六面体八节点单元进行网格剖分，将模型的坝体和地基离散后获得25675个计算单元、36786个计算节点[8]。坝体和地基的有限元模型见图2。计算的边界条件为：坝基的底面为固定约束，模型的右岸方向设置为Y向简支处理，地基的上下游方向按X向简支处理，其余方向均为自由边界条件[9]。模拟计算过程中，大坝坝体填筑按30个加载级进行模拟，防渗墙两侧设有泥皮，底部设有沉渣。为了分析振冲碎石桩加固地基的效果，研究中对振冲碎石桩加固地基和未加固地基两种方案分别进行数值模拟计算，以验证振冲碎石桩加固地基的作用效果。

图2 大坝结构断面有限元模型

3.2 竣工蓄水期计算结果分析

3.2.1 坝体应力变形计算结果分析

利用构建的模型，对河湾水电站竣工蓄水期振冲碎石桩加固地基和未加固地基两种方案的大坝坝体应力变形分别进行数值模拟计算(见表1)。从表中的计算结果可知，振冲碎石桩加固地基对竣工期和蓄水期的坝体应力变形存在比较明显的影响。在采用振冲碎石桩加固地基后，坝体在竣工和蓄水期的沉降位移、水平位移以及大主应力值均明显减小，特别是位移变形的减小幅度较大，因此，采用振冲碎石桩加固地基对抑制大坝坝体的位移变形具有比较明显的作用。

表1 竣工蓄水期坝体应力变形计算结果分析

3.2.2 防渗墙应力变形计算结果分析

利用构建的模型，对河湾水电站竣工蓄水期振冲碎石桩加固地基和未加固地基两种方案的大坝混凝土防渗墙应力变形分别进行数值模拟计算(见表2)。从表中的计算结果可知，振冲碎石桩加固地基对竣工期和蓄水期的大坝混凝土防渗墙应力变形存在比较明显的影响。在采用振冲碎石桩加固地基后，大坝混凝土防渗墙在竣工和蓄水期的沉降位移、水平位移以及水平应力值均有所减小，其中沉降位移和水平位移的减小幅度较大，因此，采用振冲碎石桩加固地基对抑制大坝混凝土防渗墙位移变形具有显著作用，可以有效保证大坝防渗墙的安全。

表2 竣工蓄水期防渗墙应力变形计算结果分析

3.3 大坝长期变形特征计算结果分析

为了进一步分析振冲碎石桩加固地基的效果，需要对大坝长期变形特征进行模拟计算。由于河湾水库拟建大坝的坝体填筑材料主要是砂板岩风化料，考虑流变、湿化等长期变形因素的影响，对未加固地基和振冲碎石桩加固地基两种不同方案下的大坝坝体长期变形进行三维有限元计算分析，计算绘制坝体计算断面长期变形条件下的沉降位移变化曲线(见图3)。由图可知，河湾水电站大坝的坝体沉降量随着流变时间的增大而增大并在一年之后逐步趋向于稳定。两种不同方案的对比显示，同一流变时间条件下采用振冲碎石桩加固地基的大坝坝体沉降量明显偏小。说明在长期流变条件下，对坝体地基进行振冲碎石桩加固处理，可以有效抑制坝体沉降变形，有利于坝体的长期稳定。

图3 流变条件下的沉降位移变化曲线

绘制坝体计算断面长期变形条件下的水平位移变化曲线(见图4和图5)。由图可知，坝体向上下游方向的水平位移值均随着流变时间的增加而逐渐增大，并于1年之后逐步趋向于稳定。对两种方案的对比显示，同一流变时间条件下采用振冲碎石桩加固地基的大坝坝体水平位移量明显偏小。说明在长期流变条件下，对坝体地基进行振冲碎石桩加固处理，可以有效抑制坝体水平位移变形，有利于坝体的长期稳定。

图4 流变条件下坝体向上游位移变化曲线

图5 流变条件下坝体向下游位移变化曲线

4 结 语

本文以辽宁省爱河干流上的河湾水电站工程为例，以从厚覆盖层复杂地基的处理问题为研究基点，提出利用振冲碎石桩加固地基的设计方案。根据工程地质和大坝设计资料，进行了大坝典型断面的三维单宽有限元模型构建，对振冲碎石桩加固地基和未加固地基两种方案在竣工蓄水期以及长期流变条件下的坝体应力变形进行模拟计算。计算结果显示，在竣工蓄水期以及长期流变条件下，采用振冲碎石桩加固地基时坝体和防渗墙的应力应变值明显较小，有利于抑制大坝变形和坝体稳定，建议在工程设计中采用。同时，本文的研究方法和思路也可以为类似的工程设计提供有益借鉴。当然，具体的工程设计效果还有赖于工程运行之后实际变形监测数据和模拟结果。