劉強 盧偉 李曉力 田應輝 杜廣進

摘要：金沙江上游拉哇水電站上游圍堰高60 m，基礎覆蓋層深超70 m，圍堰地基中有超過50 m厚的堰塞湖相沉積低液限黏土層，覆蓋層厚度大、承載力低、抗剪強度低、壓縮性高，圍堰工程面臨沉降變形、邊坡不穩(wěn)定等突出問題。常見的軟基處理技術(shù)均不能解決該工程所面臨的難題。對該圍堰工程難點進行了分析，采用超深振沖碎石樁加固處理深厚覆蓋層圍堰堰基，并進行了質(zhì)量檢測。結(jié)果表明：該水電工程應用超深振沖碎石樁技術(shù)取得了良好效果。研究成果可為振沖碎石樁工藝在相似地層的應用提供參考。

關(guān)鍵詞：超深振沖碎石樁; 深厚覆蓋層; 拉哇水電站; 金沙江

中圖法分類號：TV553 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.015

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0090 - 06

0 引 言

金沙江上游拉哇水電站上游圍堰覆蓋層具有厚度大、承載力低、滲透系數(shù)低、抗剪強度低、壓縮性高等特征，上游圍堰與大壩基坑開挖形成的聯(lián)合邊坡高度達130 m，圍堰工程面臨邊坡不穩(wěn)定、沉降變形等技術(shù)難題。采取超深碎石樁加固地基，能夠充分發(fā)揮碎石樁促進飽和土地基徑向排水加速固結(jié)、提高復合地基各項力學指標的作用，且在圍堰及基坑開挖邊坡穩(wěn)定的基礎上，防滲體系通過工程措施處理后能夠適應變形，保證圍堰在施工及運行期間的安全。超深碎石樁在施工技術(shù)上具有可行性。

該工程地質(zhì)條件復雜、工程規(guī)模大、重要性突出、技術(shù)難度大、缺乏成熟工程經(jīng)驗、施工制約因素較多，所采用的施工工藝和應對措施對類似工程具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

拉哇水電站位于金沙江上游，屬Ⅰ等大（1）型工程;電站樞紐主要由混凝土面板堆石壩、右岸溢洪洞、右岸泄洪放空洞、右岸地下廠房等建筑物組成，總裝機容量200萬kW（2 000 MW），最大壩高239.00 m。

該電站上游圍堰設計擋水標準采用全年30 a一遇，洪峰流量6 330 m3/s，堰頂高程2 597.00 m，堰頂長度187.75 m，堰頂寬度15.00 m，最大堰高60 m。

上游圍堰采用超深振沖碎石樁進行地基處理，共分兩期施工。超深振沖碎石樁施工在填筑的施工平臺上進行，施工程序為：① 右岸一期施工平臺填筑;② 一期振沖碎石樁施工;③ 右岸一期施工平臺拆除;④ 2020年汛期度汛;⑤ 左岸二期施工平臺填筑;⑥ 二期振沖碎石樁施工;⑦ 左岸二期施工平臺拆除;⑧ 2021年汛期度汛。

一期超深振沖碎石樁施工右岸堰基，由左岸束窄河床過流，施工時間為2020年3月19日至5月17日;二期超深振沖碎石樁施工左岸堰基，由右岸束窄河床過流，施工時間為2020年12月8日至2021年3月21日。共完成振沖碎石樁1 860根，樁長共計51 071.40 m。振沖碎石樁最大單樁深度約70 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 水文氣象

據(jù)巴塘氣象站（海拔2 589.10 m）觀測資料統(tǒng)計，該地多年平均降水量489.1 mm，最大單日降水量42.3 mm，降水量年內(nèi)分配極不均勻，5～10月降水量占全年降水量的 94.9%， 11 月至次年4 月降水量僅占 5.1%。多年平均蒸發(fā)量為2 037 mm（20 cm蒸發(fā)皿），其中5月份的平均蒸發(fā)量最大，為 253.5 mm。多年平均氣溫12.7 ℃，7月份平均氣溫19.7 ℃，12月份平均氣溫4.0 ℃，多年平均最高氣溫21.6 ℃，多年平均最低氣溫5.7 ℃，極端最高氣溫37.9 ℃，極端最低氣溫-12.8 ℃。多年平均相對濕度47%。多年平均風速1.2 m/s，最大風速 22.0 m/s，壩址區(qū)實測最大風速 25.4 m/s，相應風向N。多年平均雷暴日數(shù)為70.7 d，大風日數(shù)為24.2 d。

2.2 工程地質(zhì)

由于上游圍堰地基處理是在截流前，須在施工前填筑施工平臺。上游圍堰地基處理施工范圍內(nèi)河床覆蓋層最大深度為71.4 m，按物質(zhì)成分可分為5層和Ⅰ號透鏡體，由上至下依次為。

（1） Qal-5層（覆蓋層）。為河床沖積砂卵石層夾少量漂石，以卵石夾砂、礫石、漂石為主，卵石、漂石成分為綠片巖、花崗巖等。卵礫石塊徑一般在5～20 cm之間，少部分漂石達80 cm 左右。厚度1.8～10.8 m。

（2） Ql-3層。以黏土質(zhì)砂為主，局部為砂質(zhì)低液限黏土、含細粒土砂及少量的卵礫石，厚度一般為15～25 m。

（3） Ql-2層。以砂質(zhì)低液限黏土為主，局部為黏土質(zhì)砂、低液限黏土，最大厚度約為30 m，巖相變化大，組成復雜;灰褐色黏土呈軟塑狀，局部呈流塑狀，失水后具有一定的硬度。該層自上而下可分為Ql-2-③，Ql-2-②，Ql-2-①三個亞層，其中Ql-2-③層以低液限黏土為主，多呈流塑狀，厚度4.0～8.5 m;Ql-2-②層以低液限粉土和砂質(zhì)低液限粉土為主，多呈可塑-軟塑狀，厚度10～15 m;Ql-2-①層以低液限黏土為主，局部為低液限粉土，多呈可塑-軟塑狀，厚度15.2 m。

（4） Qal-1層。為河床沖積層，以塊石、砂卵石夾砂為主，局部可見碎石土、粉土透鏡體，分布在河床底部。該層厚度一般為5.0～15.0 m，局部達到21.6 m（含崩坡積物），主要為河床沖積、崩積及坡積物。壩址區(qū)缺失第4層。圍堰及大壩基礎覆蓋層內(nèi)分布有透鏡體。

堰基下游端及基坑邊坡上游端發(fā)育的Ⅰ號透鏡體位于河床靠右岸坡腳處，物質(zhì)組成為崩石、塊石，順河向長度為325 m、寬度約70 m，最大厚度為32.1 m，分布高程為2 489.500～2 487.000 m。覆蓋層下伏基巖地層第1層為[Pa-1txn]，其巖性為角閃片巖、綠泥角閃片巖夾少量的云母石英片巖、石英片巖及大理巖，淺表層巖石主要呈弱風化，厚度一般為10～15 m。

上游圍堰工程地質(zhì)情況見圖1，湖相沉積層土體物理學指標見表1～2。

3 圍堰工程技術(shù)特點

3.1 地質(zhì)條件復雜

上、下游圍堰均修建在深度達71 m且含有約50 m厚堰塞湖相沉積低液限黏土的深厚覆蓋層上。圍堰填筑后，軟弱地基土將形成較高的超孔隙水壓力，消散時間長，且圍堰堰基沉降變形和水平位移大，邊坡穩(wěn)定性問題突出。

3.2 工程規(guī)模大

（1） 上游圍堰高度60 m，與基坑開挖形成的聯(lián)合邊坡高度130 m。

（2） 擋水庫容2.8億m3，擋水時間5 a，圍堰工程屬3級建筑物。

（3） 基坑保護施工對象為面板堆石壩、地下廠房，防洪度汛級別高。

（4） 受白格滑坡殘留體的潛在影響，該工程圍堰是金沙江上游梯級開發(fā)中重要的攔蓄潰堰洪水建筑物。

3.3 控制工程沉降及水平變形技術(shù)難度大

在天然地基條件下，上游圍堰填筑后覆蓋層地基最大沉降量約3.5 m，下游坡腳最大水平位移約3.4 m，邊坡穩(wěn)定性及防滲墻墻體、堰體土工膜變形問題突出。

采取樁基等結(jié)構(gòu)控制以防止地基發(fā)生過大沉降及水平變形。但由于覆蓋層深厚且性狀差，加固處理難度大，防滲墻墻體及堰體表面土工膜對變形的適應性問題突出。

3.4 理論研究存在較多技術(shù)難題

（1） 物理力學方面。圍堰地基覆蓋層在縱向、橫向分布不均勻，土層特性差別大。雖經(jīng)大量試驗研究，但因取樣及試驗誤差，仍難以準確獲得真實土體的物理力學指標，如滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等，其計算取值對結(jié)果的影響較為敏感。

（2） 數(shù)學本構(gòu)模型方面。湖相沉積軟弱土體本身屬于非線性、不連續(xù)介質(zhì)，具有黏彈塑性特征。但現(xiàn)有研究手段仍多采用非線彈性本構(gòu)模型。如用確定性的求解方法解決不確定性土工問題，其適用性及誤差判別缺乏依據(jù)。

（3） 土力學邊坡穩(wěn)定性分析方法的適用性。SL 274-2020《碾壓式土石壩設計規(guī)范》及DL/T 5353-2006《水電水利工程邊坡設計規(guī)范》對土質(zhì)邊坡推薦采用極限平衡法。但是該工程由于沉降變形及水平變形較大，堰體和土體均可能開裂發(fā)生應力遷移，采用極限平衡法計算安全系數(shù)及采用有限元應力法計算滑弧穩(wěn)定安全系數(shù)進行穩(wěn)定判別缺乏依據(jù)。

（4） 復合地基及樁土分算的理論體系。① 現(xiàn)有振沖規(guī)范DL/T 5214-2016《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》及地基處理有關(guān)規(guī)范均采用復合地基設計理論[1-2]。該理論根據(jù)樁的置換率及樁和樁間土的特性換算成復合地基特性，進而開展變形及穩(wěn)定計算;缺點是在復合地基的受力模式、變形協(xié)調(diào)性、綜合參數(shù)特別是本構(gòu)模型參數(shù)的選取等方面均缺乏一定的判據(jù)。② 樁土分算理論將樁、土分開考慮，具有一定合理性;但是樁與土的結(jié)合面特性不易模擬，樁體發(fā)生水平變形后，受力特征發(fā)生變化，計算模型不易處理且計算工程量巨大。

3.5 超深振沖碎石樁地基處理缺乏成熟工程經(jīng)驗

經(jīng)過大量分析研究和比選，為充分發(fā)揮覆蓋層土體強度，提出了振沖碎石樁處理方案。中國此成熟技術(shù)一般在35 m左右深度，深度達65 m的超深振沖碎石樁尚未有實施案例，施工技術(shù)難度高。

3.6 施工工期安排受制約因素較多

工程計劃于2021年11月截流，截流后1個枯水期內(nèi)應完成圍堰填筑及防滲體系施工，否則汛期度汛安全問題突出。圍堰填筑時間快，時間不足以使軟弱地基充分排水固結(jié)。為使圍堰填筑期不受地基處理施工干擾，地基加固工程還必須在截流前于天然河道上修建平臺完成施工。截流前下河施工，安全問題也較為突出。因此，超深振沖碎石樁施工質(zhì)量為該工程的關(guān)鍵技術(shù)要點之一。

4 圍堰處理振沖施工方法

4.1 設計技術(shù)要求

拉哇水電站上游圍堰高60 m，基礎覆蓋層深度超70 m，堰體庫容2.8億m3，設計使用壽命5 a。

根據(jù)前期地質(zhì)勘探及生產(chǎn)性試驗研究，振沖技術(shù)指標要求如下。

（1） 振沖碎石樁設計直徑1.2 m，滲透系數(shù)不小于1×10-2 cm/s，壓縮模量不小于50 MPa，固結(jié)排水剪內(nèi)摩擦角標準值不小于40°，單樁承載力不小于 600 kPa。

（2） 碎石樁填料采用具有良好級配的碎石，石料飽和抗壓強度大于40 MPa，粒徑控制在 20～80 mm之間，20～40 mm 占比約 40%，40～80 mm占比約 60%。

（3） 樁體及相關(guān)布置要求為：樁體底部伸入Qal-1層以內(nèi)0.5 m，上部伸入Qal-5層頂部，中間貫穿堰塞湖相沉積層。

（4） 振沖碎石樁布樁采用梅花型，共分兩區(qū)布置：SY0-142.500 m～SY0-029.500 m，樁排距及間距為3 m;SY0-029.500 m～SY0-201.500 m，樁排距及間距為2.5 m。

防滲墻下游177 m范圍內(nèi)碎石樁間的排距為3 m，圍堰下游堰腳往上游169 m范圍內(nèi)碎石樁間排距為2.5 m。

4.2 超深振沖碎石樁施工

由于施工平臺填筑部分位于水下，回填時間較短，碎石土黏性顆粒含量少，導致回填層較松散，極易產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，影響施工效率，并對大型機械設備的安裝、使用、拆除有一定的影響。為降低對施工平臺填筑部分的不利影響、保證施工效率及施工安全，結(jié)合工程地質(zhì)勘察報告和現(xiàn)場踏勘結(jié)果，綜合考慮工期、地層適用性、施工作業(yè)面等因素，采用了旋挖鉆機對施工平臺填筑約12 m的深度進行引孔并下設護筒，振沖樁施工工藝流程如圖2所示。

振沖碎石樁施工是以起重設備吊起振沖器，利用振沖器的水平振動和高壓水或輔以高壓空氣的共同作用，在地基土層中成孔后，回填石料，經(jīng)振密形成振沖碎石樁。該施工設備主要由起吊設備、振沖器、電器控制系統(tǒng)、供水設備、填料設備等組成。該工程因施工樁長最深超過60 m，屬于超深振沖碎石樁施工。

4.3 振沖碎石樁施工工藝

4.3.1 振沖施工工藝要求

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2-3]，振沖碎石樁施工時的工藝要求如下。

（1） 造孔和清孔。① 施工時振沖器噴水中心與孔徑中心偏差不得大于5 cm。② 振沖造孔后，成孔中心與施工圖紙定位中心偏差不得大于10 cm。③ 樁頂中心與定位中心偏差不得大于樁孔直徑的1/4。④ 振沖器貫入土中時應保持豎直。⑤ 振沖器每貫入1～2 m孔段，應記錄一次造孔電流、水壓和時間，直至貫入到試驗規(guī)定的深度。⑥ 完孔后應清孔1～2遍。⑦ 終孔標準：達到設計孔深;達到該孔位臨近的地質(zhì)勘察孔及補充勘察孔資料相關(guān)要求;振沖器造孔電流達200 A以上，且持續(xù)造孔5 min左右無明顯進尺;振沖器造孔穿過湖相沉積層土體后進入底部透鏡體或Qal-1層卵石、塊石夾砂層0.2 m以上，振沖器導桿抖動明顯，振動強烈，持續(xù)造孔10 min左右無明顯進尺。

（2） 填料和加密。采用強迫填料法填料。加密參數(shù)為：① 制樁電壓為380 V，波動超過±20 V不得施工;② 加密段長度30～50 cm;③ 留振時間8～10 s;④ 填料量1.4～1.6 m3/m。

4.3.2 振沖碎石樁施工措施

（1） 施工難點。① 覆蓋層深厚。該工程需在截流前施工，且施工區(qū)域位于金沙江中，必須回填出一個施工平臺以進行振沖碎石樁的施工，導致需處理的堰塞湖相沉積層上部覆蓋層達15 m左右，且覆蓋層中有Qal-5層，即河床沖積砂卵石層的存在，振沖器極難穿透該層，施工難度大。② 處理厚度大。需處理的堰塞湖相沉積層厚度達到50 m，為中國目前振沖碎石樁工藝處理的最大厚度。③ 造孔深度大。中國振沖碎石樁施工水平在35 m范圍內(nèi)，而本項目針對圍堰地基堰塞湖相沉積低液限黏土層進行振沖處理，超出現(xiàn)行業(yè)水平，是當前世界上最深的振沖碎石樁工程。

（2） 針對措施。① 選用大功率、大振幅的振沖設備。由于覆蓋層存在砂卵石層，一般振沖器難以穿透，因此選用了功率為220 kW、振幅為28 mm的BJV220型振沖器。② 加強生產(chǎn)管理，聘請了從事過多個振沖施工項目、具有豐富施工經(jīng)驗和技術(shù)的管理人員進行現(xiàn)場生產(chǎn)管理。同時，聘請了設置項目主管和技術(shù)主管，配備包含技術(shù)、設備、施工、項目管理等專業(yè)的專家團隊。 ③ 采用了大噸位的300 t及320 t履帶式起重機作為起吊設備。組裝了世界最深振沖施工設備，總長73 m，總重約20 t。由于設備自重大，遇到硬層時利于造孔，對振沖加密效果好，也明顯提高了工作效率。

（3） 施工方法。① 造孔：振沖器運行正常后，下放振沖器至施工平臺開始造孔， 將振沖器徐徐貫入土中，直至終孔深度。過程中將造孔水壓控制在0.3～0.8 MPa，振沖器貫入速率不超過2 m/min，振沖器下沉過程中的電流值不超過電機的額定值。② 終孔：根據(jù)4.2.2振沖施工工藝要求，達到終孔標準的設計孔深即終孔。③ 清孔：造孔時返出泥漿稠或孔中有狹窄或縮孔地段時應進行清孔。清孔時將振沖器提出孔口或在需要擴孔地段上下反復提拉振沖器，使孔口返出的泥漿變稀，保證振沖孔順直通暢以利于填料沉落，此時振沖器電流基本為空載電流值。④ 填料加密：采用強迫填料制樁工藝。在地基軟土層中成孔后，回填性能穩(wěn)定的硬質(zhì)粗顆粒材料，依靠振沖器的自重和水平振動力等向下擠壓并振密形成密實的碎石樁體;制樁時連續(xù)施工，加密從孔底開始，加密段長度不得超過0.5 m，逐段向上，中間不得漏振。加密電流和留振時間應符合設計要求。加密為自下而上，直至加密施工至設計要求的樁頂標高。加密電壓為380 V，波動不得超過±20 V。

5 超深振沖碎石樁施工技術(shù)應用經(jīng)驗總結(jié)

5.1 加固處理堰塞湖相沉積低液限黏土層優(yōu)勢顯著

采用超深振沖碎石樁加固處理50 m厚堰塞湖相沉積低液限黏土層，與強夯法、沉管砂石樁法、深層攪拌法等地基處理技術(shù)相比有明顯的優(yōu)勢。因振沖器位于施工設備的底部，其加固土層的動能不因施工深度的變化而變化，即振沖器的激振力在土層的任何深度部位均相同，因此該法加固原土層后形成的復合地基均勻性好，加固處理深厚覆蓋層軟土有其得天獨厚的優(yōu)勢，應用前景廣闊。

5.2 加固處理堰塞湖相沉積低液限黏土層效果明顯

超深振沖碎石樁加固處理堰塞湖相沉積黏土層是在振沖器水平振動和高壓水或輔以高壓空氣的共同作用下，在地基軟土層中成孔后，回填性能穩(wěn)定的硬質(zhì)粗顆粒材料，經(jīng)振沖器自重向下擠壓和經(jīng)水平振動振密形成增強體（振沖碎石樁），增強體和周圍地基土形成復合地基。

振沖碎石樁復合地基與原地基相比，其承載力高、壓縮性小，能夠減少地基的沉降量和差異沉降量，提高土體的抗剪強度，且復合地基中的碎石樁樁體有應力集中和砂井排水雙重作用。

5.3 注意事項

在超深振沖碎石樁處理地基時，對于深厚覆蓋層，因其土層物理力學性質(zhì)變化大，地質(zhì)條件復雜，必須采用大功率振沖器方可穿透復雜的土層達到一定的深度;此外，由于碎石樁深度大，起吊設備要求高，安全施工要求嚴格。

6 質(zhì)量檢測

施工完成后，采用重型動力觸探、跨孔CT、現(xiàn)場滲透試驗檢測[4]，所得結(jié)果如下。

（1） 由重型動力觸探檢測成果可知，振沖碎石樁整體質(zhì)量較好，所檢振沖碎石樁的樁身在修正后平均重型動力觸探擊數(shù)均大于15擊，滿足設計要求，各樁各測段的平均修正擊數(shù)均滿足設計要求，合格率100%。

（2） 由滲透試驗成果可知，各測點的滲透系數(shù)均滿足不小于1×10-2 cm/s的設計要求，合格率100%。所測滲透系數(shù)最小值為1.55×10-2 cm/s，最大值為8.74×10-2 cm/s，表明振沖碎石樁透水性良好。

（3） 跨孔CT測試是通過獲取地層不同點位的縱波波速來反映地層分布情況。在該項目中，通過跨孔CT獲取相鄰兩根碎石樁鉆孔之間剖面的縱波波速分布情況，以定性反映樁體對地層的加固效果。從測試成果可知，所檢測的各樁在樁體范圍內(nèi)波速均較高，表明樁體填充良好，密實度較好。波速自兩側(cè)樁體向內(nèi)逐漸降低，說明碎石樁對樁周土有一定的擠密作用。

7 結(jié) 論

本文介紹了超深振沖碎石樁首次應用在處理厚度達到50 m的堰塞湖相沉積層中。根據(jù)振沖碎石樁施工過程和檢測結(jié)果，該工程滿足了振沖碎石樁設計直徑1.2 m、滲透系數(shù)不小于 1×10-2 cm/s、壓縮模量不小于 50 MPa、固結(jié)排水剪內(nèi)摩擦角標準值不小于 40°、單樁承載力不小于600 kPa的要求，取得了令人滿意的效果。同時，該工程實踐表明，超深振沖碎石樁施工必須采用大功率或超大功率振沖器施工，才能滿足設計要求。該研究為振沖碎石樁工藝在相似地層的應用提供了寶貴的經(jīng)驗。

參考文獻：

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[4] JGJ 340-2015 建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范[S].

（編輯：高小雲(yún)）

Research on application of ultra-deep vibro-replacement stone column for strengthening and treating deep overburden cofferdam foundation

LIU Qiang1， LU Wei2， LI Xiaoli2，TIAN Yinghui1，DU Guangjin1

（1. Rawa Branch， Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co. Ltd.， Batang， 627650， Chna; 2. China Power

Construction Vibroflot Construction Engineering Co. Ltd.， Beijing 100102， China）

Abstract： The upstream cofferdam of the Lawah Hydropower Station is 60 m high， and the foundation overburden is more than 70 m deep. There is a low liquid limit clay layer deposited by the Landslide dammed lacustrine deposit in the cofferdam foundation， which is more than 50 m thick. The overburden layer has the characteristics of large thickness， low bearing capacity， low shear strength and high compressibility. The cofferdam has the problems of land subsidence， deformation and slope instability. Common soft foundation treatment techniques can not solve the technical problems in the Lawah project. The problems of this foundation project are analyzed. The deep overburden cofferdam foundation was reinforced by the ultra-deep vibro-replacement stone column， and the quality was tested. The results show that the ultra-deep vibro-replacement stone column in Lawah Hydropower Project achieved good results. This research results can be a reference for application of vibro-replacement stone column in similar layers.

Key words： ultra-deep vibro-replacement stone column;deep overburden; Lawah Hydropower Station; Jinsha River