宋明家

（河南省淮濱縣水利局，河南 淮濱 464400）

0 引言

水庫(kù)壩體的安全是水庫(kù)安全運(yùn)行的關(guān)鍵，壩基的安全又是一項(xiàng)壩體穩(wěn)定的一個(gè)主要因素。因此，有較多的學(xué)者對(duì)水庫(kù)壩基安全進(jìn)行了研究。陳戰(zhàn)龍[1]以紅山水庫(kù)為例，介紹了強(qiáng)夯法在地基加固中的作用；高超[2]以石佛寺水庫(kù)為例，介紹了壩基和壩肩的設(shè)計(jì)方法，取得了較好的效果；胡海濤等[3]以阿拉溝水庫(kù)為例使用理論計(jì)算的方法研究了含斷層水庫(kù)壩基處理方法；張翔[4]以北疆一引水渠道建設(shè)過(guò)程中遇到的濕陷性黃土地基為例，提出了一種濕陷性黃土治理方法，取得良好的工程效果；孫林[5]以善卷垸防洪堤建設(shè)為研究對(duì)象，研究了地基處理施工工藝，取得了較好的工程效果；張小泉[6]對(duì)海洋軟土地基固結(jié)特性進(jìn)行了研究，分析了固結(jié)與沉降特性的關(guān)系。本文以出山店水庫(kù)為例，對(duì)含軟土地基加固處理進(jìn)行分析。

1 工程概況

出山店水庫(kù)是位于淮河干流的唯一一座大（Ⅰ）型水庫(kù)。水庫(kù)控制流域面積可達(dá)2900 km2，主要包括4部分:主壩、副壩、灌溉洞以及電站廠房。出山店水庫(kù)主壩和副壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)均為千年一遇，設(shè)計(jì)水位為95.78 m；校核洪水為萬(wàn)年一遇，校核水位為98.12 m。水庫(kù)正常蓄水位為88 m，汛期限制水位為86 m，死水位為84 m，水庫(kù)修建完成后，總庫(kù)容為12.51億m3。出山店水庫(kù)的主壩是由混凝土壩和土壩連接的混合壩，主壩全長(zhǎng)3690.57 m，混凝土壩段長(zhǎng)為429.57 m，土壩段長(zhǎng)為3261 m。主壩穿過(guò)多種類型的巖土體，包括不利于壩基穩(wěn)定的軟土、極軟土等地基土類型，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，處理難度較大。壩基地基土的處理是出山店水庫(kù)設(shè)計(jì)和施工的重難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

2 土壩段軟土地基加固處理

土壩段包括長(zhǎng)里崗丘陵（168 m）、淮河左岸Ⅱ級(jí)階地（2001.984 m）、Ⅰ級(jí)階地（1138.006 m），全長(zhǎng)為 3+274.9 m。各段地基巖土體類型見表1。

表1 土壩地基巖土體類型

根據(jù)室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取巖土體強(qiáng)度參數(shù)，見表2。

表2 巖土體強(qiáng)度參數(shù)

3 天然地基土壩沉降

3.1 模型建立

出山店水庫(kù)土壩延伸較長(zhǎng)，在0+900至1+200段，壩基地基存在較大型的斷層同時(shí)又穿過(guò)不同巖性的地基。同時(shí)此段土壩的壩高最高，壩體橫斷面面積最大，壩基含有淺層軟土地基，將會(huì)是壩體產(chǎn)生較大沉降和不均勻沉降的易發(fā)壩段。此區(qū)位于Ⅱ級(jí)階地段，根據(jù)該段壩基巖土體類型以及壩體結(jié)構(gòu)，建立數(shù)值模擬模型。數(shù)值模擬強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果選取。計(jì)算模型見圖1。

圖1 出山店水庫(kù)土壩模型

3.2 計(jì)算結(jié)果

Z軸方向的沉降變形結(jié)果見圖2，在軟土斷層的心墻處，土壩壩體和地基發(fā)生最大的沉降變形，從圖2可以看出，最大沉降變形位移大于1 m，為壩體最易產(chǎn)生沉降變形破壞的部位；同時(shí)，壩基的沉降變形不是均勻的，從心墻處向四周擴(kuò)散壩基沉降逐漸減小，垂直壩體軸線方向的沉降差為0.2 m。垂直土壩軸線方向的沉降差較為均勻且密集。沿著土壩軸線方向沉降差加大，沉降分布較為不均。

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

4 地基處理

4.1 地基處理方案

根據(jù)出山店水庫(kù)土壩段的工程地質(zhì)勘查結(jié)果，土壩地基Ⅰ級(jí)階地段地基材料為中粗的砂層，液化深度可達(dá)7.0 m～10.0 m。河槽段砂土為嚴(yán)重液化，土壩影響范圍內(nèi)的砂土液化。為了防止地震導(dǎo)致砂土液化，提高砂土的抗液化能力，防止地基發(fā)生較大的沉降量，根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取擠密砂樁作為地基處理方案。

4.2 擠密砂樁基本原理

擠密砂樁是指在荷載（振動(dòng)或沖擊荷載）作用下，在待處理的軟土地基成孔，再降砂擠入地基巖土體中，從而形成密實(shí)度較好的直徑較大的砂柱體，從而起到加固地基的作用。擠密砂樁的加固作用機(jī)理如下:

（1）擠密作用:砂土自身具有較大的孔隙，在荷載作用下，尤其是受到振動(dòng)荷載時(shí)易發(fā)生變形，從而導(dǎo)砂土地基產(chǎn)生較大變形，造成土壩結(jié)構(gòu)的破壞。砂土地基巖土體的密實(shí)度決定了砂土地基的抗液化能力和承載力。隨著砂土密實(shí)度的增加，砂土地基的抗液化能力和地基承載力均會(huì)有所增加。使用擠密砂樁法進(jìn)行地基處理時(shí)，就是縮小砂土地基的孔隙比，防止振動(dòng)作用下砂土產(chǎn)生液化，在擠密作用下，土體和樁體強(qiáng)度有所增加，提高了地基巖土體的抗剪強(qiáng)度。在擠密砂樁施工過(guò)程中增加砂土的均勻度，也從側(cè)面提高砂土地基的強(qiáng)度[7]。

（2）排水作用:根據(jù)砂土液化原理，水是砂土產(chǎn)生液化的必要因素。當(dāng)飽和松散巖土體受到循環(huán)剪力作用時(shí)，易產(chǎn)生縮小變形，巖土體的變形速率大于超靜孔隙水壓力時(shí)，會(huì)增大土體的超靜孔隙水壓力。當(dāng)超靜孔隙水壓力大于上覆砂土自重時(shí)，砂土有效應(yīng)力降為0，此時(shí)，砂土發(fā)生完全振動(dòng)液化。擠密砂樁是一條排水通道，有助于地基巖土體中水的排泄，可以迅速降低砂土中的超靜孔隙水壓力，從而有效降低砂土發(fā)生液化的可能。快速的排水，可以加速地基砂土的固結(jié)[8]。

（3）置換作用:擠密砂樁的部分作用可以替換巖土地基中部分強(qiáng)度較低的巖土體，如強(qiáng)度較低的軟土地基，從而形成復(fù)合地基。在外力作用下，砂樁將會(huì)承受較大的荷載，從而降低軟土地基所承受的荷載，減小地基的沉降量[9]。

（4）墊層作用:擠密砂樁是兩層巖土體之間的墊層，使地基承受的荷載重新分布，防止局部應(yīng)力集中[10]。

4.3 地基處理效果研究

根據(jù)砂樁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)砂樁間距為5.0 m，按照正方形進(jìn)行布設(shè)，砂樁底部嵌入礫石層。根據(jù)砂樁設(shè)計(jì)結(jié)果，建立有限元數(shù)值模擬計(jì)算模型，見圖3。地基處理數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖3 地基處理數(shù)值模擬模型

由圖4可知，在使用擠密砂樁對(duì)地基巖土體進(jìn)行處理后，形成復(fù)合地基。地基的沉降結(jié)果得到了明顯的改善，最大沉降量?jī)H為0.124 m，小于此處土壩高度的百分之一，沉降數(shù)據(jù)滿足工程設(shè)計(jì)要求。不均勻沉降差的差值為0.07 m，對(duì)整個(gè)土壩穩(wěn)定性的影響可以忽略。因此，使用擠密砂樁進(jìn)行地基處理，在防沉降方面是可靠的。

圖4 地基處理數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

（1）使用數(shù)值模擬方法，對(duì)天然地基的沉降進(jìn)行分析，不進(jìn)行地基處理時(shí)，最大沉降量可達(dá)1.0 m以上，嚴(yán)重影響土壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)，最大沉降差值為0.2 m，地基中將會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降。

（2）針對(duì)天然地基沉降較大問(wèn)題，提出使用擠密砂樁法進(jìn)行地基處理。通過(guò)數(shù)值模擬分析，最大沉降量減少為0.124 m，最大沉降差為0.07 m，擠密砂樁在進(jìn)行此類地基處理時(shí)具有較好的使用效果，可為類似提供參考。