大功率振冲器在水电站坝基深厚覆盖层中的振冲试验与施工

李全福

(中国水利水电第十工程局有限公司,四川都江堰 611830)

1 工程概况

鲁基厂水电站位于云南省禄劝县境内,距昆明公路里程 177 km。该电站为普渡河流域梯级开发的一座中型引水式电站,装机容量 102 MW。工程等别属Ⅲ等。电站工程区地震基本烈度为Ⅷ度,设计烈度为Ⅷ度。

首部枢纽主要建筑物包括挡水坝、泄水闸、冲砂闸,最大坝高 30 m,除左岸部分混凝土重力坝连接段建于基岩外,其余均建于河床覆盖层上。因天然地基承载力不能满足设计要求,拟采用振冲处理形成复合地基,提高坝基河床覆盖层的地基承载力,以满足各主要建筑物对地基的要求。

2 工程地质条件

本工程坝址处河床覆盖层厚度呈“V”型分布,中间厚、两边薄,变化范围从 8.5 ～41.9 m。根据勘探结果,河床覆盖层大致分为四层(图 1)。

图 1 鲁基厂水电站大坝坝基地质剖面图

第一层:0～18 m为含泥砂砾卵石,以卵石为主,次为砂、砾石及粘粉粒,锥形贯入试验击数为 6.5～33击,呈松散 ～稍密状,天然状态承载力特征值为 200～300 kPa;

第二层:18～25 m为泥质粉细砂,松散状,以粉细砂为主,次为粘粉粒,标贯击数为 4～5击,稍密状,天然状态承载力特征值为 70～80 kPa;

第三层:25～30 m为粉质粘土,可塑状,标贯击数为 11～12击,天然状态承载力特征值为 150～180 kPa;

第四层:30～35 m为泥质砂砾卵石,中密 ～密实状,以卵石为主,次为砂砾石及粘粉粒,天然状态承载力特征值为 350～400 kPa。

3 现场振冲试验

3.1 试验目的

(1)确定合理的振冲桩布桩间距、填料级配及数量等参数,以及振冲桩终孔条件。

(2)选定施工机械(主要是振冲器型号)、施工工艺,确定施工技术参数(每 m进尺填量、加密电流、留振时间、造孔水压、加密水压、加密段长度等),为大面积振冲施工优选合理的参数。

(3)通过试验,为坝基振冲加固施工确定现场质量检测的方法和参数。

3.2 振冲试验要求达到的设计参数

经过振冲处理后的坝基复合地基承载力特征值:A区≥690 kPa,B区≥500 kPa,振冲后砂卵砾石基础相对密度≥0.8,提出了相应的压缩系数及压缩模量。

3.3 试验分区及桩位布置(图 2)

(1)试验区位置的确定。

表 1 ZCQ-180 kW电动振冲器的技术参数表

图 2 坝基振冲试验区布置示意图

根据地质资料揭示的地层情况以及设计所需的地基承载力要求,在坝址振冲区内选择具有代表性的区域分别进行振冲试验。

(2)桩位布置及试验设备。

A、B区选用 180 k W振冲设备进行施工,等边三角形布桩,初步拟定桩间距 2.0 m,实际桩间距可通过现场试验情况由设计进行调整。

(3)桩径及振冲深度。

振冲砾石桩径暂按 1 000～1 200 mm考虑,最终通过现场试验确定。

振冲试验平台高程为 1 065.5～1 066.0 m,根据地质钻探资料初步确定试验区的振冲深度为23～29 m,各试验区的振冲深度需结合试验区原土(砂)地基重(Ⅱ)动力触探结果以及施工过程中振冲器造孔电流的大小最终确定。

3.4 振冲试验的实施

3.4.1 试验选用的主要施工设备

工程试验实际选用的振冲设备为:180 kW电动振冲器、32 t汽车吊、50 t履带吊车等。

3.4.2 A试验区施工

振冲碎石桩现场试验采用 180 kW电动振冲密实法施工工艺,“直接振冲”施工方案。

施工参数控制:ZCQ-180型电动振冲器造孔电流最大值为 260 A,加密电流 190～210 A;加密留振时间 10～15 s;提升段长控制在 50 cm以内;填料量大于 1.12 m3/m(桩径大于 1 m);桩长达到设计要求深度;造孔水压为 0.8～1.3 MPa;密实水压为 0.6～0.8 MPa;孔间距为 2 m×2 m。

振冲试验 A区成桩 24根,共计 340.5 m,填料 600.1 m3,平均孔深 14.2 m,平均桩径 1.25 m。

对于不同密实度的地层,采用不同的振动频率以提高其振冲器的穿透能力。A区振冲试验桩全部采用变频技术穿透密实或块石地层,效果较显著。

3.4.3 B试验区施工

(1)B试验区现场试验仍采用 180 kW电动振冲器密实法施工工艺,“直接振冲”施工方案,用以验证 180 kW电动振冲器是否能够穿透表层及 11～18 m块石层。振冲施工控制参数与 A试验区相同。

在实际振冲造孔过程中多次遇到强透水层及孔口不返水现象。Sb-4-1孔遇块石长时间没有进尺且孔口不返水,孔口、孔壁坍塌将振冲器“抱死”,孔深 16.0 m。后来施工的 3孔均未穿透11～18 m块石层。

(2)鉴于 180 kW电动振冲器无法直接穿透11～18 m块石层,随即采用冲击钻机引孔穿透块石层后,再用振冲器造孔至设计深度,然后进行清孔并按技术要求填料振密成桩。振冲造孔至设计深度时,如果振冲器下沉速度仍较快,应继续造孔至地层较密实为止。该试验区最大振冲深度达33.50 m。

B试验区工作面高程为 1 068.8 m,成桩 17根,共计 553.8 m,最大孔深 33.50 m,平均孔深32.58 m,填料 726.1 m3,平均桩径为 1.12 m。

3.5 振冲试验成果

A区试验成果:面积置换率 m=0.39;复合地基承载力特征值 fspk=354.3 kPa;复合地基变形模量 Eop=38.8 MPa。重型触探检测成果:振冲桩体密实均匀,振冲后桩间土上部2～4 m为松散、稍密,说明加密效果不明显。

B区试验成果:面积置换率 m=0.28;复合地基承载力特征值 fspk=497.92 kPa,复合地基变形模量 Eop=41.1 MPa。。检测点平台 高程1 067.00 m。高程 1 062.5 m基础面的复合地基修正承载力特征值 fa=fspk+ηdγm(d-0.5)=569.92(kPa)。重型触探检测成果:振冲桩体密实均匀,振冲后桩间土加密效果显著。

B试验区复合地基承载力特征值达到了设计要求,A试验区复合地基承载力特征值未达到设计要求。B与A区复合地基承载力特征值差距如此之大是因为:①A区表层是粉质粘土,可加密性差,振冲后的桩间土承载力特征值 fspk=185 k Pa;B区表层为砂砾卵石,可加密性强,振冲后的桩间土承载力特征值可达 350～400 kPa。②A试验区采用振冲器直接振冲成桩工艺,试验区地层底部均存在滚石、块石现象,多数试验孔均未达到设计振冲深度(A区设计深度均为到达基岩面),所以 A试验区桩体的承载力特征值(620 kPa)也偏低。

3.6 振冲试验的结论及建议

(1)电站坝基振冲加固范围内地层中均分布有较多块石层,振冲器不能直接成孔到设计深度。

(2)采用“冲击钻机 +振冲器”振冲施工工艺可以满足设计及施工要求。

(3)经处理后 B区桩间土承载力有显著的提高;A区桩间土承载力提高不显著。

(4)B区处理后的复合地基承载力满足设计要求(≥500 k Pa),并达到设计要求的处理深度,说明 180 kW电动振冲器及试验施工参数选择正确,均满足设计要求。

A区处理后的复合地基承载力不满足设计要求(≥690 kPa)。建议:①加密振冲孔间距;②采用“引孔 +振冲器”振冲施工工艺,使振冲孔达到设计深度(基岩面);③适当降低设计复合地基承载力指标。

4 坝基振冲加固施工

4.1 坝基振冲设计范围及设计要求

坝基振冲设计范围见图 2。设计工程量约为70 000 m。设计要求复合地基承载力特征值≥500 k Pa。

Ⅰ区(A试验区)部分区域(左岸重力坝段)振冲桩孔距为 1.5 m,其它坝段振冲孔距为 2.0 m,上游防渗墙区域与下游消力池及防冲墙部位振冲孔孔距为 2.5 m。

4.2 坝基振冲施工工艺

根据设计要求、地质报告、振冲试验施工情况和施工工期要求,在施工中采取了以下两种振冲施工工艺:

(1)电动振冲器直接振冲施工工艺。

直接采用 ZCQ-180型振冲器和液压振冲器(HD-225)直接造孔后填料振冲加密成桩。适合在工程地质条件较好的部位实施。

(2)旋挖钻机 +冲击钻机 +电动振冲器施工工艺。

①旋挖钻机挖孔 3.0 m,埋设 φ1 000护壁钢桶并引孔至块石层;②冲击钻机钻孔穿透块石层(一般钻孔至 20～24 m);③电动振冲器造孔至设计深度并密实成桩。

4.3 坝基振冲施工参数

引孔振冲施工碎石桩的控制参数与振冲试验参数一样。

4.4 振冲施工

工程振冲加固施工分两期进行,自 2007年11月至 2008年 4月全部完成,历时 5个月,共完成振冲工程量 65 000 m。

在一期振冲施工中,对Ⅰ、Ⅱ区地层上部存在粉质粘土的区域(振后)及时进行了检测,发现复合地基承载力偏低(342～458 kPa和 478～647 kPa),遂采用液压振冲器进行直接加密施工。经振冲加密后第三方检测,复合地基承载力达到578～670 kPa,解决了部分区域加固效果不好、复合地基承载力偏低的问题。

4.5 坝基振冲施工质量检测成果

工程振冲加固后经第三方检测,各项指标均达到或超过设计要求,证明振冲加固施工方案正确。

5 结 语

本工程地质条件较复杂,振冲加固处理深度大(最大深度 33.5 m),180 kW电动振冲器不能穿透块石地层。采用钻机引孔加振冲器振冲的施工工艺,解决了地质条件复杂、振冲处理深度大的难题。

180 k W电动振冲器是我国目前生产的最大功率的电动振冲器,本工程是第一次大规模使用。180 kW电动振冲器配备变频器共同使用,较大程度地提高了振冲器穿透较密实地层的能力;同时,振冲器在造孔和密实过程中通过对振冲电流的实时监控,在振冲电流突变时及时调整供电频率,解决了振冲器突然跳闸的机率;即使跳闸,通过变频器重新启动振冲器也变得较为容易。

180 kW电动振冲器由于激振力比较大,其减震构件和联结螺栓经常出现损坏和松脱现象,振冲器的电机也较易烧毁。这一点有待于振冲器生产厂家进一步完善。

本工程在河床砂卵砾石层引进旋挖钻机进行钻孔施工,其施工工效远高于冲击钻机钻孔工效,较大程度的解决了本工程工程量大、工期紧的问题。同时,也为旋挖钻机在砂卵砾石地层中的钻孔技术积累了经验。

[1] 水电水利工程振冲法地基处理技术规范,DL/T5214-2005[S].

[2] 建筑地基处理技术规范,JGJ 79—2002[S].

[3] 建筑地基基础设计规范,GB 50007-2002[S].