土石坝基础深厚软土处理方法及土石坝

技术领域

本发明涉及一种土石坝基础深厚软土处理方法及土石坝。适用于水利工程中土石坝坝基深厚软土的处理。

背景技术

土石坝是筑坝历史最悠久的坝型，因为其基础适应性强、坝料就地取材经济性好等突出优点，也是应用最为广泛的坝型。在(处理后)满足变形、抗剪强度、渗透稳定及渗漏量等要求的情况下，土石坝可以利用覆盖层作为坝基，如瀑布沟水电站心墙堆石坝最大坝高186m，建基于厚达70余米的砂砾石覆盖层上。但对于一些特殊土地基，如软土地基，由于其透水性小、压缩性高、抗剪强度低、灵敏度高，工程特性恶劣，通常只能修建低坝。根据国内已建工程资料，其高度一般较少超过25m。随着地基处理方法的发展和工艺水平的提高，软土地基上建坝的高度也在提高。

软土地基处理的目的主要是提高地基强度，降低压缩性，减少沉降及不均匀沉降，防止大坝产生滑动破坏和产生大的裂缝。常用的处理方法有换土法、设镇压台法、排水井法、振冲碎石桩法等。换土法一般在软土层厚度不大时采用，对于基础深厚软土，由于软土强度极低，如进行开挖换填，要保证软土深基坑边坡稳定难度极大，软土开挖施工难度也非常大，施工成本高，既不经济也不合理；镇压台处理方法，国内外均广泛运用，但一般适用坝高不超过10～15m；排水井法适应复杂地基的能力差，无法穿过或绕过软基中的孤石等障碍物，而且砂井处理深度有限，一般在30m以内。振冲法最早被用来加固和处理砂土地基，近些年来，国内外一些研究人员将振冲碎石桩复合地基的方法应用到软土处理中，取得了良好的效果，振冲碎石桩复合地基在国内外水电工程基础处理中已经得到广泛应用。但截至目前，国内外已建或者在建的软土地基上的土石坝均未超过55.0m，坝基软土厚度一般在20～25m以内，对于深厚软土地基(35～40m)，高土石坝建设仍存在较大困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种土石坝基础深厚软土处理方法及土石坝，以保证坝基沉降变形及抗剪强度满足大坝安全的要求。

本发明所采用的技术方案是：一种土石坝基础深厚软土处理方法，其特征在于：

确定坝基开挖面，该坝基开挖面整体呈槽状，槽底面对应大坝防渗体部位并深至软土层以下，槽底面上、下游的槽壁均为向槽底斜向下倾斜的边坡；

在坝基软土开挖前，先在上部对在大坝防渗体部位上、下游的基础上进行振冲碎石桩施工，桩孔穿过坝基开挖面，且坝基开挖面以上只成孔不回填碎石，仅在坝基开挖面以下回填碎石，坝基开挖面以下形成碎石桩；如果开挖面下方软土不进行处理，软土边坡无法稳定，施工难度也很大；而且一般深厚软土开挖的难度很大，故先用碎石桩进行处理后，才能保证开挖边坡的稳定，具备开挖将大坝核心防渗体放在非软土基础上。

根据确定的坝基开挖面进行开挖换填。

所述振冲碎石桩采用梅花型、菱形或矩形布置。

所述振冲碎石桩的成孔深度从对应大坝防渗体部位往上下游逐渐变浅(根据坝基变形及边坡稳定要求，确定需要变浅或不变浅)。

在进行振冲碎石桩施工前，开挖软土层上方的覆盖层至一定深度，开挖区域为大坝坝体覆盖区域(根据土层分布情况，也不一定是全坝基)。其中：1、如果软土上部表层存在比较差的土层，可以挖除，同时也可以适当减小碎石桩深度；2、软土上部还是要保留一定厚度的正常覆盖层，否则直接在软土面上施工碎石桩，无法施工；3、软土直接在地表时，则不需要开挖，需要在软土上方先垫一层碎石层，才能作为碎石桩施工工作面。

一种土石坝，其特征在于：该土石坝的坝基面整体呈槽状，槽底面对应大坝防渗体部位并深至软土层以下，槽底面上、下游的槽壁均为向槽底斜向下倾斜的边坡；在坝基面的槽底面上、下游区域内均设有若干深入软土层的、由振冲碎石桩施工形成的碎石桩。

所述振冲碎石桩采用梅花型、菱形或矩形布置。

所述振冲碎石桩的成孔深度从对应大坝防渗体部位往上下游逐渐变浅(根据坝基变形及边坡稳定的需要确定变浅或不变浅)。

所述软土层下方为覆盖层时，大坝防渗体下方设有位于所述覆盖层内的混凝土防渗墙；另外，软土层下方仍有覆盖层，如果覆盖层满足基础要求，防渗体可置于覆盖层上，设置防渗墙防渗。

所述软土层下方为基岩时，大坝防渗体下方设有灌浆廊道并向下施工有灌浆帷幕。

本发明的有益效果是：本发明对大坝防渗体基础软土进行了开挖换填，避免了由于过大的沉降变形导致防渗体开裂，对大坝安全的不利影响。

本发明采用振冲碎石桩对部分坝基进行处理，既保证了施工期软土开挖边坡稳定，又可作为永久坝基一部分，提高坝基持力层的物理力学特性；坝基碎石桩能够极大提高软土地基开挖边坡稳定性，减小基坑开挖范围，缩短施工工期，工程量省。

本发明通过基础内一定范围软土的开挖换填，与振冲碎石桩复合地基联合作用，保证坝基变形及稳定；由于软土一般具有高含水率，采用振冲碎石桩进行处理并形成表面排水条件，可以加速软土的排水固结，提高软土自身的物理力学特性。

附图说明

图1为实施例1中土质防渗体心墙坝坝基深厚软土处理典型剖面图。

图2为实施例1中(沥青)混凝土心墙坝坝基深厚软土处理典型剖面图。

图3为实施例1中均质土坝坝基深厚软土处理典型剖面图。

图4为实施例1中土质防渗体心墙坝坝基深厚软土不同处理范围和处理深度典型剖面图。

图5为实施例1中土质防渗体心墙坝心墙置于覆盖层、基础采用防渗墙防渗的典型剖面图。

图6为实施例1中土质防渗体心墙坝采用振冲碎石桩处理、局部开挖换填与设镇压台法组合的典型剖面图。

图7为实施例1中本发明方案No.1的大坝纵剖面图。

图8为实施例1中本发明方案No.2的大坝纵剖面图。

图9为实施例1中方案No.1的大坝最危险滑弧位置分布图。

图10为实施例1中方案No.2的基坑最危险滑弧位置分布图

图11为实施例1中No.1的大坝渗流场分布图。

图12为实施例1中No.1的蓄水期大坝竖向位移分布图。

图13为实施例1中No.1的蓄水期大坝水平向位移分布图。

图14为实施例1中No.2的大坝最危险滑弧位置分布图。

图15为实施例1中No.2的大坝渗流场分布图。

图16为实施例1中No.2的蓄水期大坝竖向位移分布图。

图17为实施例1中No.2的蓄水期大坝水平向位移分布图。

图18为实施例2中土质防渗体心墙坝坝基分两期进行开挖处理的典型剖面图。

1、碎石桩；2、坝体；3、混凝土防渗墙；4、镇压台。

具体实施方式

实施例1：本实施例为一种土石坝基础深厚软土处理方法，包括以下步骤：

在施工前，根据现场情况及大坝设计要求确定坝基开挖面，该坝基开挖面整体呈槽状，槽底面对应大坝中央(大坝防渗体)部位并深至软土层以下，槽底面上、下游的槽壁均为向槽底斜向下倾斜的边坡；

在坝基软土开挖前，在大坝防渗体部位上、下游的基础上进行振冲碎石桩施工，桩孔穿过坝基开挖面，且坝基开挖面以上只成孔不回填碎石，仅在坝基开挖面以下回填碎石，坝基开挖面以下形成碎石桩(碎石桩主要针对软土层布置，如果软土层不是全坝基分布，碎石桩范围也相应缩小；

根据确定的坝基开挖面进行开挖换填，形成基坑。

本实施例还提供一种土石坝，该土石坝的坝基为基坑，坝基面整体呈槽状，槽底面对应大坝防渗体部位并深至软土层以下，槽底面上、下游的槽壁均为向槽底斜向下倾斜的边坡；在坝基面的槽底面上、下游区域内均匀设有若干深入软土层的、由振冲碎石桩施工形成的碎石桩。

本例中在坝基面上可设置多种形式的坝体，如土质防渗体心墙坝(见图1)、(沥青)混凝土心墙坝(见图2)、均质土坝(见图3)、土质防渗体心墙坝与设镇压台法组合(见图6)。

本实施例中振冲碎石桩采用梅花型、菱形或矩形布置，振冲碎石桩的成孔从软土层上方的覆盖层向下穿过软土层，或振冲碎石桩的成孔深度从对应大坝防渗体部位往上下游两侧逐渐变浅，靠近大坝防渗体部位的成孔从软土层上方的覆盖层向下穿过软土层，远离大坝防渗体部位的成孔从软土层上方的覆盖层向下深入软土层(见图4)，深入深度根据坝基变形及边坡稳定的要求确定。

本例中在软土层下方的覆盖层满足大坝基础要求时，大坝防渗体下方设有位于软土层下方覆盖层内的混凝土防渗墙(见图5)。当软土层下方为基岩时，大坝防渗体下方可设置灌浆廊道并向下施工有灌浆帷幕，也可以直接挖到基岩，也可以利用该覆盖层作为防渗体基础，采用防渗墙防渗。

以下采用某工程粘土心墙堆石坝坝基处理方案比较验证了本实施例的有效性：

粘土心墙坝坝顶宽8.0m，上游坝坡坡比为1:2.0，下游坝坡坡比为1:1.8，上游设一宽4m的马道，下游设置“之”字形上坝路。坝体填筑材料分为粘土心墙、过渡料、反滤料、上游坝壳料、下游坝壳料及上、下游护坡。粘土心墙顶宽4.0m，上、下游坡比均为1:0.25，上游侧反滤层、过渡层水平宽度分别为2.0m和2.0m，下游侧反滤层、过渡层水平宽度分别为2.0m和3.0m。坝壳料采用料场开挖料。

河床上部土层为①粉砂夹软土，平均厚度7.64m；②粘土质砾砂，平均厚度3.71m，层顶埋深4.00～11.80m；下部土层为③-1淤泥质土及③-2泥炭质土，以软塑状～软可塑状为主，局部流塑，土质软弱，承载力低，平均厚度30m，层顶埋深9.30～12.50m；④层砂卵石，平均厚度3.19m，层顶埋深21.20～40.10m。

初拟两个方案，方案No.1：挖除表层①粉砂夹软土层作为坝基，坝基覆盖层采用防渗墙处理，如图7；方案No.2：采用本专利提出的坝基处理方法，挖除表层①粉砂夹软土层，对坝基进行振冲碎石桩处理，桩径为1.0m，采用梅花型布置，间距1.5m，最大桩深30m，置换率为0.4；二期进行大坝心墙部位③-1淤泥质土及③-2泥炭质土开挖换填，将大坝心墙置于基岩，如图8。

分别对两个方案进行坝坡稳定、渗流及应力变形计算：

(1)边坡稳定

坝坡稳定计算采用加拿大Geoslope公司开发的GeoStudio软件中的Slope分析模块，根据EM 1110-2-1902的规定，采用计及条块间作用力的Spencer计算方法，坝坡抗滑稳定计算成果见表1。

粘土心墙坝坡稳定计算结果

表1

注：安全系数允许值根据美国规范要求提出。

计算结果表明，方案No.1上游坝坡在各种工况下均满足抗滑稳定要求，但安全裕度较小，下游坝坡在稳定渗流工况、地震工况及最高库水位工况下抗滑稳定系数均不满足规范要求，图9为方案No.1最危险滑弧位置分布图；方案No.2上、下游坝坡在各种工况下均满足抗滑稳定要求。相较于方案No.1，方案No.2各工况下上下游坝坡稳定系数均较大，尤其是地震工况下仍具有一定的安全裕度，图13为方案No.2最危险滑弧位置分布图。

考虑方案No.2基坑开挖深度达40.0m，属于深大基坑，因此对碎石桩施工完成，大坝上下游基坑开挖形成后的临时边坡进行稳定分析，分析成果见表2所示，最危险滑弧分布图见图10所示。

由计算成果可见，基坑上下游坡在施工一般工况及暴雨工况下稳定系数均大于允许值，可见经碎石桩处理后的复合基础开挖边坡在各工况下稳定系数均满足要求。

方案No.2基坑临时边坡稳定分析

表2

注：安全系数允许值根据美国规范要求提出。

(2)渗流分析

坝坡稳定计算采用加拿大Geoslope公司开发的GeoStudio软件中的Seep模块，各计算工况的渗流计算结果见表3，图11和图15分别为方案No.1和方案No.2稳定渗流期大坝渗流场分布图。

渗流计算成果表

表3

由渗流计算可以得出：

①两种方案下，坝体及坝基内的渗流场分布均较为正常，等势线分布合理；

②方案No.1与方案No.2整体渗漏量均不大；

③方案No.2粘土心墙和接触粘土部位渗透坡降较方案No.1小，同时坝基覆盖层最大渗透坡降也较方案No.1小，整体渗透稳定性更好。

(3)二维有限元分析

分别对方案No.1与方案No.2进行二维有限元计算分析，碎石桩置换率均取为0.4，碎石桩基本参数按K＝800考虑。静力计算模型为Duncan模型。计算得出的成果见表4，图13、图14分别是方案No.1蓄水期大坝竖向位移和水平向位移分布图，图16、图17分别是方案No.2蓄水期大坝竖向位移和水平向位移分布图。

二维有限元分析成果表

表4

由计算成果可见，方案No.1在竣工期及蓄水期的坝体、心墙部位沉降较大，蓄水期坝体向下游水平位移较大，不满足安全要求；方案No.2在竣工期及蓄水期的坝体及心墙部位沉降较小，蓄水期坝体向下游水平位移也较小，心墙不易产生由于变形过大而导致的心墙开裂等情况，大坝安全满足要求。

实施例2：本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于坝基开挖可以分两期进行，先对基础面进行一期开挖，然后进行振冲碎石桩施工，再对坝基进行二期开挖。

如图18所示，本实施例在进行振冲碎石桩施工前，开挖软土层上方的覆盖层至一定深度，开挖区域为大坝坝体覆盖区域。