邵雙林，陳紅艷

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

1 KDZ水電站工程簡介

KDZ水電站位于新疆伊犁，為引水式電站，發(fā)電引水流量58.01 m3/s，設(shè)計(jì)發(fā)電水頭133.88 m，裝機(jī)容量66 MW，多年平均發(fā)電量2.638 0億KW·h。電站工程由引水渠首、引水渠及渠系建筑物、前池、壓力管道、泄水陡坡、廠房、尾水渠、防洪堤等組成。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。

2 工程地質(zhì)條件

本工程主要不良工程地質(zhì)問題是渠基黃土的濕陷性，分布渠段為引水渠2+500～4+300段、7+450～10+887段。

2.1 引水渠2+500～4+300段

該段渠基位于第四系全新統(tǒng)坡積(Q4dl)含礫粉土地層，一般厚度6～8 m，呈灰黃色，結(jié)構(gòu)較為松散，干燥，含卵礫石，卵石分布不均勻，約占總土重15%，一般粒徑5～10 cm，含礫粉土濕陷系數(shù)0.087～0.102，濕陷起始壓力(p)為22.0～25.0 kPa,屬強(qiáng)烈濕陷；天然密度1.53～1.75 g/cm3，天然含水量2%～5.8%，滲透系數(shù)8.6×10-3cm/s，為中等透水，允許承載力建議值70 kPa。

2.2 引水渠7+450～10+887段

該段渠基位于Ⅲ級—Ⅳ階地坡面上部及Ⅳ級階地頂部，渠基所在地層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積(Q3eol)黃土，厚度巨大，室內(nèi)試驗(yàn)定名低液限粉土，干燥～稍濕，大孔隙，含鈣質(zhì)結(jié)核及蝸牛殼，具濕陷性。天然密度平均值1.45 g/cm3，含水率平均值6.87%，滲透系數(shù)1.52×10-5～9.55×10-5cm/s，平均值5.10×10-5cm/s，屬弱透水層。

地表下0～20 m為自重濕陷性土，0～13 m深度內(nèi)濕陷系數(shù)多大于0.07，多屬強(qiáng)烈濕陷性黃土， 13～20 m濕陷系數(shù)多大于0.03，屬中等濕陷性黃土；渠基以下9 m深度濕陷系數(shù)多大于0.03，屬中等-強(qiáng)烈濕陷黃土，渠基以下9～16 m為輕微濕陷性黃土，16 m以下為非濕陷性黃土。

3 渠基處理方案比選

3.1 預(yù)浸水法

預(yù)浸水法[2]是濕陷性黃土處理的傳統(tǒng)方案，本次設(shè)計(jì)過程中于2014年10月在渠道9+500處開挖了一處試坑開展了預(yù)浸水試驗(yàn)，試坑長度80 m，寬度30 m，首次浸水深度1.5 m。2015年3月通過探坑開挖查看浸水效果，濕潤土層厚度不到1.5 m，1.5 m深度以下土層性態(tài)基本未發(fā)生任何變化。分析其原因，現(xiàn)狀黃土滲透系數(shù)較小，浸水很難下滲到預(yù)處理的深度范圍，效果不佳。另外浸水水量需從7 km以外的河道拉取，運(yùn)水費(fèi)用較高，加之浸泡過的黃土基面晾曬到符合渠道墊層料鋪設(shè)的作業(yè)面條件耗時(shí)也很長，因此預(yù)浸水法在該工程實(shí)施較為困難，實(shí)際效果也不佳。

3.2 翻夯法

翻夯法是黃土高原地區(qū)處理濕陷性黃土渠基的常用方法之一，其方法是將一定厚度的黃土挖出進(jìn)行置備后再回填壓實(shí)，實(shí)質(zhì)是形成一層相對不透水層達(dá)到防滲效果和在一定程度上提高渠基承載力。本工程黃土含水率低，處理渠段長，土料制備難度大。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，很難制備出符合含水率要求，均一性較好的填筑土料，另外渠道為梯形斷面，坡面翻夯壓實(shí)難度大，因此翻夯法在本工程中實(shí)施難度也很大。

3.3 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是利用重錘自由落體產(chǎn)生的能量對土體進(jìn)行強(qiáng)力夯擊破壞濕陷性黃土大孔隙結(jié)構(gòu)，使土體顆粒更緊密的連接，降低孔隙率，增加地基強(qiáng)度，減少變形量，從而達(dá)到消除濕陷性黃土的濕陷性的目標(biāo)。

3.3.1 強(qiáng)夯試驗(yàn)開展情況

本工程設(shè)計(jì)階段在分析了預(yù)浸水法效果不佳、翻夯法實(shí)施難度較大的現(xiàn)實(shí)條件下，重點(diǎn)對強(qiáng)夯法進(jìn)行了研究，結(jié)合不同渠段工程地質(zhì)條件開展了多組強(qiáng)夯現(xiàn)場試驗(yàn)，重點(diǎn)試驗(yàn)了相同夯擊能對不同厚度濕陷性黃土強(qiáng)夯效果，相同夯擊能在不同含水率條件下的強(qiáng)夯效果，強(qiáng)夯對含礫坡積粉土的處理效果以及夯點(diǎn)布置形式對處理效果的影響等，最終結(jié)合夯前夯后實(shí)際檢測數(shù)據(jù)對比分析對強(qiáng)夯效果進(jìn)行綜合評價(jià)，提出了強(qiáng)夯施工控制參數(shù)。

本文以渠道10+492試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯試驗(yàn)為例對試驗(yàn)情況，設(shè)計(jì)參數(shù)對比分析及強(qiáng)夯參數(shù)選擇過程敘述如下：

表1 10+492渠道試夯區(qū)前、夯后試驗(yàn)資料對照分析表

3.3.2 夯前原始地層特性

(1)天然含水率7.2%～10%，平均天然含水8.74%。

(2)起夯面以下0～7 m濕陷系數(shù)0.03～0.07，為中等濕陷；8～20 m濕陷系數(shù)基本位于0.015～0.03之間，為輕微濕陷。

(3)起夯面以下0～7 m起始壓力較小，大多位于52～80 KPa，8～20 m起始壓力大較大，大多大于100 KPa。

3.3.3 試夯效果分析

(1)綜合干密度、孔隙率、濕陷系數(shù)、滲透系數(shù)變化規(guī)律及對比關(guān)系，8 000 KN·m夯擊能情況下影響深度為9 m。

(2)從夯后濕陷系數(shù)看，0～7 m范圍效果顯著，0～9 m夯后濕陷系數(shù)基本均小于0.015，濕陷性完全消除。

(3)從夯后干密度和孔隙率看，0～4 m孔隙率減小24%以上，5～7 m孔隙率減小12%～15%，8～10 m孔隙率減小9%～10%。

(4)從滲透系數(shù)看，夯后0～5 m范圍滲透系數(shù)減小64%～97%，6～10 m滲透系數(shù)減小30%～45%。

3.3.4 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

(1)處理深度：從夯前檢測資料看，渠基以下20 m范圍均為濕陷性黃土，通過強(qiáng)夯消除全部濕陷性不可實(shí)現(xiàn)[2]。

(2)從不同深度濕陷性差異看，1～7 m范圍濕陷系數(shù)均大于0.03，為中等濕陷，7 m以下濕陷系數(shù)大多小于0.03，為輕微濕陷，本次設(shè)計(jì)處理厚度為中等濕陷土層，確定為8 m。

(3)本試夯區(qū)面積為80 m×27 m，主夯點(diǎn)采用8 000 KN·m夯擊能，夯點(diǎn)呈正方形布置，第一遍夯擊點(diǎn)間距為7 m，第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間，夯點(diǎn)間距為7 m，整體呈梅花形布置，滿夯采用3 000 KN·m夯擊能。從夯后檢測數(shù)據(jù)看，3 m以下土層兩主夯點(diǎn)之間干密度值略微偏低，渠基均一性稍差。在最終出具的強(qiáng)夯施工參數(shù)中按照擬定的8 m處理深度，將主夯點(diǎn)夯擊能調(diào)整為7 000 KN·m，滿夯夯擊能調(diào)整為2 500 KN·m，夯點(diǎn)調(diào)整為等邊三角形布置，間距為5.23 m。從施工過程中的檢測資料看，采用修正后的強(qiáng)夯施工參數(shù)處理過的地基，處理深度、濕陷性消除程度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，處理過的地基各項(xiàng)指標(biāo)的均一性和整體性都較好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)(見圖1和圖2)。

圖1 試夯區(qū)夯點(diǎn)布置 圖2 實(shí)施期夯點(diǎn)布置

4 KDZ水電站濕陷性黃土渠基處理方案

KDZ水電站濕陷性黃土渠基處理按照防治結(jié)合，上堵下排的基本原則，具體方案為：

(1)防：加強(qiáng)渠道防滲設(shè)計(jì)，防滲結(jié)構(gòu)自上而下為10 cm現(xiàn)澆混凝土板+3 cm砂漿墊層+兩層一布一膜(200 g/m2/0.5 mm)，防滲結(jié)構(gòu)下設(shè)置50 cm砂礫石防凍墊層。

(2)治：對風(fēng)積濕陷性黃土段(7+500～10+884)及坡積含礫粉土(2+500～4+300)段，結(jié)合強(qiáng)夯試驗(yàn)所取得的參數(shù)，采用5 000～8 000 KN·m(主夯點(diǎn))的夯擊能對渠道范圍進(jìn)行全斷面強(qiáng)夯，強(qiáng)夯處理面積共計(jì)8.81萬 m2，經(jīng)檢測渠基以下中等—強(qiáng)烈濕陷土層濕陷性全部消除。

(3)上堵下排：加強(qiáng)渠道防滲結(jié)構(gòu)盡可能阻止渠道水向渠基下滲，達(dá)到堵漏目標(biāo)；為防止局部滲漏對渠基穩(wěn)定造成影響，在渠底設(shè)置縱向排水，每隔500～600 m設(shè)置一處縱向豎排，豎排采用大口井，井壁為鋼管，內(nèi)填碎石，豎井底部深入下層強(qiáng)透水性的砂礫石地層2 m。

5 KDZ水電站引水渠道濕陷性黃土渠基處理技術(shù)要點(diǎn)分析

(1)濕陷性黃土作為一種不良地基，對工程安全造成嚴(yán)重威脅，近年來已建水利工程中由濕陷性黃土基礎(chǔ)沉降變形引起的工程事故多發(fā)，因此必須高度重視濕陷性黃土場地水利工程地基處理工作。

(2)目前可借鑒的濕陷性黃土處理措施較多，但在某個(gè)具體工程中采用何種處理方案需結(jié)合工程地質(zhì)條件，濕陷性黃土具體特性，施工條件、工期，工程造價(jià)等因素綜合分析，選取最適合本工程實(shí)際的處理方案。

(3)如采用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土，要重視強(qiáng)夯試驗(yàn)的重要性，盡量采用原位試驗(yàn)，開展多參數(shù)強(qiáng)夯試驗(yàn)并從中擇優(yōu)選擇施工強(qiáng)夯參數(shù)，以便在滿足處理效果的基礎(chǔ)上達(dá)到節(jié)省投資的目標(biāo)。

(4)為保障處理效果，要重視夯前地質(zhì)勘察和夯后檢測工作，檢測主控項(xiàng)應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)加以甄別。除檢測一般要求的濕陷系數(shù)外，在水利工程中透水性是關(guān)乎濕陷性黃土地基變形的主要因素，建議將滲透系數(shù)作為水利工程強(qiáng)夯檢測的主控項(xiàng)；另外重點(diǎn)關(guān)注夯前夯后干密度值及隨深度的前后變化情況，以此可快速判別強(qiáng)夯作業(yè)的影響程度及深度，為及時(shí)優(yōu)化強(qiáng)夯參數(shù)提供參考；夯后承載力檢測可根據(jù)工程具體情況識別，如上部荷載相對較小的渠道工程，可不進(jìn)行承載力檢測，結(jié)構(gòu)自重較大的水工建筑物應(yīng)將地基承載力作為夯后檢測的主控項(xiàng)。

圖3 渠道防滲典型設(shè)計(jì)圖 圖4 渠基排水典型設(shè)計(jì)圖

(5)防治結(jié)合，上堵下排是濕陷性黃土地基處理的基本原則，尤其是與水密切相關(guān)的水利工程，要取得良好的處理效果，必須多措并舉，在做好濕陷性黃土地基治理的同時(shí)，加強(qiáng)防滲設(shè)計(jì)和排水設(shè)計(jì)(見圖3和圖4)。

(6) KDZ水電站引水渠道濕陷性黃土渠段較長(濕陷性黃土渠段5.4km)，濕陷程度為中等—強(qiáng)烈濕陷，渠道引水流量較大，地形條件復(fù)雜(傍山渠道)，濕陷性黃土渠基的處理效果是本工程安全運(yùn)行的基本保障。本工程設(shè)計(jì)經(jīng)綜合分析論證采用強(qiáng)夯法對原基進(jìn)行處理，并加強(qiáng)防滲設(shè)計(jì)和排水設(shè)計(jì)，工程于2018年9月投入運(yùn)行至今，狀態(tài)安全，從渠道沿線布置的變形、滲流滲壓監(jiān)測數(shù)據(jù)看渠基穩(wěn)定，所采取的工程措施達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。