宋明家

（河南省淮滨县水利局，河南 淮滨 464400）

0 引言

水库坝体的安全是水库安全运行的关键，坝基的安全又是一项坝体稳定的一个主要因素。因此，有较多的学者对水库坝基安全进行了研究。陈战龙[1]以红山水库为例，介绍了强夯法在地基加固中的作用；高超[2]以石佛寺水库为例，介绍了坝基和坝肩的设计方法，取得了较好的效果；胡海涛等[3]以阿拉沟水库为例使用理论计算的方法研究了含断层水库坝基处理方法；张翔[4]以北疆一引水渠道建设过程中遇到的湿陷性黄土地基为例，提出了一种湿陷性黄土治理方法，取得良好的工程效果；孙林[5]以善卷垸防洪堤建设为研究对象，研究了地基处理施工工艺，取得了较好的工程效果；张小泉[6]对海洋软土地基固结特性进行了研究，分析了固结与沉降特性的关系。本文以出山店水库为例，对含软土地基加固处理进行分析。

1 工程概况

出山店水库是位于淮河干流的唯一一座大（Ⅰ）型水库。水库控制流域面积可达2900 km2，主要包括4部分:主坝、副坝、灌溉洞以及电站厂房。出山店水库主坝和副坝设计洪水标准均为千年一遇，设计水位为95.78 m；校核洪水为万年一遇，校核水位为98.12 m。水库正常蓄水位为88 m，汛期限制水位为86 m，死水位为84 m，水库修建完成后，总库容为12.51亿m3。出山店水库的主坝是由混凝土坝和土坝连接的混合坝，主坝全长3690.57 m，混凝土坝段长为429.57 m，土坝段长为3261 m。主坝穿过多种类型的岩土体，包括不利于坝基稳定的软土、极软土等地基土类型，工程地质条件极为复杂，处理难度较大。坝基地基土的处理是出山店水库设计和施工的重难点和关键点。

2 土坝段软土地基加固处理

土坝段包括长里岗丘陵（168 m）、淮河左岸Ⅱ级阶地（2001.984 m）、Ⅰ级阶地（1138.006 m），全长为 3+274.9 m。各段地基岩土体类型见表1。

表1 土坝地基岩土体类型

根据室内力学实验获取岩土体强度参数，见表2。

表2 岩土体强度参数

3 天然地基土坝沉降

3.1 模型建立

出山店水库土坝延伸较长，在0+900至1+200段，坝基地基存在较大型的断层同时又穿过不同岩性的地基。同时此段土坝的坝高最高，坝体横断面面积最大，坝基含有浅层软土地基，将会是坝体产生较大沉降和不均匀沉降的易发坝段。此区位于Ⅱ级阶地段，根据该段坝基岩土体类型以及坝体结构，建立数值模拟模型。数值模拟强度参数根据室内试验结果选取。计算模型见图1。

图1 出山店水库土坝模型

3.2 计算结果

Z轴方向的沉降变形结果见图2，在软土断层的心墙处，土坝坝体和地基发生最大的沉降变形，从图2可以看出，最大沉降变形位移大于1 m，为坝体最易产生沉降变形破坏的部位；同时，坝基的沉降变形不是均匀的，从心墙处向四周扩散坝基沉降逐渐减小，垂直坝体轴线方向的沉降差为0.2 m。垂直土坝轴线方向的沉降差较为均匀且密集。沿着土坝轴线方向沉降差加大，沉降分布较为不均。

图2 数值模拟计算结果

4 地基处理

4.1 地基处理方案

根据出山店水库土坝段的工程地质勘查结果，土坝地基Ⅰ级阶地段地基材料为中粗的砂层，液化深度可达7.0 m～10.0 m。河槽段砂土为严重液化，土坝影响范围内的砂土液化。为了防止地震导致砂土液化，提高砂土的抗液化能力，防止地基发生较大的沉降量，根据工程设计经验，选取挤密砂桩作为地基处理方案。

4.2 挤密砂桩基本原理

挤密砂桩是指在荷载（振动或冲击荷载）作用下，在待处理的软土地基成孔，再降砂挤入地基岩土体中，从而形成密实度较好的直径较大的砂柱体，从而起到加固地基的作用。挤密砂桩的加固作用机理如下:

（1）挤密作用:砂土自身具有较大的孔隙，在荷载作用下，尤其是受到振动荷载时易发生变形，从而导砂土地基产生较大变形，造成土坝结构的破坏。砂土地基岩土体的密实度决定了砂土地基的抗液化能力和承载力。随着砂土密实度的增加，砂土地基的抗液化能力和地基承载力均会有所增加。使用挤密砂桩法进行地基处理时，就是缩小砂土地基的孔隙比，防止振动作用下砂土产生液化，在挤密作用下，土体和桩体强度有所增加，提高了地基岩土体的抗剪强度。在挤密砂桩施工过程中增加砂土的均匀度，也从侧面提高砂土地基的强度[7]。

（2）排水作用:根据砂土液化原理，水是砂土产生液化的必要因素。当饱和松散岩土体受到循环剪力作用时，易产生缩小变形，岩土体的变形速率大于超静孔隙水压力时，会增大土体的超静孔隙水压力。当超静孔隙水压力大于上覆砂土自重时，砂土有效应力降为0，此时，砂土发生完全振动液化。挤密砂桩是一条排水通道，有助于地基岩土体中水的排泄，可以迅速降低砂土中的超静孔隙水压力，从而有效降低砂土发生液化的可能。快速的排水，可以加速地基砂土的固结[8]。

（3）置换作用:挤密砂桩的部分作用可以替换岩土地基中部分强度较低的岩土体，如强度较低的软土地基，从而形成复合地基。在外力作用下，砂桩将会承受较大的荷载，从而降低软土地基所承受的荷载，减小地基的沉降量[9]。

（4）垫层作用:挤密砂桩是两层岩土体之间的垫层，使地基承受的荷载重新分布，防止局部应力集中[10]。

4.3 地基处理效果研究

根据砂桩设计，设计砂桩间距为5.0 m，按照正方形进行布设，砂桩底部嵌入砾石层。根据砂桩设计结果，建立有限元数值模拟计算模型，见图3。地基处理数值模拟计算结果见图4。

图3 地基处理数值模拟模型

由图4可知，在使用挤密砂桩对地基岩土体进行处理后，形成复合地基。地基的沉降结果得到了明显的改善，最大沉降量仅为0.124 m，小于此处土坝高度的百分之一，沉降数据满足工程设计要求。不均匀沉降差的差值为0.07 m，对整个土坝稳定性的影响可以忽略。因此，使用挤密砂桩进行地基处理，在防沉降方面是可靠的。

图4 地基处理数值模拟计算结果

5 结论

（1）使用数值模拟方法，对天然地基的沉降进行分析，不进行地基处理时，最大沉降量可达1.0 m以上，严重影响土坝结构的稳定性，同时，最大沉降差值为0.2 m，地基中将会产生较大的不均匀沉降。

（2）针对天然地基沉降较大问题，提出使用挤密砂桩法进行地基处理。通过数值模拟分析，最大沉降量减少为0.124 m，最大沉降差为0.07 m，挤密砂桩在进行此类地基处理时具有较好的使用效果，可为类似提供参考。