0.   引言

中国已建水库大坝约9.8万座,其中90%以上为土石坝。在水能资源丰富的西南地区,地质条件较理想的坝址基本已完成建设或正在建设。近年来,随着坝工和覆盖层处理技术的不断发展,在覆盖层上修建的面板堆石坝越来越多^[1]。如2009年完工的湖北老渡口面板堆石坝,最大坝高95 m,建在21.5 m的砂砾石覆盖层上；2006年竣工的云南那兰面板堆石坝,最大坝高108.7 m,建在17～24 m的砂砾石覆盖层上；2008年竣工的新疆察汗乌苏面板堆石坝,最大坝高110 m,建在最大深度46.7 m的砂砾石覆盖层上；2008年竣工的甘肃九甸峡面板堆石坝,最大坝高136.5 m,建在最大深度54～56 m的砂砾石覆盖层上；正在施工的新疆阿尔塔什面板砂砾石坝,最大坝高164.8 m,建在最大深度93.9 m的砂砾石覆盖层上。河口村面板堆石坝最大坝高122.5 m,建在41.87 m的砂砾石覆盖层上,覆盖层中存在黏性土夹层、砂卵石层、砂层透镜体等,压缩性差异较大,且空间分布极不均匀,坝基覆盖层处理难度较大。

对于修筑于深厚覆盖层上的高土石坝,国内外学者已开展了大量研究工作^[2-5]。针对深厚覆盖层取样困难,无法准确获取天然密度的问题：Palmer等^[6]和汪小刚等^[7]采用反演方法确定覆盖层参数；程展林等^[8]通过统计分析,得出旁压模量与密度之间服从对数关系,提出了利用旁压或动探试验推求覆盖层密度的新方法,并成功应用于乌东德工程。在深覆盖层数值分析方面：温立峰等^[9]结合实测资料和有限元方法,系统研究了建于深覆盖层地基上面板堆石坝的应力变形特性；孙大伟等^[10]采用有限元加速技术,分析了大河水电站深覆盖层上面板坝和防渗体接缝的变形情况；吴梦喜等^[11]系统研究了覆盖层坝基潜蚀造成应力变形变化的机理,并提出了潜蚀的有限元计算方法。在防渗墙模拟方面：郦能惠等^[12]详细分析了各影响因素对覆盖层中防渗墙应力变形特性的影响；潘迎等^[13]详细研究了河谷地形对深覆盖层中防渗墙应力变形的影响。余翔等^[14]在对覆盖层上土石坝进行三维有限元精细模拟时,采用非协调元模拟防渗墙变形规律和拉应力演化机理。

上述研究成果对把握深覆盖层上高土石坝及其防渗系统的应力变形特性具有重要意义,但是在覆盖层坝基的设计施工中,一般根据工程经验确定坝基处理方案,系统的数值研究成果较少。

本文结合河口村水库工程,制定了固结灌浆、旋喷等多种坝基处理方案。采用非线性有限元法,系统研究了各坝基处理方案对坝体和防渗体接缝变形的影响,并结合工程地质条件确定了覆盖层处理的设计施工方案。通过对比现场监测资料,验证了坝基处理方案的合理性。本文研究成果可以为类似工程的坝基覆盖层处理提供参考。

1.   坝基覆盖层处理技术简介

在覆盖层坝基上修筑高土石坝,由于其变形模量较低且不均匀,需采取处理措施提高地基变形模量,降低覆盖层压缩性,减少坝体沉降及不均匀变形,防止产生防渗体失效。根据国内外利用覆盖层筑坝的实践,坝基覆盖层的处理技术主要有挖除法、强夯法、振冲加密法、固结灌浆法、高压旋喷桩等。

挖除法对坝体稳定和变形最为有利,但基坑处理和排水难度大,施工工期长^[15]。

强夯法技术成熟、施工方便,但处理深度有限,强夯影响深度一般在8～10 m,坝基处理效果随覆盖层组成和地下水位情况变化较大。

振冲碎石桩^[16]是通过对软弱地基进行置换及挤密形成复合地基,可提高地基变形模量和承载力,改善地基不均一性,减少不均匀沉降。同时,软弱地层经过激振后,碎石桩加速了孔隙水压力的消散,能够有效防止地基液化。自1977年引入中国以来,因设备简单、施工方便、经济快捷等优点,在工程上得到了广泛应用,但一般适用于处理松散砂土、粉土、粉质黏土等地基。

固结灌浆^[17]是指将水泥浆液灌入坝基覆盖层,提高坝基的抗变形能力及降低渗透性。其中架空或大孔结构及大部分连通性较好的孔隙被水泥结石充填,但对于地下水流速较大的地基,灌浆效果不理想。固结灌浆工期较长,且必须在大坝截流之前开始施工,施工强度较大,灌浆质量不易保证。

高压旋喷桩^[18]是将带有特殊喷嘴的注浆管置于预定深度,在喷射的同时,以一定的速度旋转、提升喷嘴,形成喷浆液与土体混合的圆柱形桩体。该技术在20世纪70年代发展起来,之后在国内外发展十分迅速。

2.   工程概况

河口村水库工程,位于黄河一级支流沁河最后一段峡谷出口处,是黄河下游防洪体系的重要组成部分。挡水建筑物采用混凝土面板堆石坝,坝址处岸坡陡峻,河谷呈“U”型。坝顶高程288.5 m,最大坝高122.5 m,坝顶长度481.0 m,坝顶宽10.0 m,上、下游坝坡分别为1∶1.5和1∶1.5。趾板置于覆盖层上,布置在面板的周边,与防渗面板通过设有止水的周边缝连接,形成坝基以上的防渗体,趾板上游坝基采用混凝土防渗墙截渗。趾板与防渗墙之间采用连接板连接,连接板宽度4.0 m,厚度0.9 m。防渗墙两端和底部嵌入基岩0.5 m,为防止产生过大的应力集中,嵌入处设置石渣柔性支座。典型剖面见图1。其中,Gr为含砾石覆盖层,ZHL为重粉质壤土,ZL为中粉质壤土,qL为轻粉质壤土,ZS为中砂。如图1所示,在170 m高程处,沿上下游方向布置1套水平固定测斜仪（标识为“|”）。

图  1  河口村大坝典型剖面

Figure  1.  Typical section of Hekoucun CFRD

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大坝基础座落在含漂石、孤石及泥化夹层的砂卵石覆盖层上,覆盖层平均厚度约30 m,最大厚度41.87 m。根据河床钻孔资料,在趾板线附近及下游内存在14个砂层透镜体,其中6个透镜体分布在地面以下8 m以内,4个分布在地面20 m以下。覆盖层中发现4层较连续的黏性土夹层,最厚达12 m,顺河延伸350～800 m,对坝基稳定、变形起控制作用。渗透系数$k$一般为40～60 m/d。

根据地质勘查资料,黏性土夹层累计厚度为5～20 m,占覆盖层总厚度的1/6～1/2,分布极不均匀。黏性土夹层塑性指数为6～11,压缩系数为0.1～0.2 MPa^-1,属中低压缩性土；砂卵砾石层的压缩系数为0.01～0.068 MPa^-1,属低压缩—不可压缩；根据标贯击数及相对密度,砂层透镜体相当于中密—密实。上述3种坝基材料,不仅密实度差别较大,且空间分布也极不均匀。因此,需对坝基覆盖层进行处理,降低不均匀沉降对坝体防渗系统的不利影响。

3.   坝基处理方案设计

根据国内坝基处理经验,覆盖层含漂石、孤石且砂卵石粒径较大时,振冲碎石桩的处理方式不适用。对于强夯方案,由于河口村水库坝基覆盖层含漂石、孤石多,强夯施工难度大；河床渗透系数大、地下水位高,强夯时需要降水,降水较困难；强夯处理深度有限,不能有效解决下部覆盖层变形,同时强夯施工时间受截流直接影响,工期相对较长,导致2011年截流目标难以实现,继而影响整个工期。因此,首先排除强夯方案。针对河口村水库覆盖层岩性复杂、状态多变的特点,初步拟定了固结灌浆、旋喷桩两种坝基处理方案。

根据工程经验,混凝土面板堆石坝坝基基础变形对面板影响较大的区域集中在大坝上游1/3坝高范围,即上游防渗墙至趾板下游约50 m范围区域是大坝基础变形控制的核心区域,也是防渗墙–连接板–趾板–周边缝变形较大的区域,需要对该区域进行重点处理。对于坝轴线下游地基,对防渗系统影响较小,可适当放宽坝基处理要求。因此,提出分区渐变式的布置型式。将防渗墙及趾板区域作为重点区域,按照变形控制要求,并考虑技术经济性,在防渗墙至坝轴线区域进行处理。共设计3组地基处理方案：方案1为对照组,坝基不处理；方案2为固结灌浆方案；方案3为高压旋喷桩方案。各方案的处理范围见表1和图2。

表  1  坝基处理范围

Table  1.  Treatment scope of dam foundation

加固方案	坝轴线上游方向	坝轴线下游方向
固结灌浆+振动平碾	从防渗墙上游7 m向下游50 m范围内,对砂砾石地基固结灌浆	70 m范围内振动平碾
旋喷桩+振动平碾	防渗墙和趾板下部布置5排旋喷桩,向下游再布置9排旋喷桩	70 m范围内振动平碾

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图  2  覆盖层处理方案平面布置图

Figure  2.  Layout of overburden treatment scheme

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4.   计算模型及参数

根据坝体分区、防渗墙的连接型式,剖分大坝的三维有限元网格。模型以8节点六面体等参单元为主,单元总数为16456,节点总数为17552,见图3。接触单元和摩擦单元情况见表2。根据地层平面图和剖面图,有限元模型可以真实模拟覆盖层中砂卵石层、壤土夹层和夹砂层的分布及厚度。

图  3  三维有限元模型

Figure  3.  Finite element meshes

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表  2  接触单元和缝单元汇总

Table  2.  Summary of contact and joint elements

物理接触	有限元模型
覆盖层–趾板	Goodman单元
覆盖层–防渗墙	Goodman单元
覆盖层–连接板	Goodman单元
垫层料–面板	Goodman单元
特殊垫层料–面板	Goodman单元
面板–面板	缝单元
面板–趾板	缝单元
趾板–连接板	缝单元
连接板–防渗墙	缝单元

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堆石料非线性本构关系采用邓肯–张E–B模型,材料参数通过室内三轴试验确定,见表3。面板、趾板和防渗墙均采用C25混凝土浇筑,重度为25 kN/m³,弹性模量E为2.8×10⁴ MPa,泊松比ν为0.167。

表  3  邓肯-张E-B模型参数

Table  3.  Parameters of Duncan-Chang E-B model

坝料类型	$\gamma$/(kN·m-3)	$\phi$/(°)	$\Delta \phi$/(°)	k	n	$R_{\text{f}}$	$K_{\text{b}}$	m
主堆石	21.5	53	13	940	0.35	0.83	500	0.20
次堆石	20.5	52	12	700	0.25	0.81	350	0.15
垫层料	22.0	55	12	1200	0.45	0.85	600	0.2
过渡料	21.9	54	12	1000	0.48	0.9	500	0.15
库区堆渣	20.0	52	9.9	720	0.44	0.65	250	0.50
砂卵石层	21.2	44	0.7	913	0.33	0.85	225	0.29
壤土夹层	16.5	23	0	264	0.25	0.85	134	0.4
夹砂层	16.3	28	0	300	0.5	0.89	150	0.4

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根据施工进度安排,面板堆石坝填筑蓄水过程如下：①浇筑防渗墙及趾板；②填筑一期坝体至225.0 m高程；③填筑二期坝体至238.5 m高程；④浇筑一期面板至233.0 m高程,同时浇筑连接板；⑤汛期,库水位蓄至219.0 m；⑥全断面填筑三期坝体至288.5 m高程；⑦浇筑二期面板至288.5 m；⑧蓄水至设计洪水位285.4 m。

5.   坝基覆盖层处理计算

5.1   坝基覆盖层参数

对于固结灌浆区和高压旋喷区,当覆盖层厚度小于20 m时,固结灌浆孔和旋喷桩直接与基岩连接；若覆盖层厚度大于20 m,固结灌浆和旋喷桩长度均取20 m。

为了验证高压旋喷注浆法的适用性,并确定高压旋喷区域的计算参数,在现场进行了高压旋喷桩试验。试验区选择在地基加固区,包含地层结构复杂（如含多层黏性土夹层和夹砂层）地段,面积约520 m²。生产性试验桩数量按大坝基础处理总桩数的8%选取,共布置50根,桩间距根据生产桩的要求布置。试验前后,分别采取静载、钻孔旁压、跨孔波速等一系列试验手段对天然地基和处理后的复合地基进行对比检测：①地基承载力,坝基高压旋喷处理前,175 m高程附近天然河床砂卵石层的承载力特征值一般在500～600 kPa左右,处理后相应的复合地基承载力特征值达到990～1100 kPa左右,承载力提高近200%。②地基变形模量,坝基高压旋喷处理前,天然河床表层砂卵石层的变形模量为40 MPa左右,处理后相应处复合地基变形模量达到46.1～154.1 MPa,最大提高约300%。基于以上天然地基载荷试验及复合地基静载试验资料,充分考虑加固前后覆盖层承载力和变形模量的变化情况,经咨询专家组讨论,拟定了旋喷区域的模型参数。现场未开展固结灌浆试验,采用工程类比法,确定固结灌浆区域的模型参数。灌浆区域和旋喷区域的计算参数见表4,5。其中,密孔桩间距为2.0,3.0 m,疏孔桩间距为4.0,5.0,6.0 m。两种覆盖层处理方案范围见图2。

表  4  覆盖层E-B模型参数（固结灌浆）

Table  4.  E-B parameters of overburden (consolidation grouting + dynamic compaction)

覆盖层	$\gamma$/(kN·m-3)	k	n	$R_{\text{f}}$	$K_{\text{ur}}$	c/kPa	${\phi }_0$/(°)	$\Delta \phi$/(°)	$K_{\text{b}}$	m
砂卵石层(固灌)	21.5	1150	0.42	0.85	1600	0	44	2	600	0.28

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表  5  旋喷区域E-B模型参数（旋喷桩）

Table  5.  E-B parameters of overburden (rotary jet grouting pile + replacement)

覆盖层	$\gamma$/(kN·m-3)	k	n	$R_{\text{f}}$	$K_{\text{ur}}$	c/kPa	${\phi }_0$/(°)	$\Delta \phi$/(°)	$K_{\text{b}}$	m
砂卵石层(密孔)	21.5	1150	0.42	0.85	2300	0	44	1	550	0.28
砂卵石层(疏孔)	21.5	1100	0.42	0.85	2200	0	44	1	500	0.28

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5.2   有限元计算结果

根据三维有限元计算,蓄水后,坝体沉降和顺河向位移见图4。如图4所示,最大沉降发生在坝体中部,最大值为0.89 m。在水荷载作用下,顺河向位移均指向下游,最大值约0.27 m。沉降和顺河向位移等值线符合土石坝变形规律,沉降率仅0.58%。对于坝基不处理方案,最大沉降量为1.15 m。固结灌浆方案的最大沉降量为0.97 m。表明,两种坝基处理方案均可有效控制坝体沉降量。

图  4  有限元计算坝体变形

Figure  4.  Dam deformations by FEM

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图5,6为旋喷桩方案的防渗墙变形和应力图。如图所示,防渗墙的坝轴向和竖向位移都很小,最大值分别为0.40,0.34 cm。顺河向位移指向下游,最大值为12.9 cm。防渗墙竖向应力随深度的增加逐渐增大,在墙底最大值为10.30 MPa,两岸防渗墙底部出现拉应力,最大值为0.51 MPa。坝轴向应力也随深度增加而增大,在防渗墙底部,最大压应力为5.12 MPa,两岸墙底出现拉应力,右岸防渗墙底部的最大拉应力为2.33 MPa。综上,防渗墙内压应力均小于C25混凝土的抗压强度11.9 MPa,局部区域拉应力大于抗拉强度1.27 MPa。说明防渗墙的抗压强度是满足要求的,抗拉强度局部不满足要求,防渗墙需要配筋。

图  5  防渗墙位移（m）

Figure  5.  Displacements of cut-off wall (m)

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图  6  防渗墙应力（MPa）

Figure  6.  Distribution of stress of cut-off wall (MPa)

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图7为有限元计算结果（旋喷桩方案）与坝基覆盖层监测数据的对比。如图所示,坝基上游侧经旋喷桩处理后,覆盖层沉降显著减小。有限元计算的覆盖层沉降与现场监测结果数值上稍有差别,趋势基本一致。

图  7  坝基沉降变形分布曲线

Figure  7.  Distribution curves of settlement of dam foundation

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有限元计算结果表明,3种方案防渗墙的变形和应力分布规律基本一致。然而,如果不对坝基覆盖层进行处理（方案1）,防渗墙的顺河向位移最大值为23.1 cm,防渗墙内最大压应力和拉应力将达到13.61,2.17 MPa。通过高压旋喷和固结灌浆均可显著降低防渗墙应力,控制防渗墙的变形。

各坝基覆盖层处理方案下的防渗体接缝位移见表6。如表6所示,若不处理覆盖层,接缝位移均较大。周边缝错动量为35.2 mm,趾板—连接板错动量达50.8 mm,连接板–防渗墙相对沉降量为52.2 mm。经固结灌浆处理后,周边缝、趾板–连接板错动、连接板-防渗墙相对沉降量分别减小6.2,14.4,5.2 mm。旋喷桩方案分别可降低14.1,22.0,13.2 mm的接缝变形。

表  6  各坝基处理方案下接缝位移

Table  6.  Deformations of joints with various foundation treatment schemes (cm)

位置	变形	方案1	方案2	方案3
周边缝	错动	35.2	29.0	21.1
	相对沉降	28.4	27.1	22.9
	张开	25.7	22.8	19.4
趾板–连接板	错动	50.8	36.4	28.8
	相对沉降	0.8	0.6	0.2
	张开	15.3	11.4	10.6
连接板–防渗墙	错动	25.0	18.1	14.0
	相对沉降	52.2	47.0	39.0
	张开	40.3	17.4	15.5

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陈生水等^[19]统计了大量面板堆石坝周边缝变形与坝高的资料,考虑到这些大坝均未出现因接缝失效而溃决的事实,取统计资料的上包线作为面板接缝变形的安全控制标准,并建议面板堆石坝止水接缝安全控制指标见表7。对比表6,7可知,若不进行坝基处理,河口村水库工程周边缝位移将逼近安全控制指标,安全裕度较低。固结灌浆和旋喷桩方案均能够大幅降低防渗体的接缝位移,确保工程的安全运行。

表  7  高面板堆石坝周边缝变形安全控制值^[19]

Table  7.  Safety controll values for displacement of peripheral joints of high concrete faced rockfill dams^[19]

坝高/m	沉降/mm	张拉/mm	剪切/mm
100	45	30	30
200	60	40	40
300	80	50	50

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6.   坝基处理设计及验证

6.1   优选坝基处理方案

根据三维有限元计算,对于固结灌浆和高压旋喷桩处理方案,接缝位移均能达到设计要求。然而,固结灌浆工程量较大,需要盖重并配合降水,而河口村大坝覆盖层渗透系数较大,降水难度较大。特别是占用工期较长,影响截流,投资费用较高。高压旋喷桩方案,施工相对灵活,围堰截流与否均能施工,不影响截流,在坝基清理前后均可进行施工,同时受地下水影响较小,工期相对较短,费用相对较低。因此,最终选用高压旋喷桩方案：坝轴线以上范围挖至165 m高程进行换填,对上游防渗墙至趾板下游约50 m范围内的河床覆盖层采用高压旋喷桩进行处理,其他部位则采用不小于25 t振动碾碾压12遍处理。

高压旋喷桩的布置情况为：防渗墙和趾板下部布置5排间距2m的高压旋喷桩；为满足变形过渡的要求,向下游方向,桩间距逐渐变大,依次为2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 m；桩长20 m,桩径1.2 m,共计布置630根。

高压旋喷桩技术要求：采用硅酸盐水泥,强度等级为42.5。要求成桩后,桩体最小直径不小于1.2 m,桩体28 d抗压强度不小于3 MPa。

6.2   坝基处理效果验证

为监测坝基沉降变形,在坝基0+140断面170.0 m高程,沿上下游方向布置1套水平固定测斜仪（图1）。坝基沉降变化分布曲线见图7。监测结果表明,随坝体填筑高度增加,坝基沉降量逐渐增大。由于采用了高压旋喷桩加固,上游坝基沉降量较小,且收敛较快。下游仅采用振动平碾处理的覆盖层变形较大,在坝轴距180 m的下游坝基处仍有80 cm的沉降。

根据坝基覆盖层开挖处理情况（图1）,坝轴线上游至防渗墙之间基础由原河床175.0 m高程挖至165.0 m高程,并对防渗墙、连接板、趾板及防渗墙下游50 m范围基础采用高压旋喷桩进行了专门加固处理；坝轴线下游次堆区覆盖层基础开挖至170.0 m高程,但在坝下0+000—0+180靠近右岸岸坡部位有较厚的黏性土层及砂层透镜体,该层黏性土并未完全挖除。结合水平固定测斜仪的监测结果,可以看出坝基覆盖层沉降主要受地质情况和基础处理情况的影响。

现场监测结果显示,经处理后的上游覆盖层变形显著减小,目前已趋于稳定。下游覆盖层变形较大,但已经收敛,不影响工程的安全。表明,坝基覆盖层处理设计方案合理有效。

7.   结论

本文依托河口村水库工程,制定了固结灌浆、旋喷桩等多种坝基覆盖层处理方案。采用非线性有限元法,系统研究各坝基处理方案对坝体和防渗体接缝变形的影响,并考虑施工可行性和技术经济性,最终了确定了坝基处理方案。主要结论如下：

（1）对于趾板座落于覆盖层上的面板堆石坝,坝基处理宜采用分区渐变式的布置型式,即防渗墙与趾板之间设置加密区,趾板下游至坝轴线为过渡区,坝轴线下游区域可适当放宽对坝基覆盖层的处理要求。

（2）有限元计算结果显示,采用固结灌浆或旋喷桩方案,防渗体接缝位移均能满足设计要求。对于具体工程,应综合考虑坝基覆盖层性质、施工可行性、技术经济性等因素,确定最佳的坝基处理方案。

（3）河口村水库工程的现场监测资料表明,经旋喷桩处理后的上游覆盖层变形显著减小,目前已趋于稳定。坝基处理完成了预期设计目标。