严寒地区水利工程真空联合堆载预压排水施工技术研究

严寒地区水利工程真空联合堆载预压排水施工技术研究

李明

（中国水利水电第一工程局有限公司，吉林长春）

摘  要本文结合乾安县花敖泡蓄水调蓄工程项目软土地基处理的工程实践，对该施工进行研究，为日后国内类似施工项目提供参考，填补北方严寒地区水利项目坝体地基的软基处理采用此工法的空白。

关键词 严寒地区  真空联合堆载预压排水  淤泥质软土地基  施工技术

1  工程概况

花敖泡蓄水调蓄工程由挡水土坝、排水泵站及排水沟等建筑物组成。挡水土坝折线型布置，坝长8046.22m，最大坝高17.1m，坝址区地层主要由第四系全新统湖沼堆积的壤土、砂壤土、淤泥质粘土，第四系上更新统顾乡屯组冲积堆积的黄土状粘土、黄土状壤土、黄土状砂壤土及中更新统冲湖积堆积的粘土、砂壤土组成。根据软土分布情况，桩号0+000.00~2+105.79坝段和桩号6+659.00~8+046.22坝段地基不进行加固处理，坝基直接坐落于天然地基；在桩号3+220～6+552段采用真空排水板联合堆载预压进行处理，其中排水板型号为100-C型高性能排水板(板宽100mm，厚度4.5mm)，间距为1.0m，正方形布置，排水板底部进入粘土层2m。

2  施工特点

2.1水利工程采用此类软基处理作为坝体地基处理方法较少，北方严寒地区涉及到越冬施工，因此使用较为罕见。

2.2由于需要地基处理沿线过长，因此采用分区形式进行施工，以保证泵抽水面积，将需处理地段划为13个分区，每个区均需严格计算，各真空预压分区的间距和坝轴线离上下真空预压边界为泥浆搅拌墙中心线。

2.3本工程由于上卧层为砂壤土，因此如遇排水板插不进淤泥质粘土时，需要采用引孔设备，预先进行引孔，确保排水板的顺利插入。需要对引孔设备，引孔深度进行细致分析。

2.4由于本工程淤泥质粘土层上方存在砂壤土，属于中等透水层，密闭性能不好，因此采用泥浆搅拌桩对真空预压四周进行密闭处理。

2.5真空预压完成后，如若上游防渗措施不到位，容易在坝体底部形成渗透通道，增大水库大坝的渗流量。因此在沉降趋于稳定后对真空管采用灌浆工艺充填，减少渗透量。

2.6本工程越冬季期间，真空预压施工区坝体下游需先进行填筑3m防冻层，以及对土工材料和水平管等真空抽排水系统采取必要的保温措施，以保证其正常运行，不发生冻裂损坏。

2.7由于本工程软基处理段淤泥、淤泥质粘土普遍存在，而且厚度较大，固结程度低，地承载力低，排水板打插完成后地基固结度逐渐增长，但在后期堆载附加压力作用下地基极易发生变形，需在堆载加压过程中严密结合坝体软土地基检测数据，调节软土地基固结度增长速率与坝体堆载速率间的关系。

3  施工原理

将整个软土地基需要处理沿线进行分区，保证真空泵工作效率，再通过施工泥浆搅拌墙、密封膜以及原有地层下不透气层形成封闭系统，封闭系统应严密，保证密封系统不漏气，密封系统下施打排水板，并铺设排水主管、排水支管使其相互连接组成排水系统。

对密封膜下软土地基连续进行抽真空作业，造成膜内空气压力减小，当膜内、外空气压力差到一定值后，使土中孔隙水产生渗流，经排水系统排出膜外，孔隙水压力不断降低，土体不断进行密实，有效应力不断的增加，当压力差趋于零时渗流停止，固结完成。在抽真空的过程中，进行堆载预压，即有效应力增加，加速沉降，从而达到缩短固结时间的效果。

主要工艺包括打设排水板，埋设真空管，制作泥浆搅拌墙，铺设编织布、无纺布、密封膜、无纺布、复合土工膜和编织布，连接真空系统抽真空并进行检查，逐层进行坝体填筑。后续视需要对水平滤管进行回填灌浆。此工法原理见下图所示：

工法原理施工图

4  施工流程及施工要点

4.1 施工流程

真空预压排水施工工艺流程图

4.2施工要点

（1）施工现场要合理分区，以保证真空泵可正常使用，确保抽水效率以及相关参数要求。

（2）场地平整对于插打排水板相对重要，为了排水板插打机无倾斜，以确保排水板插打垂直准确。

（3）对于排水板材料以及插板机的性能进行检，现场施工中如发现地层情况与勘察报告差异较大，则根据现场实际情况调整排水板的打设深度及插板速率。

（4）泥浆搅拌墙的施工对于区域真空起到重要作用，要保证搅拌墙均匀性以及密封性，以保证施工区域真空性。

（5）密封膜铺设对于是否可以顺利排水固结起到关键作用。如直接在密封膜表面填筑坝体，在施工过程中密封膜存在撕裂的风险，进而导致真空泄漏。密封膜、编织布、无纺布及土工膜四周埋设至压膜沟内，保证压入长度不得小于3m。禁止施工人员长时间在膜上行走，严禁穿带钉鞋及硬底鞋在膜上行走，以防划破密封膜，以确保膜的密封性。

（6）集水井采用Φ75mmPVC管连接集水井和水环式真空泵，连接时所有接头必须做密封处理，避免抽真空时水进入管内，影响真空的传递效果。为防止真空预压对加固区周围土体造成瞬间破坏，必须严格控制抽真空速率，经检查无漏气现象后，开足真空泵，将膜下真空度提高到80kPa以上。

（7）为避免压实度过低降低坝体稳定性或增大坝体沉降，而压实度过高又会对密封膜和滤管造成损坏。素填土施工用人工结合轻型机械铺摊，然后用非振动压实机械进行碾压，上部小型机械行走尽量保持直进直退，严禁做大角度拐弯，以防戳破真空膜。

（8）在施工中膜下预埋监控设备，用以监测水平位移、沉降速率、孔隙水压力增量与荷载增量的比值等。

5  堆载安全监测

根据现场实际情况将数据分为4个工作内容和3个阶段。内容主要包括坝基和坝体土物理力学特性试验成果、软基坝段变形反演和正演分析、施工期坝坡稳定分析、结论和建议。3个阶段主要包括：初步设计阶段、试验段阶段、施工阶段

5.3 坝基和坝体土物理力学特性试验成果

这里只展示施工阶段数据

5.3 软基坝段变形反演和正演分析

（1）计算理论：本构模型

坝基2-3层和2-4层软土本构模型采用修正剑桥模型，其他地层土体、坝体填土采用Duncan E-v模型。

MCC模型：

Duncan E-v模型：

（2）计算理论：平面应变条件塑料排水板数值模拟

宏观上讲，打设塑料排水板只是增加了地基的竖向渗透系数，因此可将软土塑料排水板加固区用等效竖向渗透系数代替模型进行简化，等效转换公式：

（3）计算参数反馈分析

反演方法：以计算变位与实测变位之间的误差均方和为最小的原则，调整计算参数，求最优值，即求一组最优的参数，使下列目标函数趋于最小

参数初始值：主要通过工程类比确定。2-3层和2-4层土体基本物理力学特性参数根据前述相关试验成果综合确定。

参数反演对象：主要变形贡献层—2-3层和2-4层，选取对变形较为敏感的λ和M参数以及对孔压消散影响较大的渗透系数进行反演，不同区域土层的力学性质也相应有一定差异，基于变形监测值反演出的参数大体分三类，处理区左侧A1区和右侧A11区淤泥质软土的力学参数相对较好，低洼中心的A7-2区淤泥质软土的力学参数相对较差，其他区淤泥质软土的力学参数介于两者之间。

5.4 监测结论

以A1区为例，A1区于2020年8月11日开始抽真空，12月5日停泵，累计抽真空116天；2020年10月10日开始堆载，截止到11月14日堆完防冻层共堆土4.7m。上、下游向变形最大值：12.9cm、11.9cm  沉降最大值：69.9cm

A1区截止到2021年1月8日平均沉降量61.3cm（坝下59.1~63.1cm）。从2020年8月11日开始抽真空至2021年1月8日地表沉降4#测点沉降计算值与监测值的对比来看，计算值与监测值基本吻合。

大坝应力变形预测分析

完建期沉降极值：111.9cm（92%），运行期沉降极值：121.2cm，工后沉降：12.5cm。

6  结语

此工艺在抽真空的过程中，进行堆载预压，即有效应力增加，加速沉降，此项施工工法对处理高寒地区淤泥质粘土地层具有良好的效果，并取得了省时省材保证质量的效果，从而达到缩短固结时间的效果。此工艺的研究属于北方严寒地区软土地基处理先例，为后续类似工程起到参考作用，填补国内此块领域的空白。并且在施工材料上节省了大量的中粗砂，节约了大量的自然资源，及运力，对于环境保护起到了积极的作用。虽然此项工法可加快软土地基固结速度，但是仍然存在不足希望在日后研究中改进。

参考文献[1]吴跃东.殷宗泽.郭纪中 真空联合堆载预压法加固水工建筑物软基效果检验 岩土力学2007年4月

[2]张仪萍.严露.俞亚南.刘伟超 真空预压加固软土地基变形与固结计算研究 岩土力学2011年4月

[3]董志良.胡利文.张功新 真空及真空联合堆载预压法加固软基的机理与理论研究 水运工程2005年9月

作者简介  李明，男，出生于1983年8月12日，于2018年评定高级工程师，现就职于中国水利水电第一工程局有限公司五公司，任职专业总工程师、副总经济师；目前参建水电一局长春经开光电信息产业园三期新建工程项目。