真空聯合堆載預壓法在寒區筑壩工程中的應用

占鑫杰，楊守華，朱群峰，米占寬，趙士文，于仲離，滕 昊

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2.南京水科院瑞迪科技集團有限公司，江蘇 南京 210029； 3.中國水利水電第一工程局有限公司基礎工程分局，遼寧 大連 116041)

排水固結法是利用天然地基土層本身的透水性或設置在地基中的豎向排水體，通過預先在地基表面進行加載預壓或利用建（構）筑物自身重量使土體中孔隙水逐漸排出，土體逐漸固結，強度逐步提高的方法。排水固結法包括真空預壓法、堆載預壓法和真空聯合堆載預壓法。真空聯合堆載預壓法雖然造價比堆載預壓法稍高，但具有工期短、加固效果明顯等優勢，廣泛應用于軟土地區公路、機場、碼頭等工程中[1-3]。塑料排水板作為豎向排水體的一種，已被普遍采用，根據不同地質條件采用的打設工藝也趨于多樣化。

然而對于一些上覆硬土層、下臥深厚淤泥質軟土層的復雜場地，常規的真空預壓地基處理方法面臨以下問題[3-9]：（1）普通插板機無法穿透上覆硬土層，排水板打設困難；（2）如何在復雜地質條件下將真空壓力傳遞到深層并保證下臥軟土層的加固效果。王征亮等[4]針對上覆硬殼層、下臥深厚軟土地基的復雜場地，選取代表性場地作為試驗區采用淺層引孔結合開挖換填的真空預壓地基處理方案，取得了良好的加固效果；丁曉峰[5]針對湛江港寶滿集裝箱碼頭一期工程因部分區域硬土層較厚，普通液壓履帶式插板機無法正常打板的問題，提出先引孔再打設排水板來處理硬土層較厚地基的方法；孫洪春等[6-9]根據港珠澳大橋島隧工程東人工島軟基處理中塑料排水板施插深度大、施工深度內含有硬夾層的工程特點，采用改進后的靜壓式和振動錘式插排機，實現了復雜地質條件下超深塑料排水板打設施工。當被加固的軟土地基表層含有高滲透性土層時，如果采用真空預壓進行加固，對高滲透性土層的側向密封處理十分重要。對于淺層的高滲透性土層，可采用開挖換填的方法進行處理，也可將密封膜深埋穿過透氣土層，達到密封的目的。對于埋藏較深的高滲透性土層，常用的處理方法是打設黏土密封墻。黏土密封墻的施工質量、控制指標對保證膜下真空度達到設計值起決定作用[10]。梁愛華等[11-12]對典型工程的黏土密封墻施工進行分析，提出了黏土密封墻的主要施工質量控制參數；任燚等[13-14]結合天津地區超軟地基冬季施工的難題，初步總結了低溫、大風對砂墊層、排水板打設、濾管和密封膜施工的影響，提出了相應的處理方法。

中國北方某蓄水調蓄工程由擋水土壩、排水泵站及排水溝等建筑物組成。擋水土壩折線型布置，壩長8 035 m，最大壩高17.1 m，擬建場地地基主要為淤泥質黏土，具有含水率高、壓縮性大、強度低、排水固結性能差等特點，淤泥地基表面上覆2～5 m 的壤土和砂壤土層。設計采用無砂墊層真空聯合堆載預壓方案，但中國北方寒冷地區缺少真空聯合堆載預壓施工經驗和參考案例。工程面臨以下難題：（1）壩基淤泥質黏土層上覆2～5 m 的硬土層，傳統插板工藝的施工效率和地層適應性仍不確定；（2）壩基表面的砂壤土層透水性大，場地的側向密封措施對保證膜下真空度至關重要；（3）壩體填筑荷載大，填筑施工過程中密封膜存在破損風險；（4）真空預壓施工需要越冬，本區域冬季氣溫低至?30 ℃，工程區域最大凍深為2 m，凍結力可能會破壞飽水的塑料排水板、濾管和密封膜進而影響后續真空排水效果。因此，壩基需采取可靠的防凍措施，為此選取試驗段對以上問題進行論證。本文首先介紹真空聯合堆載預壓試驗段的設計方案，在此基礎上分別開展塑料排水板插板工藝試驗、密封墻成墻試驗、密封膜保護試驗、壩基防凍試驗，為后續大面積施工提供技術支撐。

1 工程地質條件

壩址區地層主要由第四系全新統人工堆積的壤土，第四系全新統湖沼堆積的壤土、砂壤土、淤泥質黏土、灰壤土，第四系上更新統顧鄉屯組沖積堆積的黃土狀黏土、黃土狀壤土，第四系中更新統沖湖積堆積的黏土、壤土組成。場地地基土（圖1）從上至下依次為：壤土層（2-1）、砂壤土層（2-2）、淤泥質黏土層（軟塑）（2-3）、淤泥質黏土層（2-4）、黏土層（4-1）。工程區內地下水類型為第四系黏土層上層滯水，勘察期間地下水位埋深2.0～8.1 m，高程120.40～134.30 m，接受大氣降水補給，以蒸發形式排泄，受氣候變化影響較大。

圖1 軟土地基沿程分布示意Fig.1 Schematic diagram of distribution of soft soil foundation

根據地質勘察結果，在壩段樁號3+220～6+552 段有淤泥質黏土層（2-3 層和2-4 層），其中軟基段A2 區到A9 區，地基的沿程分布如圖1 所示。壩基主要土層的物理力學性質如表1 所示。

表1 壩基土層的物理力學性質指標Tab.1 Physical and mechanical properties of dam foundation

2 真空聯合堆載預壓試驗段設計方案

在大壩樁號3+820～3+920 處進行真空聯合堆載預壓現場試驗，試驗段真空預壓范圍長100 m，寬82.05 m。試驗段（樁號3+820～3+920）的平面圖見圖2。泥漿攪拌墻形成封閉的矩形區域，以保證真空預壓區的密閉性。

圖2 真空聯合堆載試驗段平面布置（單位：cm）Fig.2 Layout of vacuum combined surcharge test section (unit: cm)

真空預壓設計方案包括塑料排水板設計、豎向密封系統設計、水平密封系統設計、水平排水系統設計及抽真空等。塑料排水板采用整體式塑料排水板，為國內生產的100-C 型塑料排水板，寬100 mm，厚4.5 mm。排水板間距為1 m×1 m，正方形布置，插入深度至黏土層（4-1 層）內1 m。淤泥質黏土層（2-3 層）上方存在砂壤土層，屬于透水層，采用泥漿攪拌墻進行密閉處理。泥漿攪拌墻采用雙頭攪拌樁機進行施工，直徑0.7 m（包括搭接部分0.2 m），總厚為1.2 m，攪拌墻插入淤泥質黏土層1.5 m，滲透系數需小于1×10?6cm/s。在地基表面依次鋪設編織布、無紡土工布、密封膜3 層、無紡土工布、復合土工膜和編織布。排水系統包括主管和支管，真空支管采用內徑25 mm 的PVC 鋼絲軟管，真空主管及真空連接段采用內徑50 mm 的PVC 鋼絲軟管。抽真空系統采用大功率的水環式真空泵（功率為55 kW），經檢查無漏氣后，將膜下真空壓力提高到80 kPa。

膜下真空度達到設計值后，在編織布上方分層填筑黏土。填土需滿足壩體填筑料密實度要求，緊鄰編織布的素填土填筑時需保證不破壞下臥密封膜和復合土工膜等密封系統。堆載速率根據現場地基監測情況進行動態調整。

3 試驗段方案

由于本工程地處寒區，地質條件復雜，同時工程區域缺少真空聯合堆載筑壩的施工經驗和參考案例。針對本工程特點，試驗段包括以下內容：（1）復雜地質條件塑料排水板插板工藝試驗；（2）密封墻成墻試驗；（3）密封膜保護試驗；（4）在冬季開展壩基的防凍試驗。

3.1 復雜地質條件插板工藝試驗

本工程地基表面為硬土層（2-1 壤土層、2-2 砂壤土層），總厚度為2～5 m。由于這兩層土的強度較高，普通的插板工藝無法穿透硬土層。國內的工程案例中，對于上覆有硬層軟土場地的加固，在排水板插板施工中可能需要進行引孔。為驗證地基處理施工方案的可行性，在試驗段開展插板工藝試驗，選定的兩種插板工藝是振動插板和引孔+振動插板。試驗過程中記錄插管和提管速度（排水板是用特制的管子插入土體，打設排水板后會將這根特制的管子提起），對比兩種施工工藝的質量和效率，評定不同插板工藝對本工程地層的適應性。

3.2 密封墻成墻試驗

本工程地基表面的2-1 層壤土和2-2 層砂壤土滲透性較高（表1），屬于透水透氣層。若場地周圍的密封措施不佳，將嚴重影響真空加固效果，本工程設計采用黏土密封墻進行側向密封?？紤]到項目建設區域缺少泥漿攪拌墻的施工經驗，為進一步保證墻體質量，擬在試驗段開展真空預壓密封墻試驗。試驗內容包括室內泥漿墻配合比試驗，確定泥漿墻材料的配合比，試打工藝樁及成墻檢測。

選取工程場址附近的黏性土和膨潤土作為2-1 壤土層和2-2 砂壤土層的摻和料，開展配合比試驗，5 組試驗摻入配合比分別為：30%黏土、35%黏土、40%黏土、20%黏土+5%膨潤土和20%黏土+10%膨潤土（黏土和膨潤土的摻入配合比為黏土和膨潤土與原地基土樣的質量之比）。測試混合試樣的滲透系數，根據滲透系數小于1×10?6cm/s 的要求，確定合理的配合比。

泥漿攪拌墻工藝樁試打之前，沿密封墻區域每50 m 布置1 個探摸孔，探摸至淤泥質黏土層以下1.5 m；施工采用步履爬行式攪拌樁機，采用四噴四攪方式施工，下攪速度1.2 m/min，上攪速度0.8 m/min，泥漿相對體積質量為1.3，施工過程中嚴格控制泥漿質量及摻入比。成樁7 天后，在泥漿墻試驗區鉆孔取樣檢測黏粒含量和滲透系數，檢測位置位于泥漿墻不同深度，且需包含泥漿墻最底端的試樣。

3.3 密封膜保護試驗

本工程壩體填筑最大高度為17.1 m，如直接在密封膜表面填筑壩體，在施工過程中密封膜存在撕裂風險，進而導致真空泄漏?！墩婵疹A壓加固軟土地基技術規程》（JTS 147-2—2009）規定：采用真空聯合堆載預壓時，密封膜上下均應設置保護層。為防止密封膜被填筑層刺破，在密封膜表面鋪設1 層無紡土工布和編織布，然后在編織布表面填筑過渡層。為有效保護密封膜，擬在試驗段開展密封膜保護試驗：（1）挖溝埋設安裝水平真空管，埋設深度不小于5 cm，確保在填土荷載作用下形成的拱效應能起到保護水平真空管的作用；（2）用中粗砂填平并密實塑料排水板插板后形成的坑，防止真空預壓過程中密封膜發生不均勻變形而撕裂；（3）密封膜上鋪設80 cm 的素填土過渡層作為壩基的一部分。該層素填土壓實度過低會降低壩體穩定性或增大壩體沉降，而壓實度過高又會對密封膜和真空管造成損壞。所以，素填土施工采用人工結合輕型機械進行鋪攤，然后用非振動壓實機械碾壓，碾壓后強度指標和壓縮模量按不小于現狀壩基2-1 層壤土的指標予以控制。

3.4 冬季壩基的防凍試驗

根據本工程的真空預壓工期和施工進度，真空聯合堆載預壓區需要越冬。工程區域冬季氣溫低至?30 ℃，最大凍深為2 m，冬歇期前壩體填土厚度為4～5 m，壩基上部和迎水側防凍距離有可靠保證，但壩體背水側坡腳處的水平防凍距離不足，在低溫條件下凍結力可能會破壞飽水的塑料排水板、排水管和密封膜進而影響后續真空排水效果。為此采取如下防凍措施：在冬季溫度達到?4 ℃時，關閉水環式真空泵停止抽真空，并將水氣分離罐和排水主管埋入土壩坡腳的地層中，土壩背水側坡腳兩側設置2 m 厚度的防凍層。冬季對壩基溫度進行同步監測。冬歇期后，待氣溫回升，重新啟動水環式真空泵抽真空。

4 試驗段結果及分析

4.1 插板工藝試驗

插板工藝試驗對比結果表明：履帶式振動插板工藝能有效穿透上覆硬土層，打設1 根塑料排水板的時間為3～5 min，其插管速度和提管速度滿足施工要求，每臺插板機組每天插板4 000～5 000 m，滿足工程進度要求。質量檢驗結果表明，打設后塑料排水板的板距、垂直度、板長、跟帶長度符合規范要求。

引孔+振動插板工藝的施工效率遠低于振動插板工藝，因此在后續施工中采用振動插板工藝。通過試驗段插板工藝試驗，驗證了振動插板工藝在本場地的適應性，后續可大面積施工塑料排水板。

4.2 密封墻成墻試驗結果

2-2 砂壤土層中不同配比方案的滲透系數測試結果見表2。根據表2 可知，采用20%黏土+10%膨潤土拌和后，泥漿墻的滲透系數降至4.19×10?7cm/s，滿足設計要求。為便于施工，2-1 壤土層中同樣采用以上配比方案。密封墻成墻7 d 后，在試驗區上、下游及左側分別取泥漿墻試樣開展滲透試驗，檢測結果如表3 所示。根據檢測結果可知，試驗段泥漿墻的滲透系數符合設計要求。

表2 不同配比方案泥漿墻材料的滲透系數Tab.2 Measured permeability of slurry wall materials with different proportion schemes

表3 試驗段泥漿墻滲透系數檢測結果Tab.3 Test results of permeability coefficient of slurry wall in test section

在試驗區的迎水側、壩軸線、背水側的密封膜下分別布置了3 組（每組3 個）真空度測頭，試驗區膜下真空度測試結果見圖3。從圖3 可知，試驗段抽氣后，10 d 左右膜下真空度均可達到80 kPa，此后由于停電故障間斷等原因，膜下真空度值稍低于80 kPa，抽真空4 個月后，試驗區不同位置的膜下真空度值基本維持在80 kPa。這一結果從側面說明試驗區黏土密封墻的密封性良好。

圖3 試驗區膜下真空度測試結果Fig.3 Test results of vacuum pressure under membrane in test section

4.3 密封膜保護試驗

真空聯合堆載階段的膜下真空度、堆載過程和沉降變化曲線如圖4 所示。抽真空10 d 后，膜下平均真空度達到80 kPa 左右。抽真空20 d 后，鋪設土工布、編織布和過渡層，并開始壩體填筑。試驗段填筑歷時40 d，實際填筑高度4.2 m。監測結果顯示：填筑后壩基迎水側、壩軸線、背水側的膜下真空度基本維持在80～83 kPa，這表明試驗段密封膜的保護措施是有效的。

圖4 試驗段膜下真空度及堆載過程曲線Fig.4 Vacuum degree under membrane and heaped load process curve of test section

4.4 壩基防凍試驗

冬季壩基迎水側和背水側的溫度監測結果見圖5。從2020 年9 月20 日到2021 年3 月20 日，隨著冬季環境溫度的降低，工程場址的最低氣溫為?28 ℃。根據監測結果可知，隨著室外溫度降低，壩基溫度也迅速降低；受冬季風向影響，迎水側地基的溫度低于背水側地基溫度，且地基深度0.5 m 的溫度低于地基深度2.5 m 的溫度。設置防凍層后，壩基內最低溫度為3 ℃，仍高于凍結溫度，這說明冬季試驗區壩基和真空排水系統沒有被凍結，防凍層的效果良好。

圖5 冬季壩基迎水側和背水側的溫度監測結果Fig.5 Temperature monitoring results at the upstream and downstream sides of dam foundation in winter

4.5 加固機理分析

真空聯合堆載預壓法，是真空預壓法和堆載預壓法的疊加，即為真空（大氣壓）和堆載附加應力兩種荷載的疊加。本工程壩體填筑的荷載作用面為梯形，因此壩基不同位置的附加應力不同，表現為“中間大，兩側小”的規律。在試驗區垂直于壩軸線方向的地基表面布置了4 個沉降標[15]，壩基沉降監測結果如圖6 所示。從圖6 可知，地表4 個測點沉降為1 695～2 580 mm，由于地基的附加應力不同，不同位置地表沉降出現一定差異，其中壩軸線的沉降最大。根據試驗區地表的沉降曲線可知，由于上覆硬土層的“頂托”作用，地表沉降曲線比較順滑，土方填筑堆載過程中沒有明顯“坡降”段。同時上覆硬土層一定程度減緩了壩基的差異變形（見圖6），避免了水平管網因過大的差異沉降而受損，保障了持續的排水效果。

圖6 試驗區地表沉降監測結果Fig.6 Monitoring results of surface settlement in the test section

試驗段壩軸線不同深度地基中的孔壓測試結果如圖7 所示。試驗區從2020 年5 月24 日開始抽真空，截止到2021 年6 月24 日，軟基加固可劃分為4 個階段：第1 階段（2020 年5 月24 日—6 月27 日），抽真空階段；（2）第2 階段（2020 年6 月27 日—11 月14 日），真空聯合堆載階段；（3）第3 階段（2020 年11 月14 日—2021 年5 月4 日），冬歇期，停止抽真空和堆載；（4）第4 階段（2021 年5 月4 日—2021 年6 月24 日），重新開始抽真空，膜下真空壓力恢復后，重新開始堆載。

圖7 試驗區軸線地基超靜孔隙水壓力變化過程曲線Fig.7 Variation of excess pore pressure along the axis of the test section

由圖7 可知，不同深度地基超靜孔壓受到真空負壓和填土堆載的共同作用：（1）深度3、6 和18 m的孔壓計分別埋設在壤土層、砂土層、黏土層中，由于地基滲透性大，第1 階段抽真空后地基中孔壓迅速降低，第2 階段堆載后孔壓變化較小，第3 階段冬歇期停止抽真空后孔壓值增大，第4 階段復抽真空后孔壓值迅速減??；（2）深度9、12 和15 m 的孔壓計分別埋設在淤泥質黏土2-3 層、2-4 層中，第1 階段抽真空后地基中孔壓緩慢降低，其主要原因是孔壓計埋設在排水板中間位置，淤泥地基的滲透性小，真空傳遞緩慢；第2 階段堆載后，淤泥地基中的孔壓值迅速增大，隨堆載過程呈現波動上升趨勢；第3 階段冬歇期停止抽真空后，地基中孔壓緩慢消散，第4 階段重新堆載后淤泥地基中孔壓緩慢上升。有學者指出當上覆硬土層較厚時，孔隙水壓力的響應存在一定滯后[16]。本工程中由于壩體填筑層范圍較大，附加應力影響的深度較大，雖然壩基上覆一定的硬土層，堆載后孔隙水壓力響應較快。

5 結 語

中國北方某蓄水調蓄工程位于高寒地區，水工建筑物由擋水土壩、排水泵站及排水溝等組成。擬建場地的地質條件復雜，地基為上硬下軟形式，軟土層為淤泥質黏土，具有含水率高、壓縮性大、強度低、排水固結性能差等特點。設計采用無砂墊層真空聯合堆載預壓方案，但區域缺少真空預壓施工經驗和參考案例。為此選取100 m 長的試驗段，分別開展了塑料排水板插板工藝試驗，密封墻成墻試驗、密封膜保護試驗和壩基的冬季防凍試驗。綜合本文工作，得到如下結論：

（1）履帶式振動插板機能有效穿透壩基表面的壤土層和砂土層，施工效率較高，每臺機組的施工效率為4 000～5 000 m/d，滿足施工進度要求。振動插板工藝的施工效率優于引孔+振動插板工藝。

（2）試驗段壤土層和砂土層經黏土和膨潤土拌和后，密封墻的滲透系數降至4.19×10?7cm/s ，成墻7 d 后的檢測得出不同深度泥漿墻的滲透系數滿足設計要求。抽氣10 d 后，膜下真空度均可達80 kPa，試驗段泥漿墻的密封性良好。填筑后壩基迎水側、軸線、背水側的膜下真空度基本維持在80 kPa，這表明試驗段密封膜的保護措施有效。

（3）在土壩坡腳兩側設置2 m 厚度防凍層，并將水氣分離罐、排水主管埋入地下，可有效防止冬季壩基和密封系統的凍結破壞。監測結果表明，冬季地基溫度維持在3～10 ℃。冬歇期后恢復抽真空，場地內密封膜下真空度和排水效果仍完好，這表明本工程真空預壓區的防凍措施是有效的。