水閘工程地基處理的技術(shù)分析

【摘 要】本文結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐，系統(tǒng)的對水閘地基處理方法進(jìn)行了分析探討，可供參考。

【關(guān)鍵詞】水閘；地基處理；施工工藝

1、前言

隨著建閘技術(shù)的提高和建筑材料新品種的出現(xiàn)，水閘建設(shè)也日益增多。我國1949年后大規(guī)?，F(xiàn)代化水閘的建設(shè)，在中國普遍興起，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。水閘是一種既能擋水，又能泄水的低水頭水工建筑物，它依靠可以升降的閘門來控制水位，調(diào)節(jié)流量，在防洪、灌溉、排水、航運(yùn)、發(fā)電等水利工程中得到十分廣泛的應(yīng)用。水閘一般可分為節(jié)制閘、進(jìn)水閘、分水閘、排水閘、沖砂閘，不同的水閘其功能不同，在很多情況下，為滿足水利工程的需要，多種類型的水閘可以一起應(yīng)用于同一水利樞紐工程中。

2、水閘工程地基處理的重要性

水閘是一種控制水位和調(diào)節(jié)流量的低水頭水工建筑物，具有擋水和泄（或引）水雙重作用，在防洪、灌溉、排灌及發(fā)電等水利事業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。水閘的工作條件與巖基上的溢流重力壩相似，但是水頭相對較低，地基又多為土基，因而與溢流重力壩又有許多不同之處。

水閘在關(guān)閘擋水時(shí)，水閘承受較大的水平壓力，而土基的摩阻力較小，有可能發(fā)生滑動(dòng)。同時(shí)，上下游水位差引起的閘基滲流，會對水閘底板產(chǎn)生向上的滲透壓力，對水閘穩(wěn)定不利。土基的抗剪強(qiáng)度和承載能力較低，而壓縮性較大，且常常分布不均勻，在水閘自重和外部荷載的作用下，可能因抗剪強(qiáng)度不足而喪失穩(wěn)定，也可能產(chǎn)生較大的不均勻沉陷，導(dǎo)致水閘傾斜甚至斷裂。土基在滲透水流作用下，容易產(chǎn)生滲透變形，特別是粉細(xì)沙地基，細(xì)小顆粒極易被滲流帶走，嚴(yán)重時(shí)，閘基和兩岸會被掏空，引起水閘沉降、傾斜、斷裂甚至倒塌。

由于上述原因，為了使用上的需要和保障水閘的安全，對水閘的地基處理也就顯得非常重要了。

3、水閘地基處理的作用和方法

水閘地基處理的主要主要作用有以下三個(gè)方面:

1)增加地基的承載能力，保證建筑物的穩(wěn)定；2)消除或減少地基的有害沉降；3)防止地基滲透變形。

國外對于水閘地基處理的方法也很多，使用較多的主要有以下幾種:1)置換法。置換法根據(jù)置換材可分為換土(砂)墊層法、擠淤置換法、強(qiáng)夯置換法、振沖法、砂石樁法、石灰樁法等。2)排水固結(jié)法。排水固結(jié)法主要有加載預(yù)壓法、超載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法等。3)灌入固化物法。灌入固化物法主要有深層攪拌法、旋噴樁法和水泥粉煤灰碎石樁法(CFG樁法)。4)振密或擠密法。振密或擠密法主要有強(qiáng)夯法、擠密砂石樁法和夯實(shí)水泥土樁法。5)加筋法。加筋法主要有低強(qiáng)度混凝土樁復(fù)合地基法和鋼筋混凝士樁復(fù)合地基法。6)和樁基法。樁基法主要有木樁法、預(yù)制管樁法、鉆孔樁法。

4、換土(砂)地基處理方法

關(guān)于墊層材料的選用，應(yīng)遵循就地取材，節(jié)約經(jīng)費(fèi)的原則，并要考慮施工方便，技術(shù)可靠。級配良好的中砂和粗砂，較易振動(dòng)密實(shí)。某腰閘地基換填厚3.9m中砂，用水撼法振密，相對密度達(dá)0.8～0.9，最大干密度達(dá)1.85g/cm3以上，密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。級配良好的礫質(zhì)砂也可使用。但對可能是管涌土類，必須驗(yàn)算閘基出口段抗?jié)B穩(wěn)定性。至于粉，細(xì)砂和砂壤土類，不均勻系數(shù)多在1～3之間，遭受振動(dòng)荷載作用時(shí)，易產(chǎn)生“液化”現(xiàn)象，不宜采用。

對于砂料的含泥量，一般規(guī)范都規(guī)定不大于3%?？紤]砂墊層砂料的選用關(guān)鍵是緊密度能否滿足要求，故含泥量可放寬到5%。

粘性土類以中壤土類為適宜，這類土易于打碎，施工含水量易控制也易夯實(shí)。粘粒含量較大的重粉質(zhì)壤土和粘土，打碎較困難，施工含水量也難控制，不宜作為換土的土料。含礫粘性土是較好的墊層材料，其中含有較多的砂粒和小礫石，有利于土塊的破碎和疏干。

粘性土墊層施工含水量的控制是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)嚴(yán)格掌握。設(shè)計(jì)的控制干密度是由室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度乘以壓實(shí)度而得出的。如圖（1）所表明的擊實(shí)曲線，最大干密度為1.65g/cm3，取壓實(shí)度為96%，則控制干密度為1.58g/cm3?？刂聘擅芏鹊淖鴺?biāo)線與擊實(shí)曲線相交于a，b點(diǎn)，a點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為施工含水量的下限值，b點(diǎn)的橫坐標(biāo)為上限值；ab區(qū)間即施工控制含水量的范圍。若土料的含水量不在該區(qū)間內(nèi)，則密實(shí)度是很難達(dá)到預(yù)期效果的。

為了避免坑底基土受到擾動(dòng)，預(yù)留適當(dāng)厚度的保護(hù)層是一般常用的方法，對于含水量過大的淤泥類土，在開挖到設(shè)計(jì)高程后，可鋪墊一層土工織物，一方面起保護(hù)基坑底面，解決在淤泥土上操作困難的問題；另一方面可起到鋪墊作用，承受一部分拉應(yīng)力，從而增強(qiáng)穩(wěn)定性和減小沉降量。

墊層直接作為水閘基礎(chǔ)的持力層，在設(shè)計(jì)計(jì)算中是作為基礎(chǔ)的一部分考慮的，因此填筑時(shí)，每層厚度應(yīng)符合規(guī)定，否則層底部密實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。由于土的性質(zhì)和施工機(jī)械不同，鋪土厚度也不同，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定。

墊層鋪墊時(shí)，應(yīng)盡可能一層鋪畢壓實(shí)后再鋪上一層，不要形成“界溝”或接頭。若回填面積過大，必須分段施工，則應(yīng)將每層接頭錯(cuò)開，不要形成自上到下的通縫，造成薄弱環(huán)節(jié)。

5、振沖地基處理方法

振沖法加固砂土或砂壤土地基，能同時(shí)起到增密，排水減壓和預(yù)振效應(yīng)等三方面的作用，對提高地基土壤抗液化能力和承載力的效果是明顯的。

目前對振沖法加固軟弱粘性土地基的有效性認(rèn)識尚不一致，較多的意見認(rèn)為：用振沖法加固粘性土地基主要是振沖置換土和制樁擠實(shí)作用，形成樁土復(fù)合地基。因此，用碎石樁振沖置換軟基時(shí)，地基土的不排水抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于16～20KPa。這是由于位于軟土的碎石樁，如果軟土強(qiáng)度太低，則樁四周的側(cè)壓力太低，并不能提高地基的承載力，因此對軟弱粘性土地基必須經(jīng)論證才可采用振沖法加固。

振沖置換所用的填料，對粉細(xì)砂和砂壤土地基用礫砂，粗砂，對軟土堆基用碎石，但碎石樁改變了閘基滲流狀態(tài)，可能還需增加防滲設(shè)施。對中，粗砂地基可不加填料，只用振動(dòng)器的振力將地基振動(dòng)密實(shí)。

振沖器與振沖孔周邊之間一般為50～100mm。因此碎石填料粒徑在5～40mm之間為宜，最大粒徑不宜大于50mm，粒徑過大易發(fā)生拒落，料徑過細(xì)，在孔內(nèi)泥漿中沉入速度太慢，也不易振密。填料的含泥量要求在50%以下，是按南京水利科學(xué)研究院的資料提出的。否則將增加泥漿的比重，填料下沉速度減慢，影響加固效果。砂石混合料不應(yīng)使用，因振沖時(shí)會使砂料和石料分離，密實(shí)度差。

振沖法的加固效果與振沖器的技術(shù)參數(shù)和選型有密切關(guān)系。國外試驗(yàn)表明，振沖器的振動(dòng)頻率宜接近土體自振頻率，一般軟弱地基的自振頻率粘性土為8～16Hz，砂土為15～28Hz。目前國內(nèi)生產(chǎn)的振沖器的頻率為1450r/min(24Hz)，故對飽和松散的砂基加密效果是較好的，對軟土則效果差些。因此，本條規(guī)定應(yīng)按工程要求和土質(zhì)情況來選用。

起重能力應(yīng)根據(jù)加固深度和施工方法來選定。振沖深度不大于18m時(shí)，一般選用起重能力80～150kN可滿足施工要求。根據(jù)施工實(shí)踐，振沖器的出口水壓和供水量大小隨地基而異，對軟弱土，粉細(xì)砂和砂壤土地基，水壓宜為0.4～0.6MPa；對中，粗砂地基宜為0.6～0。8MPa；對粗砂尚可大些。供水量一般控制在200～400/min之間。在輸水管上要裝置閥門，以便能調(diào)節(jié)壓力和水量。

振沖碎石樁的質(zhì)量是以振沖器振動(dòng)時(shí)的工作電流到達(dá)規(guī)定值為控制標(biāo)準(zhǔn)，故應(yīng)配備相應(yīng)的電流表和電壓表。目前國產(chǎn)ηA-30型振沖器的起動(dòng)電流常達(dá)100～150A，相應(yīng)配置電流表容量應(yīng)在150A以上。為提高施工記錄的精度，可采用電流，電壓自動(dòng)記錄方法。

通用各型號振沖器的技術(shù)參數(shù)如表（1），可供參考。

振沖器貫入速度由地質(zhì)條件確定。對密實(shí)的或粘性大的地基，貫入速度應(yīng)慢些，反之可快些。貫入快時(shí)尖端阻力大，成孔直徑較小，不利于投料和順利施工。一般控制在1～2m/min，通常每貫入0.5～1.0m宜懸掛留振，其時(shí)間為5～10s，以有利于振沖洗孔擴(kuò)大孔徑。當(dāng)造孔接近加固深度時(shí)，振沖器在孔底適當(dāng)停留并減小射水壓力，一般保持0.1MPa的水壓即可。此時(shí)除可將泥漿帶出孔外，并能夠防止泥漿反壓進(jìn)入噴水管內(nèi)。振密制樁時(shí)，只需小水量補(bǔ)給，使填料在水飽和條件下沉入，以便于振搗密實(shí)。如水量或水壓過大會使孔中回水量和流速增大，帶出大量細(xì)顆料，并不能收到振密的效果。

在粉細(xì)砂，砂壤土中加填料振沖密實(shí)宜采用連續(xù)下料法。此法是造孔至要求深度后，不提出振沖器即向孔內(nèi)填料，借振沖器的水平振力將填料擠入周圍土中，從而使土層擠密。由于土層逐漸密實(shí)，阻力漸增，電流值也將增高，當(dāng)電流值升高至規(guī)定的控制值時(shí)(對于30kW振沖器宜為50～60A)，將振沖器上提一段距離，繼續(xù)投料擠密直至孔口。上提距離約為振沖器錐頭的長度，即為30～50cm。

在軟弱粘性土層制作振沖置換樁，宜采用間斷下料法。此法是把振沖器提出孔口，第一次往孔內(nèi)倒入約1m厚的填料，再將振沖器沉入填料中振密并擴(kuò)大樁徑。若電流值達(dá)不到規(guī)定值，應(yīng)將振沖器提出至孔口，再向孔內(nèi)倒入填料，下振沖器振實(shí)，直至達(dá)到規(guī)定值為止。以后各段都應(yīng)將振沖器提出孔口，依次倒入填料振實(shí)，每次填料厚度為50cm。

這兩種制樁的順序有利于擠走部分軟土，故予規(guī)定?？孜黄钍菂⒄?GBJ202-83)第3.9.10條中的二，三兩項(xiàng)提出的。成孔中心偏差在該規(guī)范中規(guī)定不大于0.2d，但一般樁孔直徑為70～110cm，其偏差為14～22cm，實(shí)際上此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)難以達(dá)到，故將允許偏差放大為0.3d，即21～33cm。振沖施工過程中只能用填料量，密實(shí)電流和留振時(shí)間控制質(zhì)量，對于松砂地基以控制留振時(shí)間為主，對軟土地基以控制密實(shí)電流為主。由于振沖碎石樁的頂部1m左右側(cè)壓力小，填碎石難以振密實(shí)，故樁頂不密實(shí)部分應(yīng)挖除或采取其他補(bǔ)救辦法。本條是按(GBJ202-83)的要求制訂的。該規(guī)范根據(jù)砂土地基單樁的垂直靜荷載試驗(yàn)，規(guī)定樁入土7d后進(jìn)行試驗(yàn)，由于砂壤土固結(jié)較慢，故本條對砂壤土規(guī)定加固半月后進(jìn)行試驗(yàn)。

6、結(jié)語

水閘地基處理的方法的選取不一而足，關(guān)鍵是結(jié)合工程的地基的實(shí)際情況和建筑物地基的防滲、承載力的要求，并在設(shè)計(jì)、施工過程進(jìn)行比較、論證，選取最好的也是最經(jīng)濟(jì)的地基處理方法。

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