鑒江供水樞紐工程閘壩不良地基處理分析

陳海明

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東廣州 510635)

0 引言

鑒江供水樞紐工程是向湛江鋼鐵基地項目、中科練化項目及東海島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)提供工業(yè)用水和飲用原水的跨流域調(diào)水工程，兼顧解決沿線地區(qū)的生活用水需求，是鑒江下游最后一級水資源綜合利用工程。該樞紐工程包括鑒江口閘壩工程、庫區(qū)排澇與防護(hù)工程、鑒江—東海島輸水工程三大部分［1］。

其中鑒江口閘壩工程部分是鑒江供水樞紐工程的供水水源保證工程，主要建筑物包括:閘壩、通航船閘、連接土壩、小碼頭、管理所等。位于鑒江出海口，功能為:擋潮、蓄淡、供水、灌溉兼顧通航。設(shè)計正常蓄水位2．5 m，死水位 －2．0 m，有效庫容為8 977萬m3，年平均供水量約2．45億 m3/年。閘壩總孔數(shù)32孔，每孔凈寬14 m，分兩段布置，其中左河汊攔河閘壩段14孔，長231 m;右河汊攔河閘壩段18孔，長297 m。閘壩總長528 m，高12．2 m，閘頂高程8．2 m，閘底建基面高程 －4．0 m。

1 地質(zhì)條件

閘壩位于鑒江出?？冢瑢儆谥袊鵀I海地區(qū)。區(qū)域上屬雷瓊斷陷盆地的東北部。壩址兩岸為河?；旆e平原地形，地勢低洼，地形平坦，向河床微斜，兩岸地面高程一般為2．6 ～5．0 m，岸邊為堤防，堤頂高程一般為5．3 ～6．0 m。河面寬約1 800 m，河床底高程為－8．5～ －0．5 m。

地表為第四系覆蓋，且覆蓋層較厚，基巖埋深一般為50～60 m，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造多為隱伏狀基底構(gòu)造。工程場地土類型為中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類，場地地震基本烈度為Ⅶ度。

根據(jù)勘察成果，閘壩主要地層自上而下描述如下，巖土分層見圖1，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗成果見表1，主要力學(xué)參數(shù)建議值見表2。

②-2河海沉積層(Q3mc4):主要為黃色、灰黃色中細(xì)砂、粉細(xì)砂，松散，局部為中粗砂、灰色淤質(zhì)砂及淤泥等，部分鉆孔含有少許貝殼碎片或淤泥團(tuán)塊。層底高程為1．31 ～ －12．51 m，層厚 0．8 ～13．8 m，兩岸厚度大，河道厚度較小。滲透系數(shù)平均值k20=6．83×10－3cm/s，屬中等透水性。

③河海沉積層(Q2mc4):灰黑色及黑色淤質(zhì)細(xì)砂、中細(xì)砂夾淤泥，飽和，松散，具弱粘結(jié)性，砂主要為細(xì)砂，部分為中砂、粗砂等，含有較多的淤質(zhì)土及少量貝殼碎片，局部夾淤泥。層底高程為 －3．26～ －15．26 m，層厚為0．5～11．80 m。滲透系數(shù)平均值 k20=1．57×10－3cm/s，屬中等透水性。

⑥層(Qmc1z):湛江組河控三角洲相沉積層，根據(jù)揭露巖性垂直分布情況，劃分為6亞層，自上而下分別為:

⑥-1層:灰色及灰黑色淤質(zhì)粘土，軟塑—可塑，強(qiáng)度從上往下逐漸增強(qiáng)，粘性好，含有少量的有機(jī)質(zhì)，見少量炭化木，局部夾有薄層粉細(xì)砂;其中上部3～6 m呈軟塑狀，標(biāo)貫一般1擊 －3擊。層底高程為 －18．26～－32．01 m，層厚 10．60 ～24．80 m。滲透系數(shù)平均值k20=2．31 ×10－7cm/s。

主要物理指標(biāo)平均值為:天然含水率w=51．1%，天然密度 ρ=1．71 g/cm3，孔隙比 e=1．391，液限 WL=48．8%，液性指數(shù)IL=1．13。主要力學(xué)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值為:壓縮系數(shù)a1－2=0．869 MPa－1，壓縮模量Es1－2=3．16 MPa，為高壓縮性土;飽和快剪 CQ=15 kPa，φQ=8．7°;固結(jié)快剪 CQ=15 kPa，φQ=9．6°;三軸壓縮試驗(固結(jié)不排水剪)總應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù) Ccu=27 kPa，φcu=10．7°，有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值 C'=25 kPa，φ'=14．8°。

⑥-2層:灰白色粘土、粉質(zhì)粘土，局部夾有砂，可塑，粘性較好，含少量砂，見少量炭化木;層底高程為－21．52 ～ －31．05 m，層厚為1．0 ～6．5 m。滲透系數(shù)平均值 k20=1．16 ×10－7cm/s。

主要物理指標(biāo)平均值為:天然含水率w=31．9%，天然密度 ρ=1．87 g/cm3，孔隙比 e=0．893，液限 WL=40．7%，液性指數(shù) IL=0．53。

⑥-3層:灰白色及灰色中細(xì)砂、中粗砂等，局部為含礫中粗砂，稍密—中密，分選性較好，砂粒成份為石英，砂層中含有10% ～15%的泥質(zhì)，巖芯膠結(jié)成柱狀。層底高程為－23．83～ －41．45 m，層厚為0．8 ～14．5 m。滲透系數(shù)平均值 k20=8．44 ×10－3cm/s，屬中等透水性。

⑥-4層:灰色及灰白色砂卵礫石、砂礫石層，中密—密實，分選性及磨圓度較好，主要由礫石及中粗砂組成，礫石直徑為1～2 cm，成分為石英，含少量泥質(zhì);層底高程為 －24．09 ～ －42．10 m，層厚為0．8 ～12．6 m。滲透系數(shù)平均值 k20=9．23×10－3cm/s，屬中等透水性。

⑥-5層:灰白色及灰色含礫中粗砂及礫砂，中密—密實，以中密為主，分選性及磨圓度較好，主要由中粗砂及礫石組成，礫石成分為石英，直徑為2～5 mm不等，含有少量泥質(zhì)，巖芯可膠結(jié)成柱狀;層厚為2．3～17．55 m，層底高程為 －34．09 ～ －45．89 m。滲透系數(shù)平均值 k20=6．11 ×10－3cm/s，屬中等透水性。

⑥-6層:灰白色粉質(zhì)粘土及砂質(zhì)粘土，硬塑。

基巖為燕山晚期花崗閃長巖。

上述各土層的物理指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值是各土層中主要土體試驗結(jié)果的統(tǒng)計值。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(N)成果統(tǒng)計表Table 1 Results statistical table of SPT

2 主要工程地質(zhì)問題及處理

據(jù)勘察成果，閘壩地基②-2層的中細(xì)砂、粉細(xì)砂、淤質(zhì)砂和③層的淤質(zhì)細(xì)砂、中細(xì)砂為飽和砂土層，并局部夾有流塑—軟塑狀淤泥、淤泥質(zhì)土，存在飽和砂土液化的可能，其中軟土夾層存在震陷的可能;⑥-1層中的上部厚3～6 m呈軟塑狀淤質(zhì)粘土，承載力不足，沉降變形大，穩(wěn)定性差，并存在軟土震陷的可能，對工程建設(shè)不利。

(1)地震液化 現(xiàn)場剪切波測試成果，場地土的類型屬于中軟場地土，場地類別屬于Ⅲ類。剪切波速測試成果對場地內(nèi)土層液化判別結(jié)果見表3。

在②-2層選取8個、③層選取7個標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點進(jìn)行液化復(fù)判，計算結(jié)果，飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實測值小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。綜合評定，②-2層及③層飽和砂土為液化土層，地震作用下易產(chǎn)生液化，屬不良地基，影響工程穩(wěn)定。

圖1 閘壩軸線地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of dam axis

表2 主要力學(xué)參數(shù)建議值Table 2 Recommended values of main mechanical parameter

(2)軟土震陷 閘壩地基土②-2層和③層飽和砂土中夾有流塑—軟塑狀淤泥、淤泥質(zhì)土，⑥-1層中的上部厚3～6 m呈軟塑狀淤質(zhì)粘土，剪切波測試結(jié)果，②-2層和③層飽和砂土中夾流塑—軟塑狀淤泥、淤泥質(zhì)土的等效剪切波速平均值為88．7;⑥-1層中上部厚3～6 m的軟塑狀淤質(zhì)粘土的等效剪切波速平均值為90．4。在地震基本烈度7度存在震陷，屬不良地基，影響工程穩(wěn)定。

(3)土體穩(wěn)定性差 ②-2層和③層飽和砂土中夾有流塑—軟塑狀淤泥、淤泥質(zhì)土，⑥-1層的軟塑—可塑狀淤質(zhì)粘土，具高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度、低透水性等特點，承載力不足，沉降變形大，穩(wěn)定性差，屬不良地基，影響工程穩(wěn)定。

(4)地基評價 閘壩底板位于②-2層的中細(xì)砂、粉細(xì)砂夾淤質(zhì)砂層中，局部為淤泥層，部分位于③層的淤質(zhì)砂層中。

閘壩工程地質(zhì)勘察成果，高程－3．26～－15．26 m以上均為②-2層和③層的松散狀中細(xì)砂、粉細(xì)砂、中砂、淤質(zhì)細(xì)砂，局部為流塑—軟塑狀淤泥、淤泥質(zhì)土。承載力低，穩(wěn)定性差，且屬中等透水性，易產(chǎn)生地震液化和軟土震陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，故不宜作為建筑物的天然地基，作為閘壩基礎(chǔ)建議進(jìn)行攪拌樁圍封及復(fù)合地基加固處理。②-2層地基承載力特征值fak=90～120 kPa;③層 fak=80 ～110 kPa。

⑥-1層為軟塑—可塑狀的淤質(zhì)粘土，層頂高程為－3．26 ～ －15．26 m，厚度大，層厚10．60 ～24．80 m，其中上部厚度3～6 m呈軟塑狀。該層具高壓縮性，抗剪強(qiáng)度低，承載能力低，穩(wěn)定性差，易產(chǎn)生較大沉降，存在承載力不足、沉降變形過大和軟土震陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象，建議進(jìn)行預(yù)壓排水(打排水板)固結(jié)或復(fù)合地基(如CFG樁、碎石樁、攪拌樁等)加固處理。fak=70～90 kPa。

⑥-2層粘土及粉質(zhì)粘土，可塑，埋藏較深，承載力較高，層頂高程為 －18．26～ －29．56 m，但厚度較小，為1．0～6．5 m，且厚度變化較大，不宜作為樁基持力層。fak=160～180 kPa。

⑥-3層主要為中砂、中粗砂層，中密，埋藏較深，承載力較高，層頂高程為 －21．90～ －31．58 m，但厚度變化大，為0．8～14．50 m，不宜作為樁基持力層。fak=180 ～250 kPa。

⑥-4層、⑥-5層為砂卵礫石、砂礫石及含礫中粗砂、礫砂層，呈中密—密實狀，壓縮性小，承載力高，埋藏深，層頂高程為 －20．43～ －35．70 m，厚度較大，分布較穩(wěn)定，宜作為樁基持力層。閘底板下埋深約22～32 m。⑥-4層fak=300～400 kPa;⑥-5層fak=200～300 kPa。

3 地基處理措施及效果

為了提高地基承載力和減少沉陷量，降低飽和砂土液化和軟土震陷的影響，滿足閘壩的工作條件，閘底不允許與地基土脫離，因此采用摩擦樁。設(shè)計比選后，對閘壩基礎(chǔ)處理采用500 mm CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)復(fù)合地基方案，樁間距2 000 mm，正方形布置，樁端進(jìn)入⑥-4砂卵礫石層，樁頂設(shè)墊層，樁長為28．7 m，根數(shù)為3 564根?；A(chǔ)處理后其承載力及基礎(chǔ)沉降均能滿足設(shè)計要求。CFG樁是軟基處理的一種比較好的方法，成樁快、質(zhì)量可靠。

為了防止砂土液化影響，設(shè)計選用深層水泥攪拌樁成墻圍封，在每孔閘壩基礎(chǔ)四周單排成墻，攪拌樁樁徑 Φ500 mm，樁間距為0．4 m，平均樁長約8．3 m，攪拌樁打穿液化土層，進(jìn)入下臥不液化土層。

表3 土層臨界剪切波速及液化判別綜合表Table 3 Composite table of shear wave velocity and liquefaction

左河汊閘壩施工已完成，對左河汊閘壩地基處理CFG樁進(jìn)行了低應(yīng)變反射波法檢測，檢驗樁身結(jié)構(gòu)的完整性。共檢測210根CFG樁，其中Ⅰ類樁155根，占所測樁數(shù)的73．8%;Ⅱ類樁55根，占所測樁數(shù)的26．2%(Ⅰ類:樁身結(jié)構(gòu)完整或基本完整;Ⅱ類:樁身存在輕微缺陷，但樁身結(jié)構(gòu)完整性基本不影響樁的正常使用)。

為了檢驗地基處理后承載力是否符合設(shè)計要求及地基在荷載作用下的變形特征，對CFG樁進(jìn)行了單樁復(fù)合地基載荷試驗，檢測完成了15個試驗點，檢測結(jié)果，對應(yīng)最大試驗荷載400 kPa(單樁復(fù)合地基設(shè)計承載力200 kPa的2倍)時的沉降量為16．98 ～24．50 mm，均小于設(shè)計最大沉降量60 mm的要求。單樁復(fù)合地基極限承載力均大于設(shè)計承載力的2倍，符合設(shè)計及規(guī)范要求。

進(jìn)行檢測的CFG樁，樁身質(zhì)量和承載力達(dá)到了預(yù)期效果，均能滿足設(shè)計要求。

深層水泥攪拌樁施工質(zhì)量不保證，在開挖過程中，發(fā)現(xiàn)樁身均勻性欠佳，樁體間搭接不理想，存在間隙，局部達(dá)10～20 cm，圍封效果一般。

4 結(jié)論

(1)CFG樁在本工程地基處理中的使用效果理想。對分布有細(xì)砂、粉細(xì)砂及軟土層較厚的地基，為了提高承載力、降低沉降變形、預(yù)防液化震陷等工程地質(zhì)問題，建議采用CFG樁進(jìn)行地基處理，形成CFG樁復(fù)合地基基礎(chǔ)。

(2)深層水泥攪拌樁樁體致密性較好，透水性弱，隔水效果較理想，是預(yù)防飽和砂土液化較好的方法。本工程采用單排深層水泥攪拌樁方案，開挖發(fā)現(xiàn)樁身均勻性欠佳，樁體間搭接不理想，存在間隙，圍封效果一般。故在采用深層水泥攪拌樁成墻圍封，預(yù)防飽和砂土液化時不宜采用單排深層水泥攪拌樁方案，應(yīng)采用雙排或框格形圍封方案，以提高通過工程處理措施預(yù)防地震液化的效果。

［1］ 陳海明，等．湛江市鑒江供水樞紐鑒江口閘壩工程初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］．廣州:廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，2008．