汾河二壩除險(xiǎn)加固工程攔河閘地基分析與施工處理措施

李潤清

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

1 概況

1.1 工程概況

汾河二壩攔屬于大(2)型水閘，在遇到強(qiáng)降雨氣候或者上游地區(qū)洪水位較高時(shí)，該水閘泄洪排水能力較差，尚且達(dá)不到設(shè)計(jì)行洪能力標(biāo)準(zhǔn)。為了提高水閘行洪排水能力，需對(duì)攔河水閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程改造，在攔河水閘左側(cè)增加閘孔數(shù)量，提高水閘泄洪排水能力，提高汾河二壩攔河水閘的防洪等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1]。本次除險(xiǎn)加固工程需增建6個(gè)行洪排水孔，每個(gè)孔寬為8m，擴(kuò)建的閘室結(jié)構(gòu)尺寸為順?biāo)较蛟鼋?0m，垂直水流方向增建為52m，在新建閘室左側(cè)的上游和下游修建翼墻[2]。

1.2 工程地質(zhì)條件

2 地基土地震液化判別

2.1 初判

根據(jù)目前應(yīng)用較為廣泛的地基液化的判別標(biāo)準(zhǔn)，飽和粉土或砂土在滿足以下條件之一時(shí)，可將土質(zhì)類型判斷為不液化土或不受液化危害的地基土[5]。

(1)在第四紀(jì)晚更新世(Q3)及其以前的經(jīng)過沖擊形成的較為密室的飽和性粉土或砂土，在7～8級(jí)地震時(shí)可認(rèn)為地基土不產(chǎn)生液化。

(2)對(duì)于7級(jí)地震黏粒含量不低于10%、8級(jí)地震含量不低于13%、9級(jí)地震含量不低于16%的粉土，可認(rèn)為該類型地基土為不液化土。

(3)當(dāng)建筑物采用天然地基時(shí)，地基土是否會(huì)產(chǎn)生液化現(xiàn)象受地下水位和非液化土質(zhì)覆蓋厚度的影響，當(dāng)滿足下列條件之一時(shí)，可認(rèn)為地基土不受液化危害影響：

du>d0+db-2;dw>d0+db-3;du+dw>1.5d0+2db-4.5

(1)

式中，dw—地下水位深度，m，一般為建筑物近期最高水位或試用期內(nèi)年平均最高水位；du—非液化土質(zhì)覆蓋厚度，m，為扣除了淤泥或淤泥質(zhì)土層的厚度；db—攔河水閘基礎(chǔ)埋置深度，m，超過2m時(shí)為實(shí)際埋深，不足2m時(shí)按2m計(jì)算；d0—液化地基土特征深度，特征深度值按見表1。

表1 液化土特征深度值 單位：m

2.2 公式判別

若地基土初步判別為可液化土層時(shí)，仍需進(jìn)一步對(duì)液化土類別進(jìn)行判斷，一般情況下可采用鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算公式判別，特殊情況下可利用其它判別方法進(jìn)行判斷[6]。在我國所發(fā)生的地基液化深度大于15m的建筑物實(shí)例相對(duì)較少，一般情況下是對(duì)于淺基礎(chǔ)建筑物的地基液化類型進(jìn)行判別，判別深度為15m。地基深度在15m范圍內(nèi)的飽和粉土或砂土可按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行液化類型判別：

N

(2)

式中，N—飽和土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊次數(shù)(實(shí)測(cè)值)；Ncr—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊次數(shù)臨界值；N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊次數(shù)基準(zhǔn)值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求8級(jí)地震區(qū)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊次數(shù)為10次；ds—飽和土貫入點(diǎn)深度值，m；ρc—粉土中黏粒含量百分?jǐn)?shù)，當(dāng)含量小于3%時(shí)取3%。

根據(jù)飽和性試驗(yàn)結(jié)果該工程攔河水閘地基土屬于飽和土。然后按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示該地基土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊次數(shù)N為5～10次，而液化判別標(biāo)準(zhǔn)中8級(jí)地震時(shí)的貫入錘擊次數(shù)臨界值Ncr為10～20次，故汾河二壩攔河水閘地基土在8級(jí)地震時(shí)可發(fā)生地震液化。

3 地基處理方案

根據(jù)地基土力學(xué)性能試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示攔河水閘地基土地基承載力范圍為75～95kPa，而當(dāng)發(fā)生8級(jí)地震時(shí)需要的最大地基承載力為135kPa，翼墻基礎(chǔ)所需要的最大力為205kPa，故攔河水閘天然地基承載力明顯低于發(fā)生8級(jí)地震時(shí)閘基和翼基所需的承載力；根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果，汾河二壩攔河水閘地基土若發(fā)生8級(jí)地震可產(chǎn)生明顯的地震液化。綜上所述，為解決基土承載力不足和地震液化危害兩大問題，應(yīng)考慮在閘底板四周加設(shè)鋼筋混凝土板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，利用振沖碎石樁對(duì)新建攔河水閘和翼墻的基底進(jìn)行加固處理[7]。在充分考慮了工程現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的施工機(jī)械和施工條件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過有關(guān)地基加固技術(shù)方面的討論后，最終擬定采用直徑為0.7m的振沖碎石樁對(duì)基土進(jìn)行出現(xiàn)加固處理。樁間距和復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式如下所示：

(3)

式中，fskp—復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk—經(jīng)過處理后的樁間土質(zhì)承載力特征值，kPa，一般去天然土基承載力特征值，kPa;m—面積置換率；n—樁土應(yīng)力比，其值一般為2～4，當(dāng)土強(qiáng)度較高時(shí)取小值，當(dāng)土強(qiáng)度較低時(shí)取大值；d—振沖碎石樁直徑，m；de—影響等效直徑，m；S—振沖碎石樁間距，m。

結(jié)合相關(guān)壩基除險(xiǎn)加固工程中振沖碎石樁的間距，并考慮了天然地基土層和樁直徑對(duì)地基承載力的影響，本文擬定攔河水閘振沖碎石樁樁間距為1.8m，而翼墻基底樁間距為1.5m，樁長8m。通過計(jì)算，汾河二壩除險(xiǎn)加固工程中經(jīng)采用振沖碎石樁處理后的復(fù)合地基承載力閘基和翼墻基底計(jì)算值分別160kPa和224kPa，均滿足該地區(qū)發(fā)生8級(jí)地震時(shí)所需的最大地基承載力要求[8]。

4 碎石樁地基處理檢測(cè)

攔河水閘地基和翼墻基底按照上述加固方案進(jìn)行處理后，委托復(fù)合地基承載力和土層地震液化檢測(cè)的單位對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，以此驗(yàn)證經(jīng)過復(fù)合地基處理后的基礎(chǔ)力學(xué)性能和地震液化性能是否復(fù)合工程設(shè)計(jì)要求。

表2 攔河水閘地基加壓荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

4.1 復(fù)合地基承載力試驗(yàn)

對(duì)振沖碎石樁復(fù)合地基承載力載荷試驗(yàn)采用4組試驗(yàn)進(jìn)行，閘基2組，翼墻2組。

4.1.1 試驗(yàn)方法

本文采用單樁復(fù)合地基荷載壓板試驗(yàn)，壓板直徑為1m，閘基底和翼墻基底最大加壓荷載分別為320kPa和420kPa，每加一次荷載進(jìn)行一次承壓板沉降量記錄。當(dāng)承壓板沉降量在1h小于0.1mm時(shí)可進(jìn)行下一級(jí)加壓，當(dāng)出現(xiàn)以下情況之一時(shí)，則終止加壓試驗(yàn)：

(1)沉降量急劇增加、壓板周圍出現(xiàn)明顯凸起或土體被擠出；

(2)累計(jì)沉降量不小于壓板直徑的6%；

(3)當(dāng)加壓荷載達(dá)到設(shè)計(jì)要求荷載的2倍，還未達(dá)到極限荷載時(shí)。

4.1.2 壓載試驗(yàn)結(jié)果與分析

每一級(jí)加壓荷載引起的樁沉降量和剩余沉降量見表2、3。

由上表數(shù)據(jù)可知，當(dāng)加載荷載達(dá)到最大值時(shí)，各測(cè)量點(diǎn)均未發(fā)生終止試驗(yàn)的條件，加載荷載與沉降量之間呈現(xiàn)出平滑的關(guān)系曲線。可選用樁變形對(duì)承載力特征值進(jìn)行表征，一般選擇的承載力特征值為最大加壓荷載的1/2，則根據(jù)上表試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，采用的攔河閘地基和翼墻基底承載力特征值分別為160kPa和210kPa，均滿足在8級(jí)地震時(shí)所需的最大承載力要求[9]。

4.2 復(fù)合地基土地震液化監(jiān)測(cè)

為了對(duì)經(jīng)過振沖碎石樁加固處理的地基液化性能進(jìn)行檢驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)，結(jié)果顯示經(jīng)過處理后的復(fù)合地基其標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊次數(shù)實(shí)測(cè)值為15～20次，略大于貫入錘擊次數(shù)臨界值的10～20次標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，經(jīng)過振沖碎石樁加固處理后的復(fù)合地基其抵抗地震液化能力明顯增加，有效的減少了地震液化對(duì)地基的危害。

5 施工技術(shù)處理措施

首先利用制樁試驗(yàn)，確定樁體施工工藝參數(shù)，振留時(shí)間為12s，加密段長為300～500mm，樁體填料沿樁體每米填充0.95m3，制樁施工技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 施工技術(shù)參數(shù)

在確定了成樁時(shí)各施工工藝參數(shù)后，選擇合理的振沖器進(jìn)行振沖成孔，在樁孔成型穩(wěn)定后將振沖器移出。然后按照一定的次序向樁孔內(nèi)沿水平方向進(jìn)行均勻的倒置碎石，并用低壓制樁。碎石在添加過程中應(yīng)按照每次添加量少，進(jìn)行多次添加原則進(jìn)行對(duì)于土層較為復(fù)雜的階段，應(yīng)嚴(yán)格控制單位長度內(nèi)的碎石樁進(jìn)料量。大量的實(shí)際工程表明，振沖碎石樁若采用的碎石粒徑較小，則樁體較松其抗剪能力較差，若碎石級(jí)配不好，則抗體抗剪能力下降[9]。

6 結(jié)語

本文針對(duì)目前汾河二壩攔河水閘地基承載力不足的問題以及在8級(jí)地震基土?xí)r可產(chǎn)生的液化危害問題，提出了采用振沖碎石樁對(duì)地基進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理方案。通過分析碎石質(zhì)量對(duì)樁體力學(xué)性能影響，并合理的控制樁體施工技術(shù)參數(shù)，制成了適用于攔河水閘地基和翼墻基土加固的碎石樁。然后對(duì)振沖碎石樁形成的復(fù)合地基進(jìn)行承載力試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果表明采用振沖碎石樁加固處理技術(shù)可明顯提高復(fù)合地基承載力，有效降低在8級(jí)地震時(shí)所引起的基土液化危害，符合工程技術(shù)要求，該項(xiàng)技術(shù)方案可應(yīng)用于其他河壩加固處理中。

[1] 徐琛琛. 堤壩除險(xiǎn)加固的整澆切割混凝土面板護(hù)坡研究[D]. 長沙理工大學(xué), 2012．

[2] 晁新秀. 擋土墻和抗滑樁在邊坡防護(hù)措施中的應(yīng)用研究[D]. 山東大學(xué), 2013．

[3] 范紅英. 黃土邊坡剝落病害機(jī)理及防治技術(shù)研究[D]. 長安大學(xué), 2012．

[4] 秦衛(wèi)星, 劉劍鋒, 徐琛琛. 整澆切割混凝土面板堤壩護(hù)坡技術(shù)及應(yīng)用[J]. 施工技術(shù), 2013(21): 44- 46．

[5] 張志. 淺談水利工程混凝土施工的質(zhì)量控制[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2015(05): 25- 27．

[6] 楊洋. 水利工程施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源管理研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(07): 64- 67．

[7] 鄭長海, 陳友山, 張樣敏, 等. 大壩混凝土護(hù)坡現(xiàn)澆施工新工藝[J]. 水利天地, 2001(05): 39- 40．

[8] 曾國熙, 等. 地基處理手冊(cè)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1996.

[9] 翟勝章, 王衛(wèi). 水利工程混凝土冬季施工技術(shù)措施[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2007(06): 62- 63．

[10] 劉振紅, 張一. 地下水位抬升對(duì)非濕陷地基變形的影響[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 36(05): 52- 55.

[11] 郭紅亮, 朱世洪, 龔春蕾. 雁洲水閘淤泥地基處理[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 36(05): 56- 61.

[12] 俞宏. 紅崖山水庫加高擴(kuò)建工程泄洪閘地基地震液化處理措施[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(10): 125- 128.

[13] 伍美華. 排澇泵站地基承載力特征值的確定及地基處理設(shè)計(jì)[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(05): 114- 117.

[14] 李景宜, 嚴(yán)瑞. 攔河閘閘基構(gòu)造穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)[J]. 巖土力學(xué), 2006(S2).

[15] 吳錦明, 周豪. 閘基塑膜防滲[J]. 中國水利, 1987(06).

[16] 劉永琪. 粘土閘基滲透壓力溯壓管水位異常初探[J]. 治淮, 1989(01).

[17] 呂世德, 陳浩然. 嶂山閘閘基滲流異常原因[J]. 治淮, 2004(02).

[18] 傅瓊?cè)A, 李建峰. 南潦閘閘基滲流安全評(píng)價(jià)有限元計(jì)算[J]. 江西水利科技, 2001(S1).

[19] 鄭小芳, 李富忠, 李鳳瓊, 劉彥琦. 深厚覆蓋層不同閘基處理方案的研究[J]. 山西建筑, 2014(34).

[20] 黃燕輝, 董宇峰, 李啟順. 便民河河口江堤軟土地基處理方案探析[J]. 東北水利水電, 2017(07).

[21] 田紅偉, 楊偉杰. 碎石樁在砂礫石閘基處理中的應(yīng)用與研究[J]. 湖南交通科技, 2011(02).