花園湖退洪閘地基處理設(shè)計(jì)與效果分析

劉美義，馬東亮，鐘恒昌，王東棟

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

花園湖退洪閘位于淮河干流花園湖行洪區(qū)下口門處，與花園湖進(jìn)洪閘、行洪區(qū)共同組成行洪通道，以滿足花園湖分淮河洪水3500m3/s的設(shè)計(jì)要求。該閘設(shè)計(jì)擋水位淮河側(cè)20.24m，湖區(qū)側(cè)14m，共27孔，每孔凈寬12m，總凈寬324m，閘底板頂高程14m。閘室采用分離式底板結(jié)構(gòu)，大底板寬6.3m，小底板寬7.46m，順?biāo)鞣较蜷L18m。工程為Ⅱ等大(二)型，閘室及岸、翼墻等主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。閘區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相應(yīng)地震基本烈度為7度，按照7度抗震設(shè)防。

2 地質(zhì)條件及地基問題

2.1 場(chǎng)地巖土工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘探資料，閘底板以下勘探深度內(nèi)揭露地層為：

②層輕粉質(zhì)砂壤土(Q4al)：黃色，稍濕，呈軟可塑狀態(tài)或稍密狀態(tài)，夾中粉質(zhì)砂壤土和細(xì)砂，區(qū)內(nèi)廣泛分布，層底高程5.35～12.08m，層厚3m左右。

③層輕粉質(zhì)夾砂壤土(Q4al)：灰色，濕，軟塑或松散狀態(tài)，局部流塑狀態(tài)，夾有淤泥或淤泥透鏡體，巖性較雜，夾層、互層及層厚無規(guī)律，同層現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)離散性較大。層底高程為1.85～8.40m，層厚為4.5m。

③-1淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土(Q4al)，灰、灰褐色，軟至流塑狀態(tài)，夾有輕粉質(zhì)壤土、粉土薄層，層底高程-3.26～7.69m，層厚3～5m。

⑤粉質(zhì)黏土(Q3al)，灰色，呈可塑狀態(tài)，局部夾有輕粉質(zhì)壤土層。層底高程-8.15～4.20m，閘址區(qū)分布廣泛，層厚1～2m。

⑥-1層中粉質(zhì)壤土(Q3al)，灰色，軟塑狀態(tài)，夾輕粉質(zhì)土，該層為⑤層重粉質(zhì)壤土漸變?yōu)樯叭劳粱蚣?xì)砂層的過渡層，自上而下，粉土、砂土的含量漸增多。層底高程-9.70～0.44m，厚度為3～7m。

⑥-2層細(xì)砂或砂壤土(Q3al)，灰色，飽和，稍密至中密狀態(tài)，局部夾有輕粉質(zhì)砂壤土，層底高程-10.88～-2.55m。

⑧層中粉質(zhì)壤土(Q2al)，黃色，夾粗砂、粉土層，局部分布，層厚較薄，層底高程-10.30～6.20m。

⑩層含礫中粗砂層(Q2al)，以中粗砂為主，局部為細(xì)砂和碎石，中密至密實(shí)狀態(tài)，局部分布，層底高程-13.18～-10.27m，層厚1～4m。

閘基各層土物理力學(xué)參數(shù)及水文參數(shù)見表1。

2.2 地基存在的問題

閘底板底高程12.20m，閘基存在以下問題：

(1)地基土易發(fā)生滲流變形。閘底板坐在砂壤土，滲透系數(shù)A×10-4cm/s，允許水力比降為0.20～0.35。閘基地層在上下游水頭作用下易發(fā)生流土型滲透破壞。

(2)地基土層強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)承載力要求。閘室大底板、岸墻壓應(yīng)力約為170kPa，遠(yuǎn)超過持力層及下臥層地基承載力允許值，天然地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)地基土易發(fā)生地震液化。郯廬斷裂帶從閘址區(qū)附近通過，場(chǎng)區(qū)為抗震不利地段，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。閘基②、③層平均液化指數(shù)6.3～19，屬中等～嚴(yán)重液化；③-1層淤泥質(zhì)壤土IP=1.0>0.75，N63.5=2.3≤4擊，具有震陷的可能性。

3 地基處理設(shè)計(jì)

本閘存在以下特點(diǎn)：工程閘室段長，工程量大，合理的結(jié)構(gòu)布置和地基處理形式具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益；閘室采用分離式底板，地基處理設(shè)計(jì)方案既要兼顧上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力，又要考慮地基容易發(fā)生滲透破壞和地震液化的特點(diǎn)。閘室大底板既要承受豎向承載力，還需要承擔(dān)較大水平力。設(shè)計(jì)提出水泥土攪拌樁復(fù)合地基+防滲墻、排水固結(jié)預(yù)壓+防滲墻、鋼筋混凝土灌注樁+圍封、水泥粉煤灰碎石樁+防滲墻、沉井基礎(chǔ)5個(gè)方案進(jìn)行比選。各方案優(yōu)缺點(diǎn)和可比投資見表2。

綜合考慮上部結(jié)構(gòu)布置、防滲防液化處理效

表1 閘基各層土物理力學(xué)參數(shù)及水文參數(shù)

表2 地基處理設(shè)計(jì)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

表3 閘室段防液化圍封墻設(shè)計(jì)方案比選

圖1 閘基滲流計(jì)算成果(有截滲墻)

果、地質(zhì)條件的適應(yīng)性等，閘室地基處理采用灌注樁基礎(chǔ)(大底板)+CFG樁(小底板)+圍封方案。

灌注樁進(jìn)入全風(fēng)化巖石層0.5m，豎向承載力按照端承樁設(shè)計(jì)。但由于閘基土體密度密實(shí)度低、土體顆粒間黏結(jié)力小，飽和砂土在地震慣性力作用下發(fā)生液化而失去側(cè)向抗力，灌注樁不能承擔(dān)水平力，同時(shí)地震作用下產(chǎn)生的孔隙水壓力不能及時(shí)消散易造成地基噴砂冒水現(xiàn)象，因此對(duì)閘基進(jìn)行圍封成為防止砂土層液化變形的優(yōu)先方法。另外，閘基砂壤土容易產(chǎn)生滲流變形，防滲設(shè)施采用鋪蓋和垂直防滲墻(圍封墻)相結(jié)合的布置形式。閘室段防液化圍封墻設(shè)計(jì)方案比選見表3。

閘室大底板和岸墻基礎(chǔ)既要豎向承載力大，還需要承擔(dān)較大水平力，即每塊大底板下布置12根直徑1.1m灌注樁，每側(cè)岸墻下布置20根直徑1.1m灌注樁，樁端嵌入全風(fēng)化巖石0.50m；小底板下采用21根CFG樁，樁端進(jìn)入⑥-2層1.0m。振動(dòng)沉模板墻板樁厚度20cm，深度11.50m，墻體進(jìn)入非液化土層1.0m。

4 效果分析

對(duì)閘室段灌注樁抽檢單樁豎向極限承載力檢測(cè)值為5800kN，其特征值取2900kN，大于設(shè)計(jì)單樁豎向承載力特征值2300kN；單樁水平極限承載力檢測(cè)值為546kN，單樁水平力承載力特征值大于270kN。檢測(cè)結(jié)果顯示灌注樁基礎(chǔ)滿足設(shè)計(jì)要求。抽檢6根樁進(jìn)行低應(yīng)變完整性檢測(cè)，檢測(cè)顯示樁底諧振峰排列基本等間距，檢測(cè)波形分析閘室樁基判定為Ⅰ類樁，樁身完整，為優(yōu)質(zhì)樁。

按照設(shè)計(jì)擋水工況對(duì)有閘基設(shè)置圍封墻后采用河海大學(xué)土木工程學(xué)院工程力學(xué)系研究所研制的“AutoBANK-水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)”進(jìn)行。滲流計(jì)算流網(wǎng)及水力坡降數(shù)值圖詳如圖1所示。

計(jì)算結(jié)果為水平段滲流坡降值0.05，小于允許值0.15；出口滲流坡降值0.15，小于允許值0.3，閘基圍封后有效降低了滲流坡降。由此可見，砂性土地基水平防滲體必須與垂直防滲體結(jié)合使用才能取得最佳效果。振動(dòng)沉模板墻開挖后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)板墻連續(xù)、墻面平整、厚度均勻、無接縫、無斷板和縱橫向開叉缺陷，完整性好。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和取樣室內(nèi)試塊檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見表4，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

地震液化圍封效果可采用場(chǎng)地地震液化數(shù)值模型分析或?qū)嶒?yàn)室模擬地震試驗(yàn)法驗(yàn)證，由于這些試驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜和工程費(fèi)用較高，本工程未開展相關(guān)研究工作，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程采用樁基礎(chǔ)+混凝土板墻圍封能夠滿足閘基抗液化要求。

表4 混凝土振動(dòng)沉模板墻設(shè)計(jì)參數(shù)與檢測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)語

本閘地層由砂壤土、淤泥、細(xì)砂等多層地基組成，這種互層地基呈現(xiàn)出水利工程地基設(shè)計(jì)的復(fù)雜特點(diǎn)。設(shè)計(jì)過程中抓住了地基抗液化這一矛盾的主要方面，兼顧防滲、地基變形等問題的次要方面，確定了閘室大底板灌注柱深基礎(chǔ)、閘室小底板CFG樁+防液化圍封的地基處理設(shè)計(jì)方案。振動(dòng)沉模防滲板墻施工運(yùn)用大功率、高頻率振動(dòng)錘將H形空腹鋼模板振動(dòng)沉入土體至設(shè)計(jì)深度，對(duì)地基振動(dòng)干擾小，適應(yīng)了本閘地基特點(diǎn)；灌注樁、CFG樁施工漿液壓力低，不影響振動(dòng)沉模施工質(zhì)量。工序安排上灌注樁、振動(dòng)沉模從閘室兩端分別進(jìn)站施工，CFG在兩工藝間隙施工，三種施工工序合理安排，減少了互相干擾，縮短了施工導(dǎo)流工期。目前水閘已建成擋水，工程運(yùn)行情況良好。