淺談水下混凝土在流砂基礎(chǔ)處理上的應(yīng)用

張成貴

(宣城市宣州區(qū)水利局，安徽 宣城 242000)

1 項(xiàng)目概況

東大圩是宣州區(qū)在南漪湖綜合治理時(shí)，封堵油榨河形成的，它是由原五星聯(lián)圩、朱橋聯(lián)圩和青草湖農(nóng)場合并而成，位于宣州區(qū)東北部，保護(hù)五星鄉(xiāng)、朱橋鄉(xiāng)和國營青草湖農(nóng)場，保護(hù)面積102.2 km2，受益總?cè)丝?.41萬人，耕地總面積4933.33 hm2。

東大圩呈長條形，南北長約20 km，東西寬約6 km，由水陽江、雙橋河、南漪湖、北山河、渾水河環(huán)繞合抱而成，四面環(huán)水。該圩區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，雨量充沛，季風(fēng)顯著；雨量年際變化大，年內(nèi)降水又集中在6—7月兩個(gè)月份，降水量時(shí)空分布不均。由于地處水陽江中游圩區(qū)，受到上游洪水和下游調(diào)蓄區(qū)(南漪湖)洪水頂托的共同影響。一般年份5—10月圩內(nèi)集水無自排機(jī)會(huì)，極易形成內(nèi)澇。為便于排灌工程管理，提高排澇效益，根據(jù)地形地勢(shì)特點(diǎn)，將東大圩劃分小港口、裕豐、楊家咀、楊灘、沙河口等五個(gè)排灌區(qū)，各排灌區(qū)間通過土堤和控制閘進(jìn)行控制，來達(dá)到“高水高排，低水低排”的目的。五個(gè)排灌區(qū)自上世紀(jì)六十年代起共興建了21座泵站，為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的改善發(fā)揮了巨大作用。由于大部分骨干泵站均建于20世紀(jì)60、70年代，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)備老化、性能下降，內(nèi)澇頻繁且損失嚴(yán)重，為恢復(fù)東大圩泵站的排澇抗災(zāi)能力，該圩小港口一站、裕豐五站、沙河口三站三座較大規(guī)模的泵站列入《全國大型灌溉排水泵站更新改造規(guī)劃》。2016年省發(fā)改委對(duì)該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了批復(fù)，同意小港口一站、裕豐五站、沙河口三站拆除重建。

沙河口三站位于原五星聯(lián)圩境內(nèi)，五星聯(lián)圩屬于東大圩上半段，由水陽江干流、支流雙橋河和被封堵的油榨河包圍而成，行政區(qū)劃屬宣州區(qū)五星鄉(xiāng)和青草湖農(nóng)場(部分)，保護(hù)總面積42.57 km2，總?cè)丝?.3萬人，耕地面積1973.33 hm2，其中水田1540.00 hm2。在灌溉排水泵站更新改造規(guī)劃時(shí)，將五星聯(lián)圩分為沙河口、楊灘、楊家咀三個(gè)排灌片區(qū)。由沙河口一、二、三站共同承擔(dān)著沙河口排灌片區(qū)排灌任務(wù)。沙河口三站批復(fù)設(shè)計(jì)3臺(tái)700ZLB-100立式軸流泵，配3臺(tái)YL355M-8型電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率160 kW，設(shè)計(jì)總裝機(jī)480 kW，設(shè)計(jì)抽排流量為5.10 m3/s，自排流量為5.8 m3/s。

2 工程水文與地質(zhì)

2.1 工程水文

水陽江發(fā)源于皖浙交界的天目山，是長江一級(jí)支流，干流河道總長度 273 km，流域面積 10 385 km2。宣城、新河莊水文站是水陽江干流上兩個(gè)主要控制站，控制流域面積分別為3410 km2和7594 km2。宣城水文站以上為水陽江上游，新河莊水文站以下為水陽江下游，兩站之間為水陽江中游，其間干流河道長度為31.40 km。沙河口三站位于水陽江右岸，處于水陽江中游，距離宣城水文站13.25 km。排灌主要受水陽江水位控制。當(dāng)水陽江水位高于圩內(nèi)水位時(shí)，采取抽排，當(dāng)水陽江水位低于圩內(nèi)水位時(shí)，采取自排[1]。

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，施工期安排在11月—次年4月，施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選用重現(xiàn)期為5 a一遇，經(jīng)水文分析：宣城站水位為13.66 m，新河莊水位為9.78 m，推算出沙河口三站泵站處水位為12.30 m。

2.2 工程地質(zhì)

根據(jù)勘察成果，沙河口三站站址土層自上而下為：0層(Qs)：人工填土，層厚1.60～8.70 m，層底高程6.95～9.26 m；①層(Q4al)：重粉質(zhì)壤土，層厚0.90～2.90 m，層底高程5.79～6.80 m；②層(Q4al)：淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土，層厚1.70～3.10 m，層底高程3.16～4.42 m；③層(Q4al)：細(xì)砂，層厚1.40～2.90 m，層底高程0.99～2.80 m；④層(Q2al)：砂礫卵石，僅部分鉆孔鉆穿，揭露最大厚度4.40 m，最低層底高程-2.15 m；⑤層(K)：全～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖～泥巖，此層各孔均未揭穿，揭露最大厚度3.40 m，揭露最低層底高程-6.58 m。

3 工程布置

該站泵房設(shè)計(jì)為濕室型堤后式，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和抗震穩(wěn)定性，減少結(jié)構(gòu)不均勻沉降，將主、副廠房布置在一個(gè)分縫段上(即為一個(gè)底板)。主泵房內(nèi)安裝有3臺(tái)700ZLB-100 立式軸流泵，配3臺(tái)YL355M-8型電動(dòng)機(jī)，單機(jī)功率160 kW，長13.00 m，寬7.00 m，右側(cè)設(shè)檢修間。主泵房出水側(cè)設(shè)壓力水箱，壓力水箱底層為自排、自灌引水通道，上層為抽排水流通道；壓力水箱末端與控制段連接。壓力水箱內(nèi)側(cè)段頂面布置副廠房，長13.00 m，寬5.50 m，副廠房內(nèi)布置電氣柜、控制臺(tái)及變壓器等。因此，泵房底板順?biāo)鞣较驗(yàn)?7.60 m，長為7.00 m，底板頂面高程設(shè)計(jì)為5.70 m，厚為0.60 m?？刂贫雾?biāo)鞣较驗(yàn)?.00 m，底板頂面高程從5.70 m抬高到8.20 m，與穿堤涵洞相接[2]。

4 基礎(chǔ)處理、原因分析和方案選擇

4.1 基礎(chǔ)處理

沙河口三站站址處地層主要為第四系全新地層(Q4al)，站身基建面表層為淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土，層厚 1.70～3.10 m，滲透系數(shù)為2.0×10-6m/s，其下為強(qiáng)透水③層細(xì)砂，層厚0.99～2.80 m，滲透系數(shù)為5.0×10-3m/s；下臥層為強(qiáng)透水性的砂礫卵石層，滲透系數(shù)為5.0×10-2m/s，地層同樣呈明顯的多元結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)考慮③層細(xì)砂層為強(qiáng)透水層，站基下采用水泥土換填，滲透系數(shù)按4.0×10-6m/s計(jì)。換填范圍為泵房、匯水箱及控制段一半(順?biāo)鳛?2.00 m，長為16.00 m)，基坑采取降水井降水。要求將泵房基底淤泥層全部清除，換填水泥土平均厚度為1.50 m，水泥摻入重量比為8%，填筑壓實(shí)度不小于0.95，干容重不小于15.5 kN/m2。

2017年3月該工程準(zhǔn)備泵房基礎(chǔ)施工時(shí)，采取6口直徑300 m降水井降水，井內(nèi)水量不足，基坑降水不明顯。設(shè)計(jì)人員到現(xiàn)場后，提出增加降水井?dāng)?shù)量，由原來的9口增加到12口；加深水井，由原來的6 m增加到9 m；調(diào)整井筒外回填的反濾料，由原來的三級(jí)配調(diào)整為一級(jí)配即瓜子片。但井內(nèi)水量依然不足，基坑降水仍不明顯。局部挖探坑觀察，水量較大，流砂明顯，基坑水位基本與外江水位持平(5.50 m左右)。

4.2 原因分析

該工程站址處地質(zhì)報(bào)告揭示，泵房基礎(chǔ)處于淤泥質(zhì)中粉質(zhì)壤土之中，該層軟塑狀，承載力較低。下層為細(xì)砂層，滲水性強(qiáng)，流動(dòng)性較大，俗稱為“流砂”層。由于“流砂”吸附于井壁四周，堵塞反濾料和無砂管，形成護(hù)壁層，該護(hù)壁層滲流量較小，致使井內(nèi)水量不足，基坑降水水明顯。無法形成無水狀態(tài)下的基坑施工要求。

4.3 方案選擇

對(duì)軟弱基礎(chǔ)處理的方法較多，均有成熟的施工方案，如換填水泥土或砂卵石、樁基處理、高壓擺噴圍封等處理。由于樁基和高壓擺噴圍封處理錯(cuò)過了最佳施工期(11月至次年2月)，施工、保養(yǎng)和檢測(cè)時(shí)間較長，無法滿足該工程主汛期完成水下部分的要求。采取砂礫料回填，受當(dāng)時(shí)水陽江水位影響(內(nèi)外水位基本持平，水位在5.5 m左右)，砂礫料回填后，基坑水位高于建基面(5.10 m)，降水仍無法解決，不能保證基坑在無水狀態(tài)下施工。為保證按期完成任務(wù)，后改為換填混凝土方案[3]。

其優(yōu)點(diǎn)：①無需降水，施工簡單，施工期短，淤泥清除后，即可施工，能夠滿足工期要求。②可在水下施工，使內(nèi)外水平衡，使“流砂”不流，減少滲流破壞。③可保證基坑無水狀態(tài)下施工，水下混凝土回填后，距水面僅40 cm左右，基坑四周可用作土袋作簡易排水堤(壩)，保證基坑內(nèi)無水，基坑外水位維護(hù)不變，以滿足基坑施工要求。④從工程成本上來看，混凝土高于水泥土費(fèi)用，而水泥土換填基坑降水成本大、要求高，基礎(chǔ)處理總費(fèi)用基本持平。

5 水下混凝土施工

5.1 施工準(zhǔn)備

組織三臺(tái)1 m3反鏟挖掘機(jī)和兩臺(tái)1 kW潛水泵；修筑4.0 m寬下坡道(9.0 m)到基坑平臺(tái)(6.0 m)；清理基坑外臨時(shí)堆土場地，準(zhǔn)備好攔擋材料和器材；與混凝土供應(yīng)商簽訂混凝土供應(yīng)協(xié)議，明確C20混凝土配合比，要求一次性連續(xù)不斷地保障混凝土供應(yīng)到位，由于混凝土拌和站與工地距離在10 km左右，要求10 m3混凝土攪拌車不少于8輛，混凝土輸送泵車一臺(tái)；準(zhǔn)備兩條小船，用于混凝土施工；同時(shí)，密切關(guān)注天氣狀況，選擇晴好天氣施工。

5.2 基坑開挖

用一臺(tái)1 m3反鏟挖掘機(jī)開挖基坑，兩臺(tái)挖掘機(jī)外翻到臨時(shí)堆土區(qū)。淤泥層開挖時(shí)，盡可能保持基坑水位不變或略高于水陽江水位，根據(jù)基坑四周穩(wěn)定情況，適當(dāng)提高基坑內(nèi)水中的泥漿濃度，以起到固壁作用(由于淤泥層為重粉質(zhì)壤土，沒有備用黏土，調(diào)節(jié)泥漿濃度只需挖掘機(jī)開挖時(shí)多加攪拌即可)。一次性開挖至砂卵石層表面，開挖出的淤泥采取2臺(tái)挖機(jī)倒轉(zhuǎn)的方式，挖至基坑外30 m處的臨時(shí)堆土區(qū)(由于本工程土源緊張，開挖出的土，后期用于進(jìn)水閘兩側(cè)的回填土)，不得堆放在基坑周邊，適當(dāng)降低基坑周邊土層高度，以減輕周邊的土層壓力，并做好攔擋。如作為棄土，需運(yùn)至棄土場或用于附近填塘固基。

5.3 混凝土澆筑

施工前，對(duì)基坑底部進(jìn)行復(fù)測(cè)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，采取泵送混凝土施工。本工程輸送泵直接插入基坑底部，混凝土達(dá)一定高程后(插入點(diǎn)處高于設(shè)計(jì)高程30～50 cm)，再采取人工輔助移動(dòng)(每條小船上兩人)至泵送下一點(diǎn)，在混凝土輸送過程中，要始終保證輸送口在混凝土內(nèi)。泵送混凝土結(jié)束后，安排人工坐船將插入式振動(dòng)器橫放在混凝土表面振動(dòng)，以達(dá)到整平、密實(shí)的目的。由于本工程換填深度不大，采取的人工輔助方式澆筑。如基坑較深，可采取搭設(shè)支架，下導(dǎo)管分片澆筑的方式進(jìn)行。

6 結(jié) 語

原沙河口三站在此修建時(shí)，由于“流砂”作用導(dǎo)致泵房兩次倒塌(在本站施工開控時(shí)，均發(fā)現(xiàn)兩次倒塌的痕跡)，最后，不得不將站址向圩內(nèi)平移100 m處修建，因此，當(dāng)?shù)亓鱾鳌按颂幉荒芙ㄕ尽钡恼f法。泵房建成后，經(jīng)觀測(cè)，沉降在10～20 mm，滿足規(guī)范要求，置換后的混凝土檢測(cè)結(jié)果達(dá)到C20要求。水下混凝土的施工，打破了“不能在此修建泵站”的說法，該工程已于2017年12月全部完工，經(jīng)過2018年、2019年汛期考驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，已交付使用，發(fā)揮排灌作用。該站能按期完成，得益于：一是適時(shí)的水陽江水位(施工時(shí)水陽江水位較低)；二是先進(jìn)的施工設(shè)備(機(jī)械取代人工)；三是完善施工組織，直接水下施工；四是設(shè)計(jì)、建設(shè)和施工單位的組織協(xié)調(diào)管理。