水閘重建過(guò)程中閘室基礎(chǔ)處理方案比選

歐陽(yáng)佩佩

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州510630）

1 工程概況

老八孔水閘是汕頭市澄海區(qū)一八圍的主要水閘。地處于整個(gè)澄海區(qū)的南邊，被西溪、外砂河、東溪河、蓮陽(yáng)河和南海所環(huán)繞。一八圍排水系統(tǒng)由三個(gè)主要排水道、北草溝排水道和五個(gè)排水閘組成。老八孔排水閘位于排水道出口萊蕪，左岸與一八圍堤南段相連。右岸與海堤的南龍壟段相連。老八孔水閘的主要功能是排水，最初的排水量的設(shè)計(jì)為119 m3/s，體量上為中型水閘，與周邊的八一圍海堤共同起到阻擋浪潮，防止潮水進(jìn)入的功能?，F(xiàn)在的老八孔排水閘主要由兩個(gè)部分組成：始建于1954年的老的排水閘，由八個(gè)孔構(gòu)成，位于整個(gè)水閘的左側(cè)；另外一個(gè)是建于1974年的，新孔位于整個(gè)閘室的右邊，每個(gè)孔的凈寬度也由原來(lái)的1.9 m變成現(xiàn)在的2.5 m。項(xiàng)目擴(kuò)展后，總共有13個(gè)孔。

根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告，閘址區(qū)基礎(chǔ)下地層主要有：②-1粉細(xì)砂層、②-2層為淤泥質(zhì)土夾粉細(xì)砂層、③中砂、粘土質(zhì)砂、④-1淤泥質(zhì)土層，軟塑、④-2粉質(zhì)粘土層，可塑、④-3粉細(xì)砂層、④-4淤泥質(zhì)土層。重建水閘各部分建基面高程為-3.9 m～-4.8 m，閘室底板、上下游護(hù)坦消力池、前后連接段翼墻直接位于②-2淤泥質(zhì)土上。②-2主要為淤泥質(zhì)土，層厚為9.1 m～13.6 m。水閘建基面的②-2淤泥質(zhì)土承載力特征值為55 kPa～60 kPa，低于水閘最大基底應(yīng)力115.17 kPa，必須進(jìn)行地基處理。

2 方案介紹和比選

主要采用鉆孔灌注樁、攪拌樁、預(yù)制砼管樁等混合地基處理方案來(lái)應(yīng)對(duì)深厚層淤泥地基。本文根據(jù)此次項(xiàng)目工程的現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)的建筑物特點(diǎn)，以已經(jīng)建筑好的項(xiàng)目為參考，選取兩空一聯(lián)閘段對(duì)以下三個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比和選擇。

2.1 鉆孔灌注樁方案

根據(jù)該工程事先的地質(zhì)報(bào)告，參照本省的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DBJ 15-31-2003）與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008）等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不同地層相關(guān)的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值參照表1。

表1 各層樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值（灌注樁）

樁身配筋率大于等于0.65%的鉆孔灌注樁單樁水平向承載力特征值按下列公式計(jì)算：

式中：RHa為單樁水平向承載力特征值；EI為樁身抗彎剛度，對(duì)于混凝土樁，EI=0.85E0I0；其中，I0為樁身?yè)Q算截面慣性矩，對(duì)于圓形截面，I0=W0d/2；x0a為樁頂允許水平位移，取6 mm；vx為樁頂水平位移系數(shù)，考慮樁頂與底板嵌固作用，可查表，鉸接時(shí)取2.441，固結(jié)時(shí)取0.94；α為樁水平變形系數(shù)；m為土的水平抗力系數(shù)，取4.0 MN/m4；b0為樁身計(jì)算寬度，對(duì)于圓型截面，b0＝0.9（1.5d+0.5）；I為樁截面慣性矩；E c為樁身材料的彈性模量，非預(yù)應(yīng)力混凝土樁可采用混凝土彈性模量的0.85倍。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)采用Φ1000鉆孔灌注樁，單樁承載力特征值和布樁方案如下：?jiǎn)螛敦Q向承載力設(shè)計(jì)值R=712 kN，單樁水平向承載力設(shè)計(jì)值R=103 kN，樁的數(shù)量由單樁水平向承載力確定，水閘基礎(chǔ)布樁30根。樁距3.0 m×3.0 m，均布于底板下。單樁長(zhǎng)度25 m，總長(zhǎng)750 m。同時(shí)可結(jié)合其他工程措施發(fā)揮樁間土水平抗力降低樁數(shù)目。

2.2 水泥攪拌樁方案

在澄海地區(qū)，工程項(xiàng)目多選用水泥攪拌法，運(yùn)用此方法針對(duì)軟弱地基時(shí)應(yīng)該需要注意以下幾點(diǎn)：此方法僅僅適用于對(duì)于沉降要求不高的工程或者其他工程類(lèi)臨時(shí)項(xiàng)目；豎向承重?cái)嚢铇兜臉抖诉M(jìn)入相對(duì)硬層的長(zhǎng)度大于軟土底面的埋深；軟土塑性指數(shù)小于或者等于22；根據(jù)室內(nèi)水泥試塊強(qiáng)度確定單樁承載力特征值時(shí)，強(qiáng)度折減系數(shù)取0.20～0.25；在整個(gè)混泥土中加入的水泥比例為15%～20%。

水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力按以下計(jì)算公式計(jì)算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；Ap為樁底端橫截面面積；β為樁間土承載力折減系數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可取天然地基承載力特征值。

根據(jù)閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，水閘最大基底應(yīng)力為115.17 kPa，最大平均應(yīng)力為99.09 kPa。當(dāng)攪拌樁樁徑500 mm、樁長(zhǎng)15 m、樁距按常規(guī)1.0 m，復(fù)合地基承載力特征值為111 kPa，大于最大平均應(yīng)力99.09 kPa，其1.2倍大于最大基底應(yīng)力，復(fù)合地基承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求。同時(shí)，計(jì)算得知水閘最終沉降量為65.2 cm。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，沉降量應(yīng)當(dāng)小于等于15 cm，故水泥攪拌樁方案處理后的閘室最終沉降量不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.3 預(yù)制砼管樁方案

根據(jù)該工程事先的地質(zhì)報(bào)告，參照本溫2.1節(jié)所提到的相關(guān)工程規(guī)范，不同地層相關(guān)的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值參照表2。

表2 各層樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值（預(yù)制管樁）

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)采用Φ500預(yù)制管樁，樁長(zhǎng)25 m，為摩擦樁，單樁豎向承載力特征值計(jì)算值為R=256 kN，單樁水平向承載力計(jì)算值Ra=55 kN。考慮周邊土體加固，閘室底板單樁豎向承載力特征值按1.2倍的計(jì)算值300 kN設(shè)計(jì)；空箱扶臂式擋墻單樁豎向承載力特征值按計(jì)算值取R=256 kN設(shè)計(jì)。

閘室及空箱扶臂式擋墻布管樁計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 管樁計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，閘室Φ500預(yù)制管樁布樁方案按表3操作就能夠符合地基反力的標(biāo)準(zhǔn)，相鄰位置的樁的沉降差距應(yīng)該小于等于5 cm，最大的沉降的量小于等于15 cm，沉降滿(mǎn)足要求。閘室基礎(chǔ)布置如下：作為基底的邊墩設(shè)計(jì)考慮范圍為2.7 m，總共布置18根樁，沿著水流的方向布置，一共分為9排，沿著垂直水流方向一共布置兩排，將9根樁布置在中間底板的位置，沿著水流的方向只需要布置一排；中墩布管樁27根，順?biāo)鞣较蚍?排布置，垂直水流方向分3排布置。閘室基礎(chǔ)下預(yù)制管樁總樁數(shù)為198根。

為改善閘室基礎(chǔ)上部淤泥質(zhì)量，閘室中間底板按面積置換率取12%布置，每個(gè)水泥攪拌樁直徑0.5 m，相鄰樁之間間距1.0 m×1.5 m，水泥攪拌樁長(zhǎng)度為15 m?？障浞霰凼綋鯄Σ贾?6根管樁可滿(mǎn)足地基反力的要求。

2.4 三種方案比選

根據(jù)本工程實(shí)際情況，水泥攪拌樁、混泥土鉆孔灌注樁和預(yù)制混凝土管樁可以采用。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，從閘基處理直接工程成本來(lái)看，第二種方式費(fèi)用最高，預(yù)制混凝土管樁次之，水泥攪拌樁最低。三個(gè)方案相比，最后一種方案具有其他方案達(dá)不到的優(yōu)勢(shì)：施工簡(jiǎn)單，不容易沉降，工程進(jìn)度迅速。但其施工設(shè)備比較沉重，施工過(guò)程中施工機(jī)械容易對(duì)已施工完成的管樁造成移位等影響，并且，在現(xiàn)實(shí)運(yùn)用過(guò)程中容易出現(xiàn)不均勻沉降的問(wèn)題，引起閘室脫空，兩邊連接堤沉降不均勻等問(wèn)題。相比之下，第一種方案施工設(shè)備比較簡(jiǎn)單，但攪拌樁存在沉降過(guò)大、工期長(zhǎng)、質(zhì)量難以控制且成樁質(zhì)量差、檢測(cè)不易等缺點(diǎn)?；炷零@孔灌注樁地基沉降量小，施工比較方便，成樁質(zhì)量容易控制和檢測(cè)。但同樣存在與預(yù)制混泥土運(yùn)用過(guò)程中沉降不均勻帶來(lái)的問(wèn)題。本次工程借鑒本地區(qū)蓮陽(yáng)橋閘閘基處理的成功經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)先采用水泥攪拌樁復(fù)合地基處理技術(shù)上是可行并最經(jīng)濟(jì)，但由于該閘址區(qū)層下仍存在有深度的④-1層淤泥質(zhì)土，老八孔排水閘地處8度地震區(qū)，該層在地震烈度8度區(qū)軟土地震震陷估算值80 mm～150 mm，對(duì)上部閘室穩(wěn)定影響較大；且經(jīng)前面計(jì)算可知，當(dāng)每個(gè)攪拌樁直徑為500 mm、每個(gè)攪拌樁長(zhǎng)度為15 m，相鄰的樁間距為10 m，復(fù)合型的地基載荷力特征值為111 kPa時(shí)，承載力才能達(dá)到規(guī)范所要求的，最終沉降量為652 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定值150 mm，以上結(jié)果表明，水泥攪拌方案并不適用于本工程。混凝土鉆孔灌注樁費(fèi)用較高，預(yù)壓法施工工期較長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)分析，本次老八孔排水閘重建工程的閘室地基處理推薦采用預(yù)制混凝土管樁方案，為改善閘室基礎(chǔ)上部淤泥質(zhì)量，將直徑為500 mm的水泥攪拌樁布置在面積置換率為12%的閘室中間的底板上，每個(gè)樁的間距為1.0 m×1.5 m；右岸連接段空箱扶臂式擋墻基礎(chǔ)采用預(yù)制混凝土管樁進(jìn)行處理。

為防止閘底脫空引起接觸沖刷，閘上下游各設(shè)雙排連體水泥攪拌樁，左右側(cè)設(shè)單排連體水泥攪拌樁，每根水泥攪拌樁樁頂預(yù)設(shè)4根4 m長(zhǎng)Ф20 mm鋼筋，插入閘底板1 m；另外閘中墩上下游各設(shè)2個(gè)灌漿孔（縫墩和邊墩設(shè)1個(gè)灌漿孔），灌漿孔采用Ф50 mm渡鋅鋼管，閘墩中間各設(shè)1個(gè)備用灌漿孔。

3 結(jié)語(yǔ)

水閘作為水利系統(tǒng)中的中樞結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性非常重要，關(guān)系著水利區(qū)的防洪防澇安全，關(guān)系著某地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，牽涉了該地區(qū)所有人的生命財(cái)產(chǎn)保障。水閘整體的安全性和長(zhǎng)久使用能否得到保障很大程度上取決于地基的質(zhì)量。因此，水閘的基礎(chǔ)處理方案的比較和選擇不容忽視。因此，在特定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際地質(zhì)和環(huán)境比較地基處理方案，并選擇最合適的方案進(jìn)行實(shí)施。