河閘樞紐工程淺孔閘振沖碎石樁設(shè)計分析與研究
——以盤錦市雙臺子河閘樞紐為例

劉鳳艷

(遼寧省盤錦市盤山縣農(nóng)業(yè)事業(yè)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124100)

0 引 言

水利水電工程施工通常會遇到特殊地質(zhì)情況，特別是河閘樞紐工程，軟黏土地質(zhì)強度較低，容易變形，影響后期工程穩(wěn)定性。振沖碎石樁的應(yīng)用能夠緩解上述問題，有利于提高天然地基的承載力，防止受地震作用的影響避免地基液化。通過對盤錦雙臺子河閘樞紐工程的施工條件分析，最終決定采用振沖碎石樁施工方案，技術(shù)應(yīng)用效果十分理想。

1 工程施工概況與地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

盤錦雙臺子河閘樞紐工程位于盤錦市的東郊，工程從1968年開始建造，為Ⅰ等河閘樞紐工程。淺孔閘、深孔扎、進水閘、船閘等部分建筑物級別均已達到Ⅰ級，按照100a一遇即P=1%進行防洪標準的洪水設(shè)計，200a一遇即P=0.5%的洪水校核，盤錦雙臺子河閘樞紐工程的水閘設(shè)計洪水位是8.1m，泄洪量是每秒5000m3；校核洪水位是9.08m，泄量是每秒6800m3；該河閘樞紐工程的正常蓄水位是4.3m。作為遼河下游防洪體系的一部分，雙臺子河閘樞紐工程的建設(shè)關(guān)系到整個盤錦市的經(jīng)濟開發(fā)與建設(shè)[1]。

1.2 地質(zhì)條件

雙臺子河閘樞紐工程中的淺孔閘位于左岸河漫灘處，高程最低6m，最高6.5m，多數(shù)為坑塘，目前被當?shù)鼐用裼脕碜鳛轸~塘，塘堤的高程在6.3m左右，坑底處的高程為3.4m，深度不超過3m。坑塘周圍是原河閘的圍堤，高度4.5,頂部高程最高8.5m。分析當?shù)氐牡刭|(zhì)條件，主要情況如下：①雙臺子河閘樞紐工程處的地質(zhì)條件比較復雜，地基土壤中含有素填土、粉質(zhì)黏土以及粉砂，地基上部承載力不高且土質(zhì)不夠均勻，整體上穩(wěn)定程度不足。②地基土中的粉質(zhì)黏土層微透水，粉土層和粉細砂層分別為弱透水和中等透水。③地表與地下水屬于硫酸重碳酸鉀納鈣型水，水的酸堿度為中性偏弱堿性，在施工時對混凝土有著一定腐蝕性影響。④施工場地內(nèi)的土壤類型是中軟場地土，屬于Ⅲ類場地，經(jīng)檢測分析得知，飽和粉土與粉砂帶有一定液化問題。雙臺子河閘基的持力層存在厚層黏性土，這種土壤壓縮性較強，其中的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土屬于高壓縮性，施工后閘基容易發(fā)生不均勻的沉降現(xiàn)象，所產(chǎn)生的剪應(yīng)力在一定程度上會引發(fā)土體蠕動或液流。因此，針對該工程的淺孔閘基礎(chǔ)，應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，要求樁尖穿過最大液化深度并進入密實的砂層內(nèi)部[2]。

2 淺孔閘地基處理方案設(shè)計

首先，混凝土灌注樁。優(yōu)點是技術(shù)成熟，施工噪聲小，可在多種地基中使用；缺點是施工質(zhì)量對樁基承載力存在影響，混凝土質(zhì)量難以控制，造價較高。其次，深層水泥攪拌樁。優(yōu)點是可以改善地基土壤條件，提升其承載力，降低沉降量，提高地基的抗振動液化能力，工期短，無污染；缺點是工程造價較高。最后，振沖碎石樁。優(yōu)點是樁體間擠密效果良好，可形成復合地基，提升地基承載力，并為地基帶來排水通道，提升地基排滲能力，消除地基液化可能性，且造價較低；缺點是需額外采購碎石。綜合比較分析得知，針對本項目的淺孔閘基礎(chǔ)處理，決定采用振沖碎石樁施工方案。圖1為水利水電施工現(xiàn)場的振沖碎石樁施工設(shè)備準確情況，表1為碎石樁地基處理區(qū)域的振沖碎石樁布置情況。

圖1 振沖碎石樁施工設(shè)備

表1 振沖碎石樁布置形式

3 河閘樞紐工程淺孔閘振沖碎石樁設(shè)計

3.1 振沖碎石樁作用機理

振沖碎石樁技術(shù)的應(yīng)用能夠為淺孔閘施工帶來較強的結(jié)構(gòu)擠密效果。向孔內(nèi)灌入碎石并進行振沖時，碎石和土體能夠緊密結(jié)合，提高土體擠密效果。受碎石的影響，土體結(jié)構(gòu)荷載力不斷提升。碎石樁應(yīng)用于軟土地基中可以起到排水沙井的作用，盡快將地基中的水分排出，減少地基沉降時間，使河閘樞紐工程的土體結(jié)構(gòu)盡快穩(wěn)定，為接下來的振沖碎石樁和淺孔閘工程施工奠定基礎(chǔ)。振沖碎石樁擠密方法就是應(yīng)用振動和沖擊的方法在松軟地基內(nèi)成孔，再將碎石擠入孔內(nèi)，形成由碎石材料構(gòu)成的密實樁體。

3.2 淺孔閘振沖碎石樁施工設(shè)計

結(jié)合盤錦雙臺子河閘樞紐工程淺孔閘的地質(zhì)勘察信息，選擇鉆孔整理相關(guān)參數(shù)，具體情況如表2所示。

表2 淺孔閘振沖碎石樁地質(zhì)參數(shù)

關(guān)于工程振沖碎石樁的設(shè)計要點，具體包含以下幾項內(nèi)容：

1)明確布樁范圍。由于淺孔閘處屬于軟土地基，土質(zhì)條件不好，邊緣處碎石樁承受的約束力比中間小，為了滿足應(yīng)力擴散需求，建議除了在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布樁，也要在淺孔閘基礎(chǔ)邊緣外增設(shè)一排護樁，擴大布樁范圍。

2)優(yōu)化樁長設(shè)計。按照淺孔閘周圍建筑物的結(jié)構(gòu)布置情況，樁頂高程是1.7m，綜合地質(zhì)勘察結(jié)果，要求樁尖穿過最大液化深度并進入密實的砂層內(nèi)，所以樁底標高需要在第4細砂層的頂面位置。

3)明確布樁形式。了解淺孔閘結(jié)構(gòu)設(shè)計與底板的實際布置條件，采用三角布樁方式進行振沖碎石樁施工。

5)合理設(shè)計樁距。根據(jù)荷載情況確定振沖碎石樁之間的樁距，按照振沖器的使用功率，將樁距控制在1.5-3m范圍內(nèi)，本項目施工的樁距為2m。為了加強對造孔樁經(jīng)和樁距的有效控制，盡可能的降低損耗量，施工時應(yīng)對加水措施予以限制。面對硬層時，進尺<50mm/min，持續(xù)時間>30min，建議采取間斷性加水造孔措施，將水壓保持在3-4bar(1bar=0.1MPa)即可，持續(xù)1-2min，間隔10min加水1次。

6)樁體材料的應(yīng)用。使用碎石、卵石以及角礫等施工原材料，要求材料的含泥量均不能超過5%，粒徑在20-80mm范圍內(nèi)，最大不能超過150mm，必須選用級配良好的材料。

7)碎石樁樁頂預(yù)留段和墊層的優(yōu)化設(shè)計。樁頂不方便振動碾壓，碎石樁密實度不容易達到設(shè)計要求，施工時在樁頂部預(yù)留1m左右的樁體，施工后在挖出這部分。在樁頂位置設(shè)置300mm厚度的碎石墊層，以此保證荷載在碎石樁中的均勻傳遞[3]。

8)其他參數(shù)的確定?？倶稊?shù)為12根，其中φ100cm、深度10m的有6根；其中φ100cm、深度9.37m的有6根。

9)施工前人們需要做好場地處理工作，及時清除地基表面的雜物，結(jié)合提前編制的設(shè)計方案進行碎石樁的放樣定位與試驗施工，再次確認各項施工參數(shù)，保證其可以滿足地基處理要求，準備起吊設(shè)備與振沖器，調(diào)整設(shè)備位置，使振沖器與樁位定位，借助振沖器完成成孔操作，當振沖到一定深度后進行清孔作業(yè)，再填筑碎石材料，從而達到擠密效果，使碎石樁與軟土地基之間形成復合地基。圖2為振沖碎石樁施工現(xiàn)場。

3.3 復合地基承載力與總沉降量計算

按照《水泥水電工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》中提出的要求和計算公式對盤錦雙臺子河閘樞紐淺孔閘振沖碎石樁地基承載力、總沉降量進行計算。振沖樁復合地基承載力特征值可通過地基荷載試驗確定，初步設(shè)計可用單樁與處理后樁間土承載力特征值估算，公式如下：fspk=mfpk+(1-m)fsk；m=d2/d2e；公式中，fspk指的是振沖樁復合地基承載力特征值；fpk指的是振沖碎石樁承載力特征值；fsk為處理后樁間圖承載力特征值；m為樁圖面積置換率；d為樁身直徑；de為樁分散的地基面積等效圓直徑。經(jīng)過計算得知，復合地基的承載力標準值最低是209kPa，已經(jīng)滿足了工程設(shè)計要求，沉降總量是95mm，比規(guī)定的允許值低150mm，也能滿足設(shè)計要求。不僅如此，振沖碎石樁在加固地基時，對雙臺子河閘樞紐站竣工期與蓄水期的大壩混凝土防滲墻應(yīng)力變形產(chǎn)生影響，應(yīng)用振沖碎石樁加固技術(shù)后，混凝土防滲墻的沉降位移與水平位移均有減小的現(xiàn)象。由此可見，振沖碎石樁能夠更好的保護淺孔閘處的地基穩(wěn)固，保證周圍建筑物安全。

總結(jié)：總而言之，綜合了解盤錦雙河閘樞紐工程的地質(zhì)條件與工程概況，分析淺孔閘位置的地基承載情況，為了提高地基承載力，降低地基沉降量，有必要應(yīng)用碎石樁處理地基。結(jié)合工程實際施工情況，根據(jù)振沖碎石樁作用機理，明確淺孔閘振沖碎石樁地質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化工程振沖碎石樁設(shè)計，從而提升施工質(zhì)量，優(yōu)化軟基處理方案。