南京市九鄉(xiāng)河水利樞紐閘室軟基處理方案研究

沈昊 余代廣 馬力

摘要：為了解決南京市九鄉(xiāng)河水利樞紐工程閘室在淤泥層深厚的地質(zhì)條件下的地基處理問題，根據(jù)樞紐運行特點及地質(zhì)條件，對節(jié)制閘閘室地基處理進行了預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁（PHC樁）和灌注樁兩個方案的設(shè)計和比選分析。通過對比分析各項計算數(shù)據(jù)和工程造價，最終采用灌注樁方案。結(jié)果表明：該方案有效解決了軟基條件下的豎向承載、水平抗滑及沉降等關(guān)鍵技術(shù)難題，確保了工程安全和順利實施，并經(jīng)汛期大洪水考驗，處理效果顯著。灌注樁在軟弱土層較厚的類似地質(zhì)條件下具有工程適用性強和安全可靠度高的特點。

關(guān)鍵詞：閘室; 軟基處理; 灌注樁; 混凝土管樁; 九鄉(xiāng)河水利樞紐; 南京市

中圖法分類號：TU47文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.013

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0073 - 05

0 引 言

長江下游沖擊平原軟弱土層較厚，地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，易發(fā)生滑移和沉降過大的情況，若建筑物地基處理不當，易造成的工程事故。長江南京段堤防沿線地質(zhì)條件普遍較差，廣泛發(fā)育著谷內(nèi)式松散沉積物，在底部有古長江沉積的園礫、礫砂及少量中細砂及砂壤土、黏性土;上部為砂壤土、粉細砂、黏性土及淤泥質(zhì)土。入江河道口門建筑物底板一般位于淤泥質(zhì)土層上，設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)地基承載力不足、穩(wěn)定和沉降計算不能滿足規(guī)范要求的情況，需要對軟土地基加固處理。針對不同軟基處理方法的優(yōu)缺點和適用范圍，在加固處理方案比選時，應(yīng)著重對可靠性、可行性等安全方面進行分析，同時兼顧經(jīng)濟性對比。本文對九鄉(xiāng)河水利樞紐閘室軟基處理方案進行了比選研究。

1 工程概況

九鄉(xiāng)河水利樞紐位于南京市棲霞區(qū)九鄉(xiāng)河入江口上游約170 m處，由節(jié)制閘和泵站組成，節(jié)制閘采用3孔，單孔凈寬10 m;泵站安裝兩臺潛水貫流泵機組，單泵流量為7.5 m3/s。該閘站樞紐具有防洪、排澇、蓄水及引水等多項功能[1]。

閘站采取合建方案，集中布置在九鄉(xiāng)河河道內(nèi)，節(jié)制閘中心線與上游河道中心線重合，以利于行洪。節(jié)制閘閘室采用塊基型整體結(jié)構(gòu)，閘室順水流向長20.0 m，垂直水流向?qū)?5.4 m;分3孔，單孔凈寬10 m，中墩厚1.5 m，邊墩厚1.2 m;底板頂面高程2.50 m，厚1.5 m，閘墩頂高程12.0 m。閘室西側(cè)布置泵室，東側(cè)布置空箱岸墻[1]。閘室平面及剖面設(shè)計見圖1。

2軟基處理設(shè)計理念與思路

2.1 應(yīng)用條件

2.1.1 設(shè)計工況

根據(jù)九鄉(xiāng)河閘站主要功能及特征水位組合情況，針對兩個工況進行地基處理設(shè)計和計算分析：① 完建期。因無揚壓力影響，建筑物自身重量及地基應(yīng)力最大，主要進行地基豎向承載能力設(shè)計及分析;② 蓄水工況。閘上非汛期正常蓄水位7.5 m，閘下長江側(cè)100 a一遇低潮位1.37 m，上下游最大水位差6.13 m，閘室承受的水平力推力也最大，是建筑物抗滑穩(wěn)定最不利工況，地基處理后的水平承載能力應(yīng)滿足抗滑要求。

2.1.2 地質(zhì)條件

閘室底板下依次分布③1淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土（壓縮模量為3.44 MPa，地基承載力為55 kPa）;④2粉土質(zhì)砂（稍密）（壓縮模量為14.32 MPa，地基承載力為130 kPa）;④3粉土質(zhì)砂（中密）（壓縮模量為11.12 MPa，地基承載力為160 kPa）;④4粉土質(zhì)砂（密實）（壓縮模量為12.94 MPa，地基承載力為220 kPa）;④5粉質(zhì)黏土、黏土（壓縮模量為4.08 MPa，地基承載力為95 kPa）;⑧11強風(fēng)化砂巖（地基承載力為300 kPa）等土層，其中閘室底板位于③1淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土層，土體力學(xué)強度低，壓縮性高，工程地質(zhì)條件較差，屬于軟弱地基土層，工程地質(zhì)見圖2。

2.1.3 天然地基條件下閘室穩(wěn)定計算

對節(jié)制閘閘室進行了在完建期和蓄水工況下未經(jīng)處理的、天然地基條件的穩(wěn)定計算。閘室底板頂高程2.50 m，底板底高程1.00 m，位于③1層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土夾薄層粉土質(zhì)砂，該層土承載力為55 kPa，其室內(nèi)試驗指標為：固結(jié)快剪指標Cc=16.3 kPa，φc=8.2°。參照類似工程經(jīng)驗，經(jīng)綜合考慮，取摩擦系數(shù)f=0.30。閘室穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算成果見表1。

由計算結(jié)果可知，兩種工況下閘室基底不均勻系數(shù)滿足規(guī)范要求，但地基承載力及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此需進行地基處理。

2.2設(shè)計難點

九鄉(xiāng)河樞紐位于河道入江口，地質(zhì)條件復(fù)雜，淤泥質(zhì)土層深厚，地基處理不當易發(fā)生較大沉降和變形;同時由于水閘本身結(jié)構(gòu)尺寸較大，重量較重，對地基承載力要求較高;蓄水期閘下無水，單向水平推力較大，對抗滑極為不利。因此，地基處理設(shè)計是該工程成敗的關(guān)鍵因素，在地質(zhì)條件較差的情況下，需在滿足地基承載力和抗滑穩(wěn)定兩個基本安全要求的同時做到造價最優(yōu)，也是九鄉(xiāng)河樞紐工程設(shè)計研究的重點及攻關(guān)課題。按照上述應(yīng)用條件，地基豎向承載力設(shè)計控制工況是完建期自重最大的情況，而地基水平向承載力則受控于蓄水工況，如何使地基處理設(shè)計同時滿足兩個工況要求也是設(shè)計的難點及整個工程成敗的關(guān)鍵。

2.3 設(shè)計原則與設(shè)計思路

2.3.1 設(shè)計原則

經(jīng)地基處理后，閘室須滿足地基承載能力和抗滑穩(wěn)定要求。如采用鉆孔灌注樁，樁頂水平位移值宜控制不超過0.5 cm;如采用預(yù)制樁，宜控制不超過1.0 cm。水閘地基最大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm[2]。樁基平均豎向力小于1.0倍樁基豎向承載力特征值，樁基最大豎向力小于1.2倍樁基豎向承載力特征值[3]。

2.3.2 設(shè)計思路

重點從工程地質(zhì)條件分析、工況受力特點計算、地基處理方式比選、適用的地基處理方式計算分析和施工難易程度及工程造價等方面著手，采取多方案比較與分析的方法以及地基處理計算與類似工程經(jīng)驗相結(jié)合的手段，尋求安全可靠、技術(shù)可行且經(jīng)濟效益顯著的整體最優(yōu)方案，最終達到基礎(chǔ)牢固、確保工程順利實施的目的。

3 地基處理研究與設(shè)計

3.1 地基處理方式比選

閘室處淤泥質(zhì)土層較厚，對沉降和變形要求高。采用深攪樁處理難以達到預(yù)期效果，且難以控制沉降量和沉降差，且與該工程的使用功能不相適應(yīng)，故對閘室地基處理進行了預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁（PHC樁）和灌注樁兩個方案的比選，詳見表2。

兩種樁基處理方式在豎向承載和水平向承載各有所長，PHC樁造價低于鉆孔灌注樁方案，但降低的費用占總投資比重較小。針對兩種樁基處理方式的優(yōu)缺點進行詳細計算分析，比較優(yōu)劣后最終確定地基處理方式。

3.2 灌注樁及預(yù)制管樁布置

3.2.1 灌注樁布置

閘室底板下布置Φ1 000 mm鉆孔灌注樁60根，樁長21 m，以④4粉土質(zhì)砂（密實）作為持力層，布置見圖3。

3.2.2 PHC管樁布置

閘室底板下布置樁徑500 mm預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁（PHC樁），樁長20 m，間距2.0 m，樁頂布置一層0.3 m厚的水泥土褥墊層[5]，詳見圖4。

3.3 豎向承載能力計算

3.3.1 灌注樁豎向承載力

以完建期為控制工況，根據(jù)JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]，單樁豎向極限承載力標準值Quk（kN）計算如下

經(jīng)計算，水閘底板下PHC樁復(fù)合地基承載力為134.81 kPa，根據(jù)閘室穩(wěn)定計算成果，地基要求承載力為97.38 kPa，復(fù)合地基承載力滿足要求。

3.4 水平抗滑穩(wěn)定計算

經(jīng)分析，閘室樁頂位移的控制工況為蓄水工況，按JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]的有關(guān)規(guī)定計算灌注樁樁頂位移為1.94 mm，滿足規(guī)范不大于5 mm的要求。

PHC樁為復(fù)合地基，閘室抗滑計算依然采用基底摩擦力與水平推力進行比較。考慮到地基采用PHC樁處理后，地基類別由軟弱變?yōu)橹械葓杂玻l室基底與地基之間的摩擦系數(shù) f 值調(diào)整為0.35，經(jīng)計算閘室在蓄水工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.28，滿足規(guī)范要求，但僅比天然地基條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（1.12）提高了約14.3%。

3.5沉降計算

閘室樁基沉降計算等效作用面位于樁端平面，等效作用面積為閘室底板面積，等效作用附加壓力近似取閘室底平均附加應(yīng)力。經(jīng)計算得到閘室灌注樁處理后沉降量為0.91 mm，沉降量較小，滿足規(guī)范要求。

PHC樁復(fù)合地基下閘室沉降量計算為257 mm，超出規(guī)范要求較多，不滿足設(shè)計要求，且由于閘室兩側(cè)分別為泵室和空箱岸墻，沉降過大易對相鄰建筑造成安全影響。

3.6 地基處理方式確定

經(jīng)過地基處理計算對比可知，PHC樁豎向承載力能夠滿足設(shè)計要求，但由于采用復(fù)合地基，難以承受較大的垂直與水平荷載，水平抗滑安全系數(shù)提高14.3%，十分有限;另外沉降變形遠大于規(guī)范要求;同時考慮到打樁需進入④3層粉砂（中密）及④4層粉土質(zhì)砂（密實），打入難度較大，且因樁基較長需接樁（單根樁長為15 m），垂直度較難保證。而灌注樁可同時滿足較大的垂直與水平荷載，能夠較好解決地基承載力及抗滑穩(wěn)定不足的問題，同時滿足沉降和變形要求。綜合考慮地質(zhì)條件的復(fù)雜性、閘室對沉降變形的要求以及九鄉(xiāng)河口閘站的重要性，同時考慮地基處理費用相差較少且占工程總投資比例較小的情況，最終采用灌注樁基礎(chǔ)進行地基處理。

九鄉(xiāng)河水利樞紐工程已于2019年通過竣工驗收，并經(jīng)過2020年長江流域大洪水考驗，運行良好，位移及沉降觀測結(jié)果顯示均較小，與計算結(jié)果接近，滿足規(guī)范要求，進一步驗證了灌注樁地基處理成果的合理性和有效性。

4 結(jié) 語

為解決南京市九鄉(xiāng)河水利樞紐閘室在淤泥層深厚地質(zhì)條件下的地基處理問題，通過多方案設(shè)計比選與研究，并經(jīng)詳細計算驗證，確定閘室軟基處理采用灌注樁。研究結(jié)果表明：鋼筋混凝土灌注樁樁頂豎向主筋及螺旋式箍筋均伸入閘室底板與其澆筑成一體，具有較強的豎向及水平向承載能力，可較好解決軟基地基承載力、抗滑穩(wěn)定不足及沉降量過大等問題。該方法成功解決了九鄉(xiāng)河水利樞紐閘室軟基處理的關(guān)鍵技術(shù)難題，確保了工程安全和順利實施，并經(jīng)大洪水考驗效果顯著，具有良好的工程適用性和安全可靠性，可為類似地質(zhì)條件區(qū)域的水工建筑物軟基處理設(shè)計提供參考。

參考文獻：

[1] 南京市水利規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司.南京市九鄉(xiāng)河治理應(yīng)急工程實施方案報告[R]. 南京：南京市水利規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，2014：10.

[2] SL 265-2016? 水閘設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JGJ 94-2008? 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4] JGJ/T 406-2017? 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標準[S].

[5] JGJ 79-2012? 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

（編輯：唐湘茜）

Design and research on soft foundation treatment of sluice chamber of?Jiuxianghe Hydro-complex Project

SHEN Hao，YU Daiguang， MA Li

（Nanjing Water Planning and Designing Institute Co. Ltd.， Nanjing 210022， China）

Abstracts： To solve soft foundation treatment problem of deep-thick silt layer under the chamber of Nanjing Jiuxianghe water control project， according to the operation characteristics and geological conditions of the project， the design and comparative analysis of two schemes of prestressed high-strength concrete pipe pile （PHC pile） and cast-in-place pile for the foundation treatment of the sluice chamber are carried out. Through the comparative analysis of various calculation data and project cost， the cast-in-place pile scheme is finally adopted， which can effectively solve the key technical problems such as vertical bearing， horizontal anti sliding and settlement， ensuring the safe and smooth implementation of the project. The big flood trial showed that the treatment effect is remarkable. The research results show that the cast-in-place pile has the characteristics of strong engineering applicability and high safety and reliability for the similar geological conditions with thick soft soil layer.

Key words： sluice chamber; soft foundation treatment; cast-in-place pile; concrete pile;Jiuxianghe Hydro-complex Project; Nanjing

收稿日期：2021-07-19

作者簡介：沈 昊，男，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。E-mail：86406891@qq.com