水閘治理工程中靜壓樁施工的應(yīng)用

曹利平

(安徽省阜陽市黑茨河閘管理所,安徽 阜陽 236000)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快,水利工程作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,承載著城市排水、防洪、灌溉等重要功能[1]。在長期使用的過程中,由于軟土地基特性、地下水位變化、自然災(zāi)害等多種因素的影響,水閘工程常常面臨滲漏、傾斜、沉降等問題,不僅影響水閘的正常使用,還可能引發(fā)嚴(yán)重的安全隱患[2]。因此,如何對水閘進(jìn)行科學(xué)合理的維護(hù)與治理,成為當(dāng)前水利工程領(lǐng)域亟待解決的重要問題。

在水利工程維護(hù)方法中,靜壓樁法作為一種先進(jìn)的基礎(chǔ)施工技術(shù),具有獨特的優(yōu)勢。其特點在于通過施加垂直于樁軸線方向的靜力,將樁身自身重量和施工荷載傳遞到地下,從而改善地基土的工程性質(zhì),提高地基的承載力和穩(wěn)定性[3]。相較于傳統(tǒng)的地基處理方法,靜壓樁法具有施工速度快、成本較低、對環(huán)境影響小等優(yōu)勢,因此在各類土壤條件下都有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

為了解決水閘長期使用過程中所面臨的滲漏等問題,本文采用錨桿靜壓樁法進(jìn)行施工維護(hù)。在水閘維護(hù)中,引入改進(jìn)的靜壓樁技術(shù),不僅可以有效解決地基問題,提高水閘的使用壽命,還能夠減輕對周邊環(huán)境的影響。

1 基于靜壓樁施工法的水閘施工維護(hù)分析

1.1 水閘地質(zhì)因素分析

為了對水閘進(jìn)行有效的治理與維護(hù),需要對水閘區(qū)域地質(zhì)情況展開相應(yīng)的分析。其中,水閘位于黑茨河多條支流交匯口,該區(qū)域具有比較復(fù)雜的特殊地況,區(qū)域內(nèi)土體力學(xué)具有一定差異性[5]。因此,該地區(qū)水利部門組織專家展開結(jié)構(gòu)勘測,在水閘主體區(qū)域4個位置設(shè)置勘測點,勘探點分布于閘體4個角區(qū)域,具體見圖1。

圖1 壩體勘測區(qū)域位置

根據(jù)選取的勘測點區(qū)域,對勘測點周圍的地質(zhì)進(jìn)行分析,劃分勘測區(qū)域樣本類型。其中,最上層區(qū)域為人工填土層,其次為交互沉積層、硬淤泥混凝土層以及粉質(zhì)泥土層[6]。人工填土層顏色以黃褐色、紅色以及灰褐色為主,主要為2～5粒徑砂石、巖土、風(fēng)化巖土等。人工填土層局部存在草木物質(zhì),整體濕潤松軟,區(qū)域欠壓實。在交互沉積層上部分區(qū)域中,主要以黑色淤泥為主。受到上部載荷影響,閘體下部團(tuán)結(jié)沉降產(chǎn)生黑質(zhì)淤泥,部分淤泥中含有礦物質(zhì),具有明顯的腐臭味。通過手捏其內(nèi)部富含一定的砂石顆粒,具有一定的硬度與韌性。在交互沉積層下部分區(qū)域,主要以灰褐色淤泥為主,淤泥中含有較多的砂石顆粒,主要成分為石英砂[7]。更深層區(qū)域主要以硬性黏土以及粉塵黏土為主,且黏土內(nèi)砂石含量逐步降低。

通過對該區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘測,在水閘底部區(qū)域位置存在較大的淤泥層,底標(biāo)高在-12.35～-8.65m之間。進(jìn)一步對加固地基的粉噴樁高程進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn),粉噴樁并未完整地穿透淤泥層,導(dǎo)致水閘底部區(qū)域存滲漏與沉降現(xiàn)象。同時,由于4個區(qū)域位置淤泥厚度呈現(xiàn)不均狀,導(dǎo)致閘體4個勘測區(qū)域沉降各并不相同。

對水利閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),該閘室在早期設(shè)計施工時,其閘室段僅進(jìn)行了開挖設(shè)計。根據(jù)勘測結(jié)果分析,受區(qū)域水流沖擊以及土體地質(zhì)因素影響,閘體區(qū)域土體發(fā)生破壞,下沉土體已經(jīng)無法有效承載上層建筑體載荷[8]。

為了滿足該區(qū)域內(nèi)水利項目使用要求以及水利發(fā)展需求,需要對該水利項目進(jìn)行維護(hù)施工。該閘門設(shè)計高程為5.8m,且項目中并未設(shè)置門槽,故整個水閘施工滿足錨桿靜壓樁施工標(biāo)準(zhǔn)。因此,采用錨桿靜壓樁施工法對水閘進(jìn)行維護(hù)施工。

1.2 基于靜壓樁施工法的水閘施工方案設(shè)計

為了治理水閘沉降、滲漏問題,綜合考慮水利工程特征,采用錨桿靜壓樁技術(shù)進(jìn)行工程維護(hù)施工。錨桿靜壓樁技術(shù)是一種結(jié)合錨桿技術(shù)和靜壓樁技術(shù)的基礎(chǔ)施工方法[9]。在該技術(shù)中,先鉆孔并安裝錨桿,然后施加垂直于錨桿軸線方向的靜壓樁,使錨桿與周圍土壤形成一體化結(jié)構(gòu)[10]。該技術(shù)綜合了錨桿的支護(hù)作用和靜壓樁的承載特性,具有較好的穩(wěn)定性和承載能力,能更好地保障建筑的完整性。

在實際施工維護(hù)中,為了強化靜壓樁與閘體之間的穩(wěn)固性,綜合考慮在水閘箱體兩側(cè)沿水流基礎(chǔ)上設(shè)置穩(wěn)定的承臺梁,其截面尺寸為1.5m×1.0m[11]。同時,根據(jù)對壩體的受力分析,綜合考慮施工難度,在壩體水閘箱體周圍兩邊設(shè)置3.0m×3.0m的預(yù)制方樁,單樁豎向力計算公式如下:

式中:Mx與My分別為承臺樁群在X、Y軸向的彎曲預(yù)設(shè)值;xi、yi分別為X、Y軸到樁基的距離;n為樁基數(shù),為12個。

單樁豎向承載力計算公式如下:

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsili+qpkAp

(2)

式中:Quk為單樁豎向承載力;Qsk為單樁總的極限側(cè)阻力,kPa;Qpk為單樁總的極限端阻力,kPa;u為樁身設(shè)置周長,cm;qsi為樁側(cè)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)側(cè)阻力值,kPa;qpk為樁設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)端阻力值,kPa;Ap為樁端部分面積,cm2。

整個方案布置見圖2。

圖2 方案的布置圖

經(jīng)過試驗設(shè)計,共設(shè)置12根方樁,單個方樁豎向承載力為423kN。在實際施工中,采用高強度混凝土進(jìn)行施工,水泥強度級別為C30,并根據(jù)實際施工情況進(jìn)行構(gòu)造配筋。施工過程如下:

1)制作階段涉及鋼筋混凝土預(yù)制樁段的制造。嚴(yán)格按照配筋設(shè)計制作樁段,確保樁段設(shè)計平整、垂直,且設(shè)計誤差范圍在±5mm。

2)連接階段涉及樁段的連接。柱段連接工藝主要為焊接,使用預(yù)埋在樁體內(nèi)的鋼板以及樁外壁進(jìn)行焊接,焊接過程需要在角鋼上設(shè)置吊裝孔以及插筋孔。

3)安裝階段包括壓樁架的安裝。在該階段,需要壓樁架處于垂直,均衡緊固錨固螺栓和螺帽,在壓樁的過程中,隨時擰緊可能出現(xiàn)松動的螺帽。已經(jīng)就位的樁節(jié)需要保持豎直,確保千斤頂、樁節(jié)和壓樁孔的軸線重合,避免偏心加壓。此外,樁位的平面偏差應(yīng)保持在±20mm,樁節(jié)的垂直度誤差應(yīng)該在1‰范圍。

4)實際壓樁過程需要保持對稱。壓樁中盡可能避免多臺壓樁設(shè)備在同軸進(jìn)行作業(yè),并且設(shè)備采用的壓樁力范圍應(yīng)該滿足項目預(yù)設(shè)值,避免項目受到破壞。

5)保持連續(xù)性壓樁施工,同時降低壓樁作業(yè)時長。特別是壓樁過程隨著壓樁深入,阻力增大,若停止壓力,應(yīng)確保樁處于軟土層,且壓樁時長應(yīng)在20h以內(nèi);封裝施工,需要樁頂滿足項目設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)尺度。再進(jìn)行樁頂表面去毛刺與污漬清理,涂上混凝土界面劑。然后焊接底板鋼筋,清除孔內(nèi)的雜物、浮漿以及積水等雜質(zhì)。最后,采用高強度混凝土對樁帽進(jìn)行澆筑,從而完成施工[12]。

整個施工過程包括了樁段制作過程、樁段連接過程、壓樁架安裝等過程。實際施工中,需要嚴(yán)格按照施工順序開展作業(yè),嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),確保在水利工程建設(shè)和維護(hù)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2 案例評價分析

2.1 工程概況

以安徽省阜陽市黑茨河某水利項目為研究對象,該水利工程主要用于防洪、排澇,對區(qū)域河流穩(wěn)定有至關(guān)重要的作用。該水利項目配備2臺120kW的水泵電機,總水排量9.65m3/s。整個水利項目設(shè)置2道閘門,其中閘門的設(shè)計高程5.8m,底板區(qū)域高程0.75m,閘墩厚0.96m。整個水利工程閘站建筑采用水平同軸布置,為了保障水利設(shè)置的安全問題,采用加強鋼筋混凝土材料加固墩墻。

該項目在運行中陸續(xù)出現(xiàn)水閘滲水問題,且水閘出現(xiàn)一定的下沉現(xiàn)象。通過對水利工程水閘部分進(jìn)行專業(yè)檢查發(fā)現(xiàn),在閘底區(qū)域位置出現(xiàn)明顯的滲漏通道,滲漏圓孔直徑約為4cm;在靠左與靠右底部區(qū)域同樣出現(xiàn)滲漏通道,右面閘室下沉約1cm。對泵站以及閘室相關(guān)建筑進(jìn)行調(diào)查顯示,相關(guān)區(qū)域并未出現(xiàn)問題。水閘主體平面結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 水閘平面結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 案例結(jié)果分析

為了檢驗錨桿靜壓樁技術(shù)在實際場景下的應(yīng)用效果,選取研究壩體進(jìn)行模擬試驗分析。試驗采用慢速維持荷載法,整個分析過程符合《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)標(biāo)準(zhǔn)。選取壩體4個勘測點,閘墩側(cè)向壓力見圖4。

圖4 閘墩高程土壓力比較

由圖4(a)可知,在靜壓樁法施工比較中,選擇閘墩0-9范圍檢驗閘墩側(cè)向土壓力值情況。隨著閘墩越靠近底部,閘墩所受到的側(cè)向土壓力值越大。其中,勘測點1位置在閘墩1.2m所受到的側(cè)向壓力值最大,為120.6kPa,根據(jù)閘壩維護(hù)建設(shè)要求,該檢測點無法滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?？睖y點2與勘測點3同樣受到較大的側(cè)向土壓力,在閘墩高度為2m時,勘測點2與勘測點3的側(cè)向土靜壓樁值分別為98.5、99.7kPa。

由圖4(b)可知,采用錨桿靜壓樁法進(jìn)行壩體維護(hù)施工,相比于傳統(tǒng)的靜壓樁法施工效果,錨桿靜壓樁法閘墩所受到的側(cè)向土壓力值明顯更低?？睖y點1在閘墩底部區(qū)域位置所受最大側(cè)向土壓力值為100kPa范圍,滿足項目設(shè)計要求,而勘測點2、勘測點3在閘墩底部所受最大側(cè)向土壓力值分別為88.5與81.6kPa,均在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍。

通過對比可以發(fā)現(xiàn),錨桿靜壓樁法具有更好的施工效果,相比于靜壓樁施工法,其側(cè)向土壓力整體降低18.65%,具有更好的閘體維護(hù)效果。

考慮到研究水閘存在沉降問題,選擇不同工況參數(shù)進(jìn)行沉降試驗比較。具體工況參數(shù)見表1。

表1 不同曲率工況參數(shù)

表1中,Q1-Q4分別對應(yīng)4種不同曲率工況參數(shù)值。其中,Q1工況整體曲率最低,所受到的拉力值在4個工況中拉力值最小,為1.568kPa;曲率最大的工況是Q4,所受到的最大壓力值為1.823kPa。在4種工況下測試兩種方法的沉降情況,見圖5。

圖5 閘墩底板沉降比較

圖5(a)為靜壓樁法4種工況下的沉降結(jié)果。由圖5(a)可知 ,隨著曲率的增加,閘墩底部將受到最大的拉應(yīng)力,且曲率越大,所受到的拉應(yīng)力值也更大。其中,沉降最小的是Q1工況,最大沉降為-0.21m,并出現(xiàn)了不均勻沉降現(xiàn)象;沉降最大的是Q4工況,沉降最大值出現(xiàn)在底板10m處,最大沉降值為-0.82m,并且出現(xiàn)了比較明顯的不均勻沉降現(xiàn)象。

圖5(b)為錨桿靜壓樁法施工比較效果。相比于靜壓樁法,錨桿靜壓樁法雖然仍舊出現(xiàn)了沉降現(xiàn)象,但整體沉降要更小,同時4個工況均未出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。在工況1中,錨桿靜壓樁法最大沉降值為-0.15m,工況4中錨桿靜壓樁法最大沉降值為-0.60m,滿足設(shè)計要求。

由此可見,錨桿靜壓樁法相比傳統(tǒng)靜壓樁法,在閘體施工效果上更出色,整體效果更好。通過錨桿靜壓樁施工后,4個勘測區(qū)域均不再出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。同時,采用反壓法對四個角進(jìn)行檢測,最終平均沉降為275mm,且閘體四周并未出現(xiàn)不均勻沉降與滲水現(xiàn)象,滿足水利項目施工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 水閘日常管理與維護(hù)

隨著水閘工程的長期使用,確保水利項目的穩(wěn)定性和安全運行顯得尤為重要。為了提高水利項目的穩(wěn)定與安全運作要求,需要從技術(shù)和運行管理方面對水閘進(jìn)行有效管理與維護(hù),建議如下:

1)引入先進(jìn)的技術(shù)手段如錨桿靜壓樁技術(shù),對水閘周邊區(qū)域進(jìn)行加固。該項技術(shù)能夠加強土壤的承載性能,降低地基滲水風(fēng)險,提高水閘的抗沉降能力。同時,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù),實時監(jiān)控水閘結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的變化,及時預(yù)警潛在問題,構(gòu)建健全的水利工程維護(hù)體系。

2)建立健全的維護(hù)管理體系,包括定期巡檢、保養(yǎng)和緊急維修計劃,專業(yè)的維護(hù)團(tuán)隊?wèi)?yīng)定期檢查水閘結(jié)構(gòu),確保各部件的正常運行。定期清理水閘周圍植被,保持排水系統(tǒng)通暢,預(yù)防植被引發(fā)的滲水問題。

3)加強對水利設(shè)備的運行管理,建立詳細(xì)的操作手冊,規(guī)范水閘的開啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)等操作流程。培訓(xùn)操作人員,確保其熟練掌握操作技能。制定應(yīng)急預(yù)案,明確各類突發(fā)事件的處理流程,保障在緊急情況下能夠迅速、有效地響應(yīng)。

4)強化區(qū)域生態(tài)建設(shè)與維護(hù),在水閘周邊區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù),采用草本植被、深根植物等;加固河岸,減緩水流速度,降低沖刷風(fēng)險。設(shè)置防護(hù)措施,避免水流直接沖擊水閘結(jié)構(gòu),延長水閘使用壽命。

5)做好社區(qū)參與宣傳教育工作,加強與周邊社區(qū)的溝通與合作,提高居民對水利項目的認(rèn)知和理解。組織定期的宣傳教育活動,提高居民對水閘安全的關(guān)注度,鼓勵參與水利設(shè)施的監(jiān)督和維護(hù)。通過上述管理意見,提高水閘治理工程整體管理效果,改善水利工程的整體應(yīng)用效果。

3 結(jié) 語

水閘在長期使用中面臨著不均勻沉降、滲水等問題,將影響水利工程的安全使用。為了有效應(yīng)對水閘的病害問題,本文首先針對某水閘項目沉降因素進(jìn)行了分析,考慮到水閘的特征,采用錨桿靜壓樁技術(shù)對其進(jìn)行維護(hù)。通過對不同技術(shù)下閘墩高層土壓力進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,錨桿靜壓樁施工勘測點2最大值為88.5kPa,相較于靜壓樁施工更低。在閘墩底板沉降比較中,4種工況下錨桿靜壓樁沉降均最低,且未出現(xiàn)不均勻沉降問題。通過錨桿靜壓樁施工,水閘沉降、滲水問題均得到有效改善。