湖北省漳河灌區(qū)響水洞渡槽工程基礎(chǔ)優(yōu)化處理技術(shù)

摘要：湖北省漳河灌區(qū)響水洞渡槽重建工程面臨溶洞、溶溝、溶槽等不良地質(zhì)現(xiàn)象，影響渡槽拱座和排架基礎(chǔ)施工，針對(duì)上述問題，提出渡槽工程基礎(chǔ)優(yōu)化處理方案，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了進(jìn)出口拱座及相關(guān)排架。結(jié)果表明：優(yōu)化方案可改善渡槽工程基礎(chǔ)部分地質(zhì)不良的問題，縮減灌注樁373 m，縮減工期30 d，節(jié)省工程投資166萬元。研究成果可為類似工程基礎(chǔ)處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：渡槽； 巖溶溶洞； 基礎(chǔ)處理； 漳河灌區(qū)

中圖法分類號(hào)：TV223文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.013

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S2-0043-05

0引言

巖溶可能造成巖石結(jié)構(gòu)破壞、地表突然塌陷、地下水循環(huán)改變等對(duì)工程不利的問題［1］，給工程施工帶來巨大的困擾，需要根據(jù)溶洞的實(shí)際情況采取合理科學(xué)的施工技術(shù)，確保工程施工安全和運(yùn)行安全［2-3］。湖北省漳河灌區(qū)響水洞渡槽重建工程面臨溶洞、溶槽等復(fù)雜的地質(zhì)問題，給地基處理帶來困擾。本文結(jié)合響水洞渡槽工程區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件，提出工程基礎(chǔ)處理方案優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為類似地質(zhì)條件工程的基礎(chǔ)處理提供借鑒。

1工程概況

響水洞渡槽重建工程位于湖北省漳河灌區(qū)，屬漳河四干渠北干渠跨越仙居河的重要渠系建筑物，渡槽全長(zhǎng)330 m，設(shè)計(jì)流量為7.98 m3/s，加大流量為9.58 m3/s，設(shè)計(jì)縱坡坡比1/1 000，渡槽和渠道級(jí)別為4級(jí)。

渡槽槽身、拱圈、排架、拱座等支撐結(jié)構(gòu)為C40混凝土結(jié)構(gòu)，槽身為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，共26跨，槽身橫斷面尺寸3.25 m×2.5 m（凈寬×凈高），槽頂設(shè)拉桿，間距1.75 m，側(cè)肋300 mm×250 mm，采用矩形型式，跨仙居河槽段采用100 m單跨空腹板拱結(jié)構(gòu)，拱高25.0 m，寬5.0 m，厚2.0～3.0 m。拱座寬度14.0 m，長(zhǎng)度16.0 m，高度10.0 m。排架有單排架和雙排架兩種類型，15 m以上擴(kuò)大基礎(chǔ)排架采用雙肢雙排，排架柱直徑0.8 m。其余排架采用雙肢單排，排架柱直徑1.0 m，拱圈上部支承排架為雙肢單排，排架柱為矩形變截面，寬度0.80～2.04 m。渡槽縱斷面布置如圖1所示。

2工程地質(zhì)條件

2.1地貌條件

工程區(qū)為剝蝕丘陵，河谷流水侵蝕地貌。兩岸山頂高程94～98 m。河床高程45 m左右，相對(duì)高差約50 m。渡槽所處河段河谷近東西向，河谷水面寬約20 m。河谷呈不對(duì)稱“V”形谷，右岸較陡，自然坡度約30°～50°，基巖裸露，植被較發(fā)育，左岸下部地形較平坦，屬仙居河一級(jí)堆積階地，階地寬30 m，上部自然邊坡較緩，坡度13°～18°，基巖偶見出露，植被發(fā)育。

2.2地層巖性

工程區(qū)巖土層主要為第四系松散堆積物及三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r，各地層由新至老主要特征如下。

（1） 第四系全新統(tǒng)人工堆積填土（Qs4）。黃褐色，由黏土組成，含少量碎石，厚度1.0～3.0 m，分布于渡槽與渠道接合部?jī)蓚?cè)渠堤部位及渡槽墩基礎(chǔ)表面。

（2） 第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積（Qa1+p14）。雜色砂礫石，礫石大小混雜，級(jí)配較好，礫石成分主要由灰?guī)r組成，砂卵礫石層厚約1.2～5.0 m，分布于仙居河河床。

（3） 第四系上更新統(tǒng)殘積坡積堆積（Qe1+d13）。黃褐色黏土，可塑至硬塑狀態(tài)。厚約1.9～13.5 m。分布于渡槽出口和仙居河左岸。第四系上更新統(tǒng)黏土物理力學(xué)參數(shù)：比重2.73，含水率26.56%，濕密度1.94 g/cm3，干密度1.54 g/cm3，孔隙率0.789，飽和度90.6%，液限50.8%，塑限27%，塑性指數(shù)23.8，液性指數(shù)-0.03，壓縮系數(shù)0.24 MPa-1，壓縮模量（快剪）9.0 MPa，黏聚力c=65 Pa，摩擦角φ=15.6°。屬中壓縮性土。

（4） 三疊系下統(tǒng)大冶組（T1dy）：灰至深灰色灰?guī)r，巖石裂縫不太發(fā)育，完整性一般，具溶蝕現(xiàn)象，溶隙中充填黏土。巖心呈柱狀，錘擊聲較清脆，呈弱風(fēng)化?；?guī)r主要出露于渡槽進(jìn)口至仙居河右岸，左岸偶見出露，厚度大于50 m，鉆孔未揭穿。根據(jù)本次巖石試驗(yàn)成果和初設(shè)巖石試驗(yàn)成果，三疊系下統(tǒng)大冶組（T1dy）灰?guī)r物理力學(xué)參數(shù)：比重2.70，干密度2.69 g/cm3，飽和吸水率0.1%，飽和單軸抗壓強(qiáng)度45 MPa，單軸干抗壓強(qiáng)度60 MPa，縱波波速（濕）4 800 m/s。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀220°～235°∠21°～28°。未見斷層發(fā)育。工程區(qū)主要發(fā)育以下4組裂隙：① 走向325°，NW∠70°～80°；② 走向40°～65°，NW∠70°；③ 走向325°，SW∠21°；④ 走向0°，E∠80°。第一組和第二組裂隙最發(fā)育，其與巖層層面將巖石切割成菱形塊體，同時(shí)由于溶蝕作用，裂隙寬度變大，一般為10 cm左右，局部充填泥質(zhì)，大部無充填。

2.4巖溶情況

工程區(qū)巖土層主要為第四系松散堆積物及三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r，巖溶相對(duì)較發(fā)育，地表有溶洞、溶槽等巖溶發(fā)育。鉆孔16個(gè)，其中9個(gè)鉆孔揭示在河谷兩岸地表以下均有溶洞發(fā)育，洞徑約0.4～2.3 m，均充填黃色黏土。大部分溶洞分布高程55.18～84.69 m，各高程均有分布，溶洞分布高程無明顯規(guī)律，溶洞順層、順裂隙發(fā)育，規(guī)模不大，巖層傾向河流右岸偏上游，左岸與右岸巖層均為中厚層狀，兩岸裂隙發(fā)育特征基本相同，地形條件相似，左右岸地下水排泄條件好。因此，在地下水溶蝕作用下，左右岸溶洞溶槽發(fā)育特征基本類似。進(jìn)口拱座溶溝溶槽現(xiàn)場(chǎng)圖片見圖2。

3工程基礎(chǔ)處理方案

3.1原方案

拱座基礎(chǔ)以小型爆破結(jié)合人工開鑿進(jìn)行開挖，以避免大中型爆破作業(yè)破壞邊坡穩(wěn)定和基巖的完整性。上游拱座基礎(chǔ)下部存在溶洞，需在灌注樁施工完成后再進(jìn)行拱座基礎(chǔ)澆筑，并使灌注樁與基礎(chǔ)連成整體。下游側(cè)拱座基礎(chǔ)完整，直接在巖基澆筑基礎(chǔ)。渡槽排架基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，3號(hào)單排架和24號(hào)雙排架基礎(chǔ)下部存在溶洞，需在灌注樁施工完成后再進(jìn)行拱座基礎(chǔ)澆筑，并使灌注樁與排架擴(kuò)大基礎(chǔ)連成整體。

3.2方案分析

原拱座基礎(chǔ)和排架基礎(chǔ)主要采用灌注樁工藝處理，目的是使用鋼筋混凝土灌注到預(yù)先鉆孔地層，形成堅(jiān)固樁體，增加地基承載力和穩(wěn)定性。灌注樁是工程中較為常用的基礎(chǔ)處理形式，能適應(yīng)各類地質(zhì)條件，具有承載力大、抗震能力高的優(yōu)點(diǎn)，但在巖溶處理中采用灌注樁的工藝較復(fù)雜，施工難度增大：① 響水洞渡槽溶洞存在空洞部分，樁基成孔困難，溶洞內(nèi)部空洞或滲漏嚴(yán)重時(shí)，為避免造成重大塌孔事故和成樁風(fēng)險(xiǎn)，需要采取鋼護(hù)筒跟進(jìn)法施工，對(duì)實(shí)際樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的樁基增設(shè)鋼護(hù)筒，施工難度較大；② 3號(hào)單排架和24號(hào)雙排架基礎(chǔ)位于地下水上方，屬于干作業(yè)施工，不適合樁基的機(jī)械成孔，若采用人工挖孔，施工風(fēng)險(xiǎn)較大；③ 灌注樁施工過程中可能因?yàn)橥馏w潛蝕和崩解作用引起巖溶塌陷，從而造成施工安全事故。因此，灌注樁施工時(shí)除電擊和墜物打擊等安全影響因素外，施工工藝本身可能成為引起巖溶地基失穩(wěn)的外因，存在較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素。

3.3基礎(chǔ)處理優(yōu)化思路

地基處理中擴(kuò)大基礎(chǔ)是常見的處理方式，原理是將墩（臺(tái)）及上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載由其直接傳遞至較淺的支承地基的一種基礎(chǔ)形式［4］，一般采用明挖基礎(chǔ)的方法進(jìn)行施工，故又稱之為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)或淺基礎(chǔ)。正常工況下，擴(kuò)大基礎(chǔ)能提高建筑物整體剛度，并改善建筑物建基面附近巖體的應(yīng)力狀態(tài)，可提高建筑物整體穩(wěn)定性。與灌注樁相比，擴(kuò)大基礎(chǔ)具有埋深淺、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、施工方法簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)也較低。

3.4進(jìn)口拱座基礎(chǔ)優(yōu)化處理方案

進(jìn)口拱座現(xiàn)場(chǎng)地基條件為建基面長(zhǎng)16.00 m，寬14.00 m，設(shè)計(jì)高程53.36 m?，F(xiàn)狀實(shí)際開挖高程53.11～53.21 m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，建基面巖性為三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r，灰至深灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，溶溝、溶槽較發(fā)育，溶槽中充填黃褐色可塑黏土。

進(jìn)口拱座共布置10個(gè)地質(zhì)先導(dǎo)孔，先導(dǎo)孔最小中心間距為2.5 m。結(jié)合基礎(chǔ)條件和先導(dǎo)孔地質(zhì)勘察資料，進(jìn)口拱座地基條件可初步判定如下：建基面共發(fā)育8條溶溝溶槽，其中建基面下發(fā)育2條溶槽，溶槽高程分別是50.53～50.83 m、51.56～51.86 m，溶槽分布高程無明顯規(guī)律，高程50.0 m以下巖體完整。基坑右側(cè)發(fā)育4條溶槽，左上游角落處發(fā)育1條溶槽，基坑中間靠下游處發(fā)育1條溶槽，溶槽以豎向?yàn)橹?，順層、順裂隙發(fā)育的規(guī)模不大，溶溝溶槽的總面積占比為16%。根據(jù)鉆孔取芯情況，進(jìn)口拱座基礎(chǔ)的所有溶溝、溶槽相互獨(dú)立，并不連通。

依據(jù)勘探孔資料和開挖揭露情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)改用擴(kuò)大基礎(chǔ)處理，具體處置方式如下。

以人工配合機(jī)械開挖的方式，首先將溶槽內(nèi)充填黏土清除，清除高程至少達(dá)到50.53 m，然后將溶槽開口面擴(kuò)大放坡；為避免過多挖除完整巖體，盡量將開挖坡度放陡，但不得陡于1∶0.5，保證溶槽開挖后整體呈倒楔形，然后溶槽內(nèi)布置縱橫鋼筋，用混凝土回填至設(shè)計(jì)高程。采用渡槽工程基礎(chǔ)優(yōu)化處理技術(shù)方案，地基承載力、抗滑性、穩(wěn)定性等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足灌排工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，取消進(jìn)口拱座原設(shè)計(jì)的20根灌注樁處理方案，減少了灌注樁373 m，縮短工期30 d，節(jié)省投資約166萬元。進(jìn)口拱座溶溝溶槽處理如圖3所示。

3.5出口拱座基礎(chǔ)優(yōu)化處理方案

響水洞渡槽出口拱座基礎(chǔ)為三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r，在開挖至建基面后，發(fā)現(xiàn)基坑建基面存在2條形狀不規(guī)則的溶槽，溶槽中充填黃褐色可塑黏土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核。其中，基坑下游側(cè)發(fā)育有1條溶槽，基坑中部靠上游處發(fā)育1條溶槽，溶槽以豎向?yàn)橹?，順層、順裂隙發(fā)育，規(guī)模不大，最大深度2.0 m，最大寬度1.2 m，為“淺窄”類溶槽，溶槽總面積與建基面面積的比值為5.5%。

在出口拱座基坑建基面范圍內(nèi)2條溶槽邊沿及可能發(fā)育方向補(bǔ)鉆地質(zhì)孔，未發(fā)現(xiàn)相連通的新溶槽、溶洞。清除2條溶槽中的充填黏土，將溶槽面沖洗干凈。將突出的巖體挖除，使開口面形成倒本楔形，基坑回填C25混凝土，其上以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)跨越該溶槽。出口拱座溶溝溶槽處理如圖4所示。

3.6排架基礎(chǔ)優(yōu)化處理方案

響水洞渡槽排架基礎(chǔ)挖至建基面。上游排架基礎(chǔ)處理為巖石地基，下游部分排架基礎(chǔ)是半巖半土、土質(zhì)地基。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，兩種基礎(chǔ)地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。其中，半巖半土的地基建基面分布有不規(guī)則的淺層溶槽，溶槽中充填黏土。

地質(zhì)先導(dǎo)孔勘察結(jié)果表明：渡槽上游地質(zhì)條件較好，溶洞少，下游溶洞較密集，但多為充填溶洞，溶洞埋藏較深，上部灰?guī)r厚度6.6～8.5 m，厚度較大，承載力高，而排架基礎(chǔ)應(yīng)力較小，可見溶洞對(duì)基礎(chǔ)承載力和穩(wěn)定影響較小。

根據(jù)先導(dǎo)孔和排架基礎(chǔ)實(shí)際開挖情況，取消原設(shè)計(jì)方案中3號(hào)單排架和24號(hào)雙排架下共6根樁基礎(chǔ)，排架基礎(chǔ)調(diào)整為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

有關(guān)排架基礎(chǔ)處理基本原則：對(duì)于半巖半土的地基，對(duì)淺層溶槽1.5 m深度范圍以內(nèi)，以開挖的方式將充填黏土和突出的巖體挖除，使其開口面形成倒楔形狀，并回填C25混凝土至設(shè)計(jì)建基面高程。排架基礎(chǔ)優(yōu)化處理如圖5所示。

4結(jié)語

本文以湖北省漳河灌區(qū)響水洞渡槽工程基礎(chǔ)處理為例，結(jié)合先導(dǎo)孔資料和現(xiàn)場(chǎng)開挖情況，采取針對(duì)性的處理措施，優(yōu)化了原設(shè)計(jì)方案，主要包括渡槽拱座和部分排架地基處理方式的調(diào)整。經(jīng)驗(yàn)算，渡槽拱座和排架地基承載力、偏心距、允許沉降量和沉降差、抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定均滿足灌排工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在節(jié)約工期和工程投資的同時(shí)，工程任務(wù)和規(guī)模、工程安全、工期、生態(tài)環(huán)境、效益和運(yùn)行等方面未發(fā)生改變。研究成果可為類似工程基礎(chǔ)優(yōu)化處理提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］畢樹峰.巖溶區(qū)高速鐵路樁基礎(chǔ)施工溶洞處理技術(shù)研究［J］.中外公路，2014，34（5）：200-202.

［2］閆福根，傅興安，蔡漢生，等.孤山航電樞紐工程壩基處理及滲控方案設(shè)計(jì)［J］.水利水電快報(bào)，2023，44（6）：48-52.

［3］胡蘭，呂國(guó)梁.南水北調(diào)中線工程大型渡槽樁基設(shè)計(jì)［J］.水利水電快報(bào)，2002，23（23）：23-24.

［4］陳家東，林明標(biāo)，陳積瞻，等.海南牛路嶺灌區(qū)工程高大跨度拱式渡槽抗震性能分析［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（9）：35-39，48.

（編輯：高小雲(yún)）