楊國瑞，姜薈錦，趙 琳

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013）

鄧樓泵站是南水北調(diào)東線工程的第12級(jí)抽水梯級(jí)泵站，位于山東省梁山縣梁濟(jì)運(yùn)河和東平湖新湖區(qū)南大堤相交處。一期設(shè)計(jì)調(diào)水流量為100 m3/s，設(shè)計(jì)選用4臺(tái)機(jī)械全調(diào)節(jié)式3100ZLQ-4型立式軸流泵，泵站總裝機(jī)容量8 960 kW。

鄧樓泵站場(chǎng)區(qū)位于汶、泗河沖洪積扇下游與黃泛沖積平原交互處。地勢(shì)較為平坦開闊，地面高程38.20～40.86 m。在勘探深度60.0 m范圍內(nèi)，頂部沉積了厚度3～6 m的第四系全新統(tǒng)黃泛沖積堆積的砂壤土夾裂隙黏土及軟黏土薄層；中上部沉積了厚度4～7 m為第四系全新統(tǒng)沖積湖積堆積的砂壤土、淤泥層，常夾有粉砂、粉細(xì)砂薄層，局部夾淤泥質(zhì)壤土層；中下部為汶、泗河第四系上更新統(tǒng)沖積洪積堆積的壤土、砂壤土、黏土及礫質(zhì)粗砂、中細(xì)砂層，底部為硬塑狀黏土。其中③層淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑～流塑狀態(tài)，手感光滑細(xì)膩。該層分布于整個(gè)場(chǎng)區(qū)，層厚1.20～3.80 m，層底高程32.15～34.65 m，抗剪強(qiáng)度低，對(duì)泵站引、出水渠邊坡穩(wěn)定極為不利。

1 泵站引、出水渠地層巖性

泵站引、出水渠南起梁濟(jì)運(yùn)河，穿越東平湖南圍堤，北入柳長河，全長901.33 m?？辈焐疃?5.00 m內(nèi)，揭露地層除表層為耕植土、壤土夾裂隙黏土薄層外，主要為第四系全新統(tǒng)沖積堆積的砂壤土、粉細(xì)砂、淤泥層，全新統(tǒng)沖積湖積堆積的砂壤土、黏土層，第四系上更新統(tǒng)沖積洪積堆積的壤土，分述如下：

素填土（Qr）：層厚 3.20～7.30 m，層底高程 39.81～40.21 m。 ①層砂壤土（Q4al）：層厚 1.10～2.60 m，層底高程 37.31～37.75 m。①-1 層輕壤土（Q4al）：層厚 0.70～2.00 m，層底高程 37.95～39.81 m。②層粉細(xì)砂（Q4al）：層厚 0.90～4.50 m，層底高程 33.57～36.85 m。③層淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑～流塑狀態(tài)，手感光滑細(xì)膩。層厚1.30～2.20 m，層底高程33.41～34.65 m。④層黏土（Q4al+l）：層厚 1.30～5.90 m，層底高程 27.30～30.57 m。④-1 砂壤土（Q4al+l）：層厚 0.70～1.30 m，層底高程 31.25～33.95 m。⑤層壤土（Q3al+pl）：該層局部未揭穿，最大揭露厚度為5.00 m。⑥層黏土（Q3al+pl）：該層局部未揭穿，最大揭露厚度為1.30 m。

2 初設(shè)階段泵站引、出水渠設(shè)計(jì)

鄧樓泵站上下游分別與梁濟(jì)運(yùn)河、柳長河相銜接，泵站引水渠、出水渠斷面設(shè)計(jì)參考梁濟(jì)運(yùn)河、柳長河設(shè)計(jì)斷面。針對(duì)淤泥軟弱層河道斷面采用換填水泥土及放緩坡比（1∶4）加固處理方案。淤泥層的黏聚力、內(nèi)摩擦角依據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL386—2007），針對(duì)施工開挖黏性土邊坡抗剪強(qiáng)度指標(biāo)宜采用三軸固結(jié)不排水剪（CU指標(biāo)）。

初設(shè)階段該淤泥層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用三軸固結(jié)不排水（CU）指標(biāo)：黏聚力 c=14.22 kPa，內(nèi)摩擦角 Φ=9.1°計(jì)算，①引水渠完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=2.084 0，②閘前出水渠完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.893 8，③閘后出水渠完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.923 4，設(shè)計(jì)中的引水渠、出水渠斷面邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3 施工圖階段泵站引、出水渠設(shè)計(jì)

在施工圖設(shè)計(jì)過程中，考慮到該地層年代較新，分布廣，長期處于地下水位以下，淤泥層底部為黏土層，頂部為粉細(xì)砂層，無臨空面，排水條件極差，難以達(dá)到固結(jié)狀態(tài)，且不確定因素多，穩(wěn)定計(jì)算指標(biāo)完全采用固結(jié)不排水指標(biāo)，未能真實(shí)反映該淤泥層的實(shí)際情況，計(jì)算結(jié)果也不安全。

使用河海大學(xué)Slope計(jì)算軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，若該淤泥層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用不固結(jié)不排水（UU）指標(biāo)進(jìn)行渠道邊坡穩(wěn)定計(jì)算，黏聚力c=3.48 kPa，內(nèi)摩擦角Φ=2.5°，采用有效應(yīng)力法，因存在軟弱夾層，采用推力傳遞法計(jì)算，計(jì)算得引水渠完建期Min-Fs3=0.772 3；閘前出水渠完建期MinFs3=0.730 4；閘后出水渠完建期MinFs3=0.760 7。由計(jì)算結(jié)果可見，邊坡不滿足穩(wěn)定要求，需采取相應(yīng)的加固措施。

為了慎重起見，待施工中，首先進(jìn)行試驗(yàn)段開挖，依據(jù)試驗(yàn)段現(xiàn)狀實(shí)際情況再作進(jìn)一步計(jì)算分析。

4 泵站場(chǎng)區(qū)試驗(yàn)段開挖情況

2010年4月15日，對(duì)鄧樓泵站主廠房基坑開挖部分③層淤泥進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)及再次取樣試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)③層淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑狀態(tài)，手感光滑細(xì)膩，層厚1.70～3.00 m，該層淤泥與②層粉細(xì)砂之間，通過基坑開挖臨空面向基坑內(nèi)不斷地滲流泥土，已經(jīng)發(fā)生流土破壞，粉細(xì)砂層及淤泥層普遍發(fā)生坍塌。

對(duì)③層淤泥土現(xiàn)場(chǎng)取樣再次進(jìn)行試驗(yàn)，其力學(xué)指標(biāo)見表1。

淤泥具有以下特性：1）觸變性特征。即在飽水條件下當(dāng)原狀土受到震動(dòng)以后，破壞了結(jié)構(gòu)連接，降低了土的強(qiáng)度或使土變成稀釋狀態(tài)。2）流變性特征。即在剪應(yīng)力作用下，土體會(huì)發(fā)生緩慢而長期的剪切變形。3）高壓縮性。4）弱透水性。

表1 ③層淤泥力學(xué)指標(biāo)表

依據(jù)工程實(shí)際情況，認(rèn)為采用現(xiàn)場(chǎng)取樣所做的直接快剪（Q）指標(biāo)能更好地符合土樣實(shí)際。該淤泥層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用直接快剪（Q）指標(biāo)，黏聚力c=8.0 kPa，內(nèi)摩擦角Φ=2.7°，使用河海大學(xué)Slope計(jì)算軟件對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，采用有效應(yīng)力法、推力傳遞法計(jì)算，引水渠邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.169 4，閘前出水渠邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.084 6，閘后出水渠邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.092 5。

由計(jì)算可見，引水渠、出水渠抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)雖大于1，但均小于1.3，不滿足規(guī)范要求。泵站管理區(qū)場(chǎng)區(qū)需要回填土3.45 m高，填筑時(shí)需機(jī)械壓實(shí)，渠道兩岸場(chǎng)區(qū)道路有行車功能，這都是影響渠道邊坡穩(wěn)定的不利條件。引水渠、出水渠渠道邊坡需加固處理。

5 引、出水渠淤泥層加固處理方案

淤泥層處理方案有多種，如堆載及真空預(yù)壓排水固結(jié)、水泥土攪拌、砂石樁、石灰樁、劈裂注漿、高噴、軟弱土置換等，綜合以上加固處理方案，結(jié)合本工程實(shí)際情況選用水泥土攪拌樁、砂樁、旋噴樁及軟弱土置換4種加固方案進(jìn)行比選，4種加固方案工程布置如下：

1）水泥土攪拌樁：渠道兩側(cè)邊坡布置攪拌樁2排，樁徑0.5 m，樁距0.8 m，攪拌樁深入淤泥層底高程以下不小于0.5 m。水泥摻量為20%，水泥土抗壓強(qiáng)度不小于2 MPa。水泥土攪拌樁施工完成，水泥土達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后方可進(jìn)行渠道開挖，開挖后淤泥層坡面20 cm換填粗砂，防止護(hù)坡結(jié)構(gòu)凍脹破壞。

2）振沖砂樁：樁徑0.6 m，每側(cè)6排，樁距1.5 m，梅花形布置。

3）高壓旋噴灌漿：每側(cè)2排，樁距1.0 m。

4）水泥土換填：淤泥層分布范圍（約2.5 m）內(nèi)，垂直厚度800 mm范圍內(nèi)換填水泥土及中粗砂。4種加固方案工程量及投資比較見表2。

表2 處理方案及投資比較表

4種加固處理方案優(yōu)缺點(diǎn)：

1）振沖砂樁：能改善淤泥層的排水條件，加速淤泥層固結(jié)，從而提高淤泥的力學(xué)指標(biāo)，但需加固的范圍較大，工程量及投資較大，只有上方②層粉細(xì)砂層有排水條件，固結(jié)時(shí)間長。

2）高壓旋噴樁：可僅對(duì)淤泥層處高噴灌漿，以上部分只鉆孔不灌漿，但旋噴樁處理不均勻，連續(xù)性差，易出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，且定額單價(jià)高，投資大。

3）水泥土攪拌：樁樁身具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度（C＞100 kPa），處理淤泥層有較成熟的技術(shù)和成功的經(jīng)驗(yàn)，且造價(jià)低，故采用水泥土攪拌樁（濕法）進(jìn)行渠道邊坡處理，利用樁身抗剪，阻止土體滑動(dòng)，保持邊坡穩(wěn)定。

4）水泥土換填：水泥土具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度（C＞100 kPa），換填水泥土方案即利用水泥土較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度，阻止土體滑動(dòng)，保持邊坡穩(wěn)定。該方案不僅施工簡單，且投資最省。

綜合以上經(jīng)濟(jì)與技術(shù)兩個(gè)方面的比選，設(shè)計(jì)推薦換填水泥土方案。

采用水泥土換填后，水泥土黏聚力c取50 kPa，內(nèi)摩擦角Φ取20°，使用Slope軟件，采用有效應(yīng)力法、推力傳遞法計(jì)算，邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

6 工程加固效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段開挖發(fā)現(xiàn)③層淤泥 （Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑狀態(tài)，手感光滑細(xì)膩，層厚1.70～3.00 m，該層淤泥與②層粉細(xì)砂之間，通過基坑開挖臨空面向基坑內(nèi)不斷地滲流泥土，已經(jīng)發(fā)生流土破壞，粉細(xì)砂層及淤泥層普遍發(fā)生坍塌。采用水泥土換填工程加固后，渠道邊坡穩(wěn)定及工程安全性良好，工程效果顯著。

7 結(jié)論

針對(duì)鄧樓泵站引、出水渠③層淤泥問題，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段開挖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及各種試驗(yàn)指標(biāo)，經(jīng)綜合分析判定采用的直接快剪（Q）指標(biāo)，更好地代表了土樣實(shí)際。通過水泥土攪拌樁、振沖砂樁、高壓旋噴灌漿及水泥土換填四個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，最終選定的水泥土換填加固方案從根本上解決了鄧樓泵站引、出水渠③層淤泥軟化失穩(wěn)問題，且大大節(jié)省工程投資，社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益顯著，值得類似工程借鑒參考。