姚紹松 中交灣區(qū)（廣東）投資發(fā)展有限公司

1.工程概況

1.1 基坑概況

江西西萬安某船閘臨時擋水二期圍堰工程位于土壩段上游庫區(qū)內(nèi)，呈折線形布置，總長約為465m，二期上游圍堰頂高程為105.0m，庫底地面高程為75m～92m，圍堰體高度10m～26m。大壩采用土石壩，大壩防滲以塑性混凝土防滲墻為主（800mm厚的塑性混凝土防滲墻加帷幕灌漿的處理措施，防滲墻嵌入強(qiáng)風(fēng)化巖層，其下帷幕灌漿深度達(dá)到透水率小于5Lu的頂板高程以下1.0m，深度52.5m～68.0m，平均深度57.2m）。96.5m高程以下的石渣料填筑的上、下游戧堤，其坡比均為1：1.5；96.5m高程以上的壩體，其上、下游坡比均為1：2.25。

圍堰最高填筑約37m，施工期最大擋水高度約21m，其結(jié)構(gòu)及防滲施工是船閘主體基坑圍堰施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)，具有工期緊、技術(shù)難度大、安全風(fēng)險高和環(huán)保要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。

1.2 場地地質(zhì)條件

該場地位于贛江中游，呈倒L形布置，基礎(chǔ)原始地貌為Ⅰ級階地和Ⅱ級階地并逐漸過渡到右岸山體，庫底地面高程為75m～92m，左側(cè)低，向右側(cè)漸高過渡，至右岸山體壩肩處高程為105m。階地內(nèi)松散覆蓋層厚度為14.7m～20.0m，主要地層為人工填土、粘性土和砂礫石層及其混合土，基巖面高程為64m～70m。人工填土、砂礫石混粘性土為弱～強(qiáng)透水性，砂礫石層為中等～強(qiáng)透水性并具有管涌滲透破壞形式，劇強(qiáng)風(fēng)化和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層為中～強(qiáng)透水性主要地層為人工填土。圍堰體最大高度10m～30m，并將形成最大20m左右的高水頭差。

1.3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求

根據(jù)相關(guān)要求，該臨時圍堰設(shè)計(jì)等級為1級，圍堰抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)見表1。本區(qū)在Ⅱ類場條件下，50年超越概率10%的基本地震動峰值加速度為0.05g，基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

表1 圍堰抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)表

2.計(jì)算模型

二期圍堰主要包括水下開挖與清淤、堰體填筑、防滲墻施工三個重點(diǎn)工序，其中水下開挖與清淤約28×104m3，堰體填筑+96.5以下拋填（含護(hù)腳塊石）方量為932900m3、陸上填筑（含粘土心墻）130500m3，混凝土防滲墻的工程量約14900m3，帷幕灌漿施工的工程量約6542m。

根據(jù)勘察資料，圍堰區(qū)域存在不均勻、軟弱土地基等不良地質(zhì)現(xiàn)象，需要對其進(jìn)行加固、處理，以滿足設(shè)計(jì)要求。原設(shè)計(jì)中為確保壩體穩(wěn)定安全，要求采用級配塊石對基礎(chǔ)一定范圍內(nèi)的壩基淤泥和素填土層進(jìn)行挖除置換，換填深度3m～10m不等，并在迎水面設(shè)置拋石壓腳戧臺，戧臺在弧形連接段及其以左頂高程82.0m，寬度32.0m，其余部分頂高程85.0m，寬度20.0m；坡比1：1.5。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，即圍堰基底淤泥及素填土清除開挖方量較大，附近無大型水上清淤船機(jī)，且周邊卸泥點(diǎn)難以容納如此大方量的淤泥，擬探索采用高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層的可行性。

高壓旋噴樁具有施工速度快、固結(jié)體強(qiáng)度大、水泥漿不會造成環(huán)境和地下水污染，且耐久性較好，施工噪音較小等優(yōu)點(diǎn)。其加固效果以及優(yōu)勢與水泥攪拌樁相同，且在淤泥內(nèi)成樁質(zhì)量好，施工過程中不需要較高支架，較為安全。高壓旋噴樁采用水泥、外加劑和水的拌和體(水泥漿液)做為固化劑，水泥宜選用水泥強(qiáng)度等級為32.5以上。當(dāng)采用非緩凝水泥時，水泥漿中宜摻入緩凝型外加劑，其品種和用量通過試驗(yàn)確定。施工前，應(yīng)根據(jù)加固工程的地基土、拌和用水、擬采用的水泥和外加劑進(jìn)行水泥漿室內(nèi)配合比試驗(yàn)，確定高壓旋噴樁的水泥品種、水泥摻量、水灰比等。試驗(yàn)土料應(yīng)采用需加固地基的原狀土樣，水泥強(qiáng)度等級32.5以上。樁身90d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于1.2MPa。

表2 高壓旋噴加固后地層參數(shù)取值

2.1 圍堰穩(wěn)定性分析模型

圍堰滲流計(jì)算根據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)及防滲設(shè)計(jì)成果選取典型斷面，該斷面在原設(shè)計(jì)中開挖面最低（+68.0m）為最危險的斷面，本次的計(jì)算選用這個斷面，也可與原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析。

計(jì)算擬采用的工況：在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對淤泥層和素填土層進(jìn)行地基加固。加固的方法為：滿堂腳手架+高壓旋噴處理。高壓旋噴樁加固常用的為單管布置和三管布置，考慮到單管布置水下成樁效果一般，本次高壓旋噴樁的布置建議為：三管旋噴φ850mm，間距為2.0m，梅花形布樁。

2.2 數(shù)值分析參數(shù)取值

軟基加固后的參數(shù)，復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度可以采用公式（1）計(jì)算：

式中，m為置換率（%）；c為粘聚力（kPa）。內(nèi)摩擦角可以根據(jù)原地基土的土質(zhì)、含水率等綜合判斷取值范圍為20°～30°。文中數(shù)值模擬參數(shù)取值見表2。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.3.1 滲流計(jì)算結(jié)果

圍堰滲流分析工具采用河海巖土軟件AutoBank7.07版，通過劃分單元采用有限元分析方法進(jìn)行計(jì)算。本次分析采用的圍堰滲流計(jì)算典型斷面為原設(shè)計(jì)中開挖面最低（+68.0m）的最危險的斷面。模型中臨時擋水圍堰上游水位采用設(shè)計(jì)蓄水位+96m，壩頂高程+105m，下游水位+85m，圍堰兩側(cè)水頭差為11m。

滲透計(jì)算結(jié)果顯示素填土層滲透比降小于0.25，滿足設(shè)計(jì)要求；溢出點(diǎn)3m范圍內(nèi)滲透比降小于0.25，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 圍堰穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圍堰穩(wěn)定計(jì)算的斷面與滲流計(jì)算斷面相同。穩(wěn)定計(jì)算擬考慮正常蓄水水位條件下的迎水面邊坡和背水面邊坡，分別計(jì)算正常運(yùn)行期、施工期及正常運(yùn)行期（地震工況）三種情形下的圍堰穩(wěn)定性。地震工況參數(shù)采用50年超越概率10%的基本地震動峰值加速度為0.05g，基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。計(jì)算公式采用簡化畢肖普法，穩(wěn)定滲流期水的作用考慮采用有效應(yīng)力法，通過指定滑裂面并自動搜索最小安全系數(shù)。各工況下的計(jì)算參數(shù)見上文中表1和表2。

計(jì)算結(jié)果表明，迎水面坡在正常運(yùn)行期、施工期及正常運(yùn)行期+地震三種工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.218、1.491、1.322，背水面坡則為2.382、2.205、1.662，其結(jié)果均不小于表1最小允許值，由此可見，在原設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，采用高壓旋噴樁對淤泥層和素填土層進(jìn)行地基加固的方案可以滿足設(shè)計(jì)中圍堰穩(wěn)定性的要求，該方案具有可實(shí)施性。

3.高壓旋噴樁工藝總結(jié)

（1）原設(shè)計(jì)水下開挖方量較大，附近無大型水上清淤船機(jī)，且周邊卸泥點(diǎn)難以容納如此大方量的淤泥，高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層方案對于本項(xiàng)目具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，且其經(jīng)濟(jì)效益顯著；（2）各工況下的滲流計(jì)算、穩(wěn)定分析結(jié)果顯示，均能滿足設(shè)計(jì)的要求，采用高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層可行性較強(qiáng)。

但需要注意的是，本次計(jì)算中采用的地基加固后、塊石拋填后的土層參數(shù)，需要在施工時進(jìn)一步根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。

4.結(jié)束語

在船閘建設(shè)項(xiàng)目中，圍堰是工程基坑施工的重要屏障，其擋水防滲和堰體穩(wěn)定能力直接影響建設(shè)成本、項(xiàng)目工期及施工安全，另外在施工期間圍堰還需要經(jīng)歷防洪度汛的考驗(yàn)，若發(fā)生圍堰失事后果將非常嚴(yán)重，因此圍堰安全是保障船閘工程順利施工的關(guān)鍵措施。本文以江西萬安某船閘臨時擋水圍堰工程為背景，采用數(shù)值分析法對圍堰滲流及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了采用高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層的優(yōu)化方案，可實(shí)施性較強(qiáng)，對指導(dǎo)類似工程有著重要意義。