蔣愛辭 戴菊英

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

1 引 言

水閘在水利工程中有著廣泛的應用，地質(zhì)條件的千差萬別決定了水閘地基處理的復雜多樣性。地基承載力不足是水閘地基最為常見的問題之一[1]。黃河下游地貌以沖洪積平原為主，地下含水層主要為壤土、砂壤土和粉砂層，地下水類型主要為孔隙潛水，因此土層中存在可液化土層埋深大且密實度不好，地基易發(fā)生液化現(xiàn)象[2]。由此可見，黃河下游水閘存在承載力不足和液化現(xiàn)象雙重問題。本文以引黃入冀補淀工程老渠村涵閘為背景，針對水閘基礎(chǔ)存在的承載力不足和液化現(xiàn)象進行處理方法探討[3]。

引黃入冀補淀工程主要任務(wù)是在保障河南、河北沿線部分地區(qū)農(nóng)業(yè)用水的前提下，為白洋淀實施生態(tài)補水。工程輸水線路途經(jīng)河南、河北2省6市22個縣市區(qū)，線路總長482km，渠首設(shè)計引水總流量為150.0m3/s，總灌溉面積465.10萬畝，為Ⅰ等工程。引黃入冀補淀渠位于河南省濮陽市，渠首段采用新、老渠村閘聯(lián)合供水，經(jīng)明渠輸水至白洋淀。由于地質(zhì)條件，老渠村涵閘地基存在承載力偏低及地震液化問題，經(jīng)過方案比較，最終確定采用預應力混凝土管樁(PHC樁)與水泥攪拌樁聯(lián)合處理方法對老渠村涵閘基礎(chǔ)進行地基處理[4-5]。

2 工程概況

2.1 工程布置

老渠村涵閘由上游連接段、閘前鋪蓋段、閘室段、涵洞段、出口消力池段和出口漸變段組成。老渠村涵閘總長182m，其中閘室部分長14m，涵洞段長168m。閘室部分總寬度31.62m。閘室共6孔，5孔灌溉，每孔凈寬4.4m，1孔供水，凈寬2.0m，閘孔凈高4.4m，閘底板高程55.30m，閘墩頂高程65.40m，上部設(shè)啟閉機房，啟閉機平臺高程72.30m，啟閉機房凈高3m。閘室采用整體式，共分兩聯(lián)，均為三孔一聯(lián)。閘底板高程55.30m，閘墩頂高程65.40m，設(shè)計水位58.63m。老渠村涵閘上游立視圖見圖1。

圖1 老渠村涵閘上游立視圖 (單位：m)

2.2 工程地質(zhì)情況

老渠村涵閘基礎(chǔ)持力層為?層的黏土、壤土。該層承載力特征值90～110kPa，地基承載力偏低；地震動峰值加速度為0.15g(相應地震基本烈度為Ⅶ度)，地表以下深度15m范圍內(nèi)存在黏粒含量小于17%的土層，存在地震液化現(xiàn)象，因此地基不能直接作為涵閘基礎(chǔ)持力層，需進行地基處理。

3 水閘地基應力計算

作用在閘室上的主要荷載有閘室自重、永久設(shè)備自重、水重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力、地震力、淤沙壓力、土壓力等。

基底應力按材料力學偏心受壓公式進行計算，當結(jié)構(gòu)布置及受力情況對稱時，按式(1)計算：

(1)

式中：∑G為作用在閘室上全部豎向荷載，kN；A為閘室基底面的面積,m2；∑Mx、∑My為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對基礎(chǔ)底面形心軸x、y的力矩,kN·m；Wx、Wy為閘室基底面對于該底面形心軸x、y的面積矩,m3。

閘室地基應力計算成果見表1。

表1 閘室地基應力計算成果

計算結(jié)果表明，特殊組合的地震工況為控制工況，老渠村涵閘基地震工況下最大地基應力為221.45kPa，而該層承載力特征值90～110kPa，地基承載力偏低，顯然水閘地基天然基礎(chǔ)承載力不能滿足要求，需進行地基處理。

4 水閘地基處理方案

4.1 常用地基處理方案比較

結(jié)合工程地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗，地基處理常采用的有鋼筋混凝土灌注樁、CFG灌注樁、預應力混凝土管樁、高壓旋噴樁、素混凝土樁等[6-8]，采用合適的樁徑和樁長都可以滿足地基承載力要求。

素混凝土樁：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中沒有考慮配筋問題，采用混凝土直接澆筑而成，承載力比較低，容易開裂，抗彎性能差，延性低，主要用于承載力要求較低的中小型工程。

鋼筋混凝土灌注樁：本工程為穿堤涵閘，地質(zhì)條件為壤土，工期緊，采用鋼筋混凝土灌注樁處理存在投資過高、工期過長等問題，本工程不予考慮。

CFG樁(即水泥粉煤灰碎石樁)：適用于處理黏性土、粉土、砂土和已完成自重固結(jié)的素填土等地基。但CFG樁施工工藝要求高、受地下水影響因素大、質(zhì)量不可靠，本工程不予考慮。

高壓噴射注漿法：主要用于加固地基，可提高土的抗剪強度，改善地基的變形性質(zhì)，也可組成閉合的帷幕，可用于截阻地下水流和治理流砂。適用于砂類土、黏性土、濕陷性黃土、淤泥和人工填土等多種土類，對于礫石粒徑過大，含腐殖質(zhì)過多的土壤加固效果較差；對地下水流較大及有嚴重腐蝕的地基土也不宜采用。

預應力混凝土管樁(PHC管樁)有以下優(yōu)點：

a.樁承載力高：混凝土強度等級不小于C80，承載力高，抗彎性能好，比其他樁高2～5倍[9]。由于PHC管樁樁身混凝土強度高，可打入密實的砂層和強風化巖層，PHC管樁承載力設(shè)計值要比同樣直徑的沉管灌注樁、鉆孔灌注樁和人工挖孔樁高。

b.應用范圍廣：PHC管樁是由側(cè)阻力和端阻力共同承受上部荷載，可選擇強風化巖層、全風化巖層、堅硬的黏土層或密實的砂層等多種土質(zhì)作為持力層，且對持力層起伏變化大的地質(zhì)條件適應性強，廣泛應用于高層建筑以及工業(yè)與民用建筑低承臺樁基礎(chǔ)，鐵路、公路與橋梁、港口、水利、市政、碼頭等工程基礎(chǔ)[10]。

c.沉樁質(zhì)量可靠：PHC管樁是工廠化、專業(yè)化、標準化生產(chǎn)，樁身質(zhì)量可靠，在生產(chǎn)過程中可有效控制樁體質(zhì)量；運輸?shù)跹b方便，接樁快捷；機械化施工程度高，易控制；在承載力、抗彎性能、抗拔性能上均易得到保證。

d.工程造價低：PHC管樁的單位承載力造價在諸多樁型中較低。

e.工期短：PHC管樁施工速度快、工效高、工期短，經(jīng)濟效益好。

經(jīng)過以上對比分析，本工程考慮采用素混凝土樁、高壓旋噴樁、預應力混凝土管樁等對涵閘地基基礎(chǔ)進行處理，各方案投資對比見表2。

表2 地基基礎(chǔ)處理方案投資對比

經(jīng)分析，素混凝土灌注樁存在投資大、鉆孔護壁困難、施工工期長等缺點；鋼筋混凝土灌注樁處理存在投資過高、工期過長等問題；CFG樁施工工藝要求高、受地下水影響因素大，質(zhì)量不可靠；高壓旋噴樁也存在投資大、施工質(zhì)量難以保證等缺點。預制混凝土管樁具有施工速度快、質(zhì)量與工期均能得到保證以及投資最少等優(yōu)點，因此老渠村涵閘地基采用預制混凝土管樁復合地基處理方案。

4.2 地基處理方案設(shè)計

4.2.1 承載力計算

PHC樁復合地基承載力特征值，應通過現(xiàn)場復合地基載荷試驗確定，設(shè)計時可按式(2)初步估算：

(2)

式中：fspk為復合地基承載力特征值,kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗取值，一般取0.8～1.0；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值,kN；Ap為樁的截面積,m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可取0.75～0.95；fsk為處理后樁間土承載力特征值,kPa，無經(jīng)驗時可取樁間土天然地基承載力特征值。

單樁豎向承載力特征值Ra，當無單樁載荷試驗資料時，可按式(3)估算：

(3)

式中：up為樁的周長,m；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力,kPa；li為樁長范圍第i層土的厚度,m；αp為樁端阻力發(fā)揮系數(shù)；qp為樁端阻力特征值,kPa。

4.2.2 地基處理措施

綜合考慮老渠村涵閘的施工質(zhì)量、進度及投資等因素，結(jié)合項目地質(zhì)條件、周圍環(huán)境及工期目標，經(jīng)反復討論論證，涵閘基礎(chǔ)處理采用預應力混凝土管樁加雙排水泥土攪拌樁聯(lián)合支護形式。先施工預應力混凝土管樁，之后再施工水泥攪拌樁圍封。受地下水位影響，施工過程對基坑進行降排水。地基處理方法如下：

a.閘基承載力不足的基礎(chǔ)處理。針對閘基礎(chǔ)承載力不足問題，老渠村涵閘閘室段采用(PHC樁)剛性樁復合地基方案：預應力混凝土管樁為AB型，壁厚0.125m，樁徑0.5m，樁長25m，正三角形布置，樁間距2.0m，樁頂設(shè)0.3m厚水泥土墊層。預應力混凝土管樁施工程序為：清理并平整場地→測量定位→樁機就位→錘擊沉樁→再錘擊→收錘。閘基地基處理方案平面設(shè)計布置見圖2。

圖2 水閘地基處理方案平面設(shè)計布置圖 (單位：m)

b.水閘地基地震液化處理。針對在地表15m深度范圍內(nèi)，地基土中壤土(黏粒含量小于17%)、砂壤土存在地震液化問題，考慮到工程為穿堤涵閘，不宜采用碎石樁、砂樁等常用的抗液化地基處理方案，應選擇與土結(jié)合緊密防滲性能好的方案，因此可選擇水泥攪拌樁或高壓旋噴樁等大面積處理或圍封方案，經(jīng)分析比較采用造價較低施工可靠的水泥攪拌樁圍封方案。水泥攪拌樁樁徑0.6m，樁間距0.4m，深度10m，雙排壁狀布置。施工工藝為：測量放線→樁機就位→下鉆噴漿→水泥漿制備→提升噴漿攪拌→重復下鉆噴漿→提升噴漿攪拌→攪拌機清洗移位。

c.基坑降排水。由于老渠村閘閘室基礎(chǔ)高程為54.29m，開挖最低高程至53.79m，地下水位為59.1m，為使土方開挖、基礎(chǔ)處理及后續(xù)混凝土澆筑在干地施工，施工過程采用人工方法降低地下水位。根據(jù)地質(zhì)資料，閘室基礎(chǔ)為砂壤土，滲透系數(shù)K為1×10-4cm/s，地下水位需要降低6m，根據(jù)各類井點排水適用的范圍，本工程基坑降水采用輕型井點法。采用以上布置方案對進行基礎(chǔ)加固處理，對復合地基載承載力進行復核，水閘地基的容許承載力值可從100kPa提高至245.0kPa，大于基底應力最大值221.45kPa，可滿足涵閘對地基承載力的要求，同時采用水泥攪拌樁圍封方案有效解決了水閘地基地震液化問題。

老渠村閘建成后，對閘室進行基礎(chǔ)沉降觀測，觀測數(shù)據(jù)顯示，采用預制混凝土管樁基礎(chǔ)加雙排水泥土攪拌樁聯(lián)合支護處理后，左右聯(lián)涵閘基礎(chǔ)沉降均勻，后期沉降趨于穩(wěn)定，效果良好。

5 結(jié) 語

水閘地質(zhì)條件是水閘建設(shè)成敗的一項重要因素。設(shè)計中應根據(jù)水閘地基的特點，考慮不同受力條件及各種工況，遵循安全、經(jīng)濟、合理的原則，通過對地質(zhì)條件深入分析及方案比較，最終選定最優(yōu)的處理方案。冬季施工或跨季施工，溫差較大，應采取冬季施工措施，水泥土攪拌樁施工過程應對拌和水加溫處理，并保證攪拌泵出機溫度和噴漿口溫度，對成品樁采取阻燃草墊防凍保溫等措施。PHC樁施工過程應控制接頭焊接質(zhì)量，必須經(jīng)常檢查樁機鋼絲繩的強度，對機械設(shè)備采取防凍防寒等措施。

本文以引黃入冀補淀工程老渠村涵閘地基處理為實例，對地基處理常用的處理方法進行比較，最終選定預應力混凝土管樁，預應力混凝土管樁(PHC樁)具有強度高、安全可靠、經(jīng)濟實用、施工便捷等優(yōu)點。

預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁兩種處理方法相互結(jié)合，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，有效節(jié)約工程投資。預應力混凝土管樁與水泥土攪拌樁圍封方案在引黃入冀補淀工程老渠村涵閘地基處理中的成功應用，較好地解決了目前黃河下游涵閘建設(shè)過程中存在的地基承載力不足、地基輕微液化等問題，大幅度提高了工程施工質(zhì)量和安全穩(wěn)定性，有效降低了工程施工材料成本支出和施工周期，為不同地質(zhì)條件下閘基地質(zhì)問題處理方案的選定提供了參考，具有較高的推廣價值。