郭玉濤，李潤(rùn)杰，黃智超

(1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司,湖北 宜昌 443002;2.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

任何水工建筑物都是建造在一定的地層上的,承受建筑物荷載的地層稱為地基,當(dāng)天然地基承載力不滿足要求或最大沉降量或最大沉降差達(dá)不到要求時(shí),應(yīng)采取措施進(jìn)行地基處理。水利工程常用的幾種地基處理方法有:換土(砂)地基、鉆孔灌注樁、預(yù)制樁、水泥攪拌樁、高壓噴射灌漿、水泥粉煤灰碎石樁、強(qiáng)夯法、沉井、排水固結(jié)法、加筋法等[1-3],但是這些地基處理的方法均有其地層適用的局限性,同時(shí)功效低、成本高。本文通過(guò)漢江雅口航運(yùn)樞紐工程地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì),引進(jìn)了建筑業(yè)常用的長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁地基處理技術(shù),取得了良好的工程效果,為水利工程地基處理施工提供了新方法,同時(shí)也為各種工程項(xiàng)目之間相互借鑒施工技術(shù)提供了思路。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

雅口航運(yùn)樞紐位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市下游15.7 km處,上距丹江口水利樞紐203 km,下距河口446 km,是漢江干流湖北省內(nèi)梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第6級(jí),其上下游分別與崔家營(yíng)梯級(jí)和碾盤(pán)山梯級(jí)銜接,距上游崔家營(yíng)梯級(jí)約52.67 km,距下游碾盤(pán)山梯級(jí)約59.38 km。樞紐正常蓄水位55.22 m,相應(yīng)庫(kù)容3.37億m3,裝機(jī)容量75 MW,航道等級(jí)為Ⅲ(2)級(jí),設(shè)計(jì)通航船舶噸級(jí)為1 000 t。主要建筑物包括船閘、泄水閘、發(fā)電廠房、土石壩、壩頂交通橋、魚(yú)道等工程。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以航運(yùn)為主,結(jié)合發(fā)電,兼顧灌溉、旅游等綜合利用效益[4]。

1.2 工程地質(zhì)

壩址區(qū)河谷開(kāi)闊,呈淺“U”形,河床寬淺,地形上左岸為河漫灘,其后緣接基巖岸坡,岸坡頂部為Ⅱ級(jí)階地;右岸為Ⅰ級(jí)階地,宜西堤位于Ⅰ級(jí)階地?；鶐r為新近系掇刀石組黏土巖夾泥灰?guī)r、粉(細(xì))砂巖、砂礫巖透鏡體,成巖程度差、屬極軟類(lèi)巖石。河床覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積堆積物,主要由砂卵礫石組成,堆積韻律呈上細(xì)下粗的總趨勢(shì)[5]。

1.3 建筑物建基面情況

1)泄水閘閘室及船閘部分導(dǎo)航墻基礎(chǔ)坐落于覆蓋層的砂礫石層上,局部分布有粉細(xì)砂夾層,工程性質(zhì)較差,根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算,泄水閘閘室最大地基應(yīng)力為300 kPa,最大沉降量19.9 cm;船閘部分導(dǎo)航墻最大地基應(yīng)力為360 kPa,最大沉降量15.5 cm。天然地基不能滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》及《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]對(duì)建筑物正常運(yùn)用要求,需通過(guò)地基處理方式以提高地基承載力并減少地基沉降。

2)安裝場(chǎng)和魚(yú)道工程坐落在回填料上,不滿足建筑物承載力要求,需進(jìn)行地基處理。

2 建筑物地基處理原設(shè)計(jì)方案

2.1 碎石樁地基處理

泄水閘閘室、岸墻和翼墻均采用碎石樁復(fù)合地基處理方案,碎石樁樁徑0.8 m,間距2.0 m～2.4 m,樁長(zhǎng)約8 m～12 m,碎石樁樁頂設(shè)置30 cm砂石褥墊層,褥墊層上層鋪設(shè)10 cm厚C15混凝土墊層,墊層超出基礎(chǔ)外緣1 m。級(jí)配砂石墊層中砂與碎石體積比為2∶1,最大粒徑不超過(guò)20 mm。

2.2 PHC樁地基處理

1)船閘上游導(dǎo)航墻Ⅰ型(主、輔),下游導(dǎo)航墻Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型(主、輔),下游靠船墩基礎(chǔ)處理采用PHC樁,樁基型號(hào)采用PHC-500(100)A-C80-6,樁徑0.5 m,樁間距為(1.5～2.0)m×(1.5～2.0)m,矩形布置樁,樁長(zhǎng)為7 m～10 m(下游Ⅱ,Ⅲ型),樁頂設(shè)置30 cm厚碎石墊層,碎石墊層上層鋪設(shè)10 cm厚C15混凝土墊層,墊層超出基礎(chǔ)外緣1 m。

2)仿生態(tài)魚(yú)道箱涵、擋墻及出口閘室基礎(chǔ)處理,工程魚(yú)道基礎(chǔ)處理均采用PHC樁,樁基型號(hào)采用 PHC-500(100)A-C80-6,樁徑0.5 m,樁間距1.5 m×2 m,矩形布置,樁長(zhǎng)8 m,樁頂設(shè)置30 cm厚水泥砂褥墊層。水泥砂褥墊層水泥摻量不小于10%,攤鋪后采用平板振搗器振搗密實(shí),夯填度大于0.87,壓實(shí)度不低于0.9,滲透系數(shù)不大于10-5cm/s。

2.3 高壓旋噴樁地基處理

電站安裝場(chǎng)建基面以下采用高壓旋噴樁加固,旋噴樁直徑1.1 m,樁距、排距均為2.0 m,呈梅花形布置,樁體深入基巖2 m,樁頂設(shè)置30 cm厚水泥砂褥墊層。

3 地基處理優(yōu)化過(guò)程

3.1 碎石樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

由于泄水閘建基面最先處理完成的,因此針對(duì)泄水閘原地基處理設(shè)計(jì)方案,現(xiàn)場(chǎng)分別進(jìn)行了φ600 mm和φ800 mm沉管碎石樁試驗(yàn)及φ800 mm 振沖碎石樁試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在試驗(yàn)場(chǎng)地標(biāo)高以下約6 m處,φ800 mm沉管碎石樁及φ800 mm振沖碎石樁沉管困難,φ600 mm沉管碎石樁采用鋼靴后較為艱難穿透夾層到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高,試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備電纜明顯發(fā)熱,鋼靴受損嚴(yán)重且試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng),原設(shè)計(jì)施工方案在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)施。

3.2 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

結(jié)合碎石樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際情況,創(chuàng)造性的提出了長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁地基處理方案,并補(bǔ)充了長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁地基處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目,長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁φ60 cm,樁體材料采用C15混凝土。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),14根φ60 cm樁成樁過(guò)程順利,孔深11.35 m～12.50 m,入巖56 cm～90 cm,樁體平均充盈系數(shù)1.055,單孔成樁平均耗時(shí)24 min或46 min。樁基檢測(cè)表明,樁身完整性符合Ⅰ類(lèi)樁要求,單樁承載力特征值1 020 kN,大于設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值850 kN;復(fù)合地基承載力在1.2倍極限承載力作用下沉降為9.67 mm,小于建筑物沉降允許值5 cm。

長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁試驗(yàn)效果良好,施工速度較快,能夠滿足泄水閘地基處理設(shè)計(jì)所需達(dá)到的設(shè)計(jì)參數(shù),同時(shí)可以保證工程質(zhì)量及工期進(jìn)度要求。

3.3 地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì)

長(zhǎng)螺旋鉆孔反饋出來(lái)的土層結(jié)構(gòu)與地勘資料基本吻合,砂礫石層上部粒徑較小,下部粒徑較大,底部局部會(huì)有超過(guò)20 cm大塊粒徑,考慮到靜壓PHC樁遇到下部大粒徑砂時(shí),礫石很難打入且PHC樁會(huì)有損壞,可能出現(xiàn)斷樁,無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求;同時(shí)結(jié)合整個(gè)樞紐各建筑物地基處理方案的多樣性、地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及工期節(jié)點(diǎn)要求,盡可能統(tǒng)一樞紐區(qū)建筑物地基處理方案,提出對(duì)泄水閘、船閘、電站安裝場(chǎng)、過(guò)魚(yú)設(shè)施地基處理方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并且新增了電站尾水渠右擋墻及二期混凝土縱向圍堰地基處理方案,統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計(jì)為長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁復(fù)合地基處理方案。

地基處理方案確定后,召開(kāi)了專(zhuān)家咨詢會(huì)進(jìn)行評(píng)估確認(rèn),與會(huì)專(zhuān)家和各方代表根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的三種地基處理方案試驗(yàn)和長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁單樁承載力及復(fù)合地基承載力試驗(yàn)成果,同意采用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁復(fù)合地基處理方案。

4 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁地基處理方案

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝簡(jiǎn)介

長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁技術(shù)是采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高,然后利用混凝土泵將流態(tài)混凝土從鉆頭底部活門(mén)壓入孔內(nèi),邊壓灌混凝土邊提升鉆頭直至設(shè)計(jì)樁頂高程以上50 cm處為止的一種新型樁基礎(chǔ)施工工藝[7-8]。

4.2 各部位優(yōu)化方案

1)泄水閘閘室、岸墻和翼墻樁間距2.4 m,梅花形布置,樁長(zhǎng)約7.5 m～13.5 m,樁底至基巖面,樁頂設(shè)置水泥砂褥墊層,厚度為30 cm,墊層超出基礎(chǔ)外緣1 m。水泥砂褥墊層水泥摻量不小于10%,攤鋪后采用平板振搗器振搗密實(shí),夯填度大于0.87,壓實(shí)度不低于0.9,滲透系數(shù)不大于10-5cm/s。

2)船閘上游導(dǎo)航墻Ⅰ型(主、輔),下游導(dǎo)航墻Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型(主、輔),下游靠船墩樁間距(2.0～3.0)m×(2.0～2.4)m,矩形布置,樁底入基巖面,樁長(zhǎng)約8 m～17.5 m,樁頂設(shè)置30 cm厚碎石褥墊層,褥墊層上層鋪設(shè)10 cm厚C15混凝土墊層。級(jí)配砂石墊層中砂與碎石體積比為2∶1,最大粒徑不超過(guò)20 mm。

3)電站安裝場(chǎng)樁間距2.4 m,矩形布置,樁底深入至細(xì)砂巖巖面以下0.5 m,樁長(zhǎng)約15.5 m,樁頂設(shè)置30 cm厚水泥砂褥墊層。

4)仿生態(tài)魚(yú)道箱涵、擋墻及出口閘室,工程魚(yú)道均采用樁間距2 m,矩形布置,樁底深入至砂礫石以下1 m,樁長(zhǎng)約8 m～12 m樁頂設(shè)置30 cm厚水泥砂褥墊層。

5)電站尾水渠右擋墻樁間距(1.5～2.2)m×(2.0～2.2)m,矩形布置,樁底深入至砂礫石層,樁長(zhǎng)6 m～8 m,樁頂設(shè)置30 cm厚水泥砂褥墊層。

6)二期混凝土縱向圍堰樁間距2.4 m,矩形布置,樁底至基巖面,樁長(zhǎng)約10.0 m～10.2 m,樁頂設(shè)置30 cm厚水泥砂褥墊層。

5 地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì)驗(yàn)算

5.1 計(jì)算方法

1)單樁承載力特征值:《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》[9]要求剛性樁的豎向抗壓承載力特征值應(yīng)通過(guò)單樁豎向抗壓荷載試驗(yàn)確定,此處取現(xiàn)場(chǎng)地基處理試驗(yàn)過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2)復(fù)合地基承載力特征值:根據(jù)規(guī)范中復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式5.2.1-2,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將公式優(yōu)化為式(1):

(1)

其中,fsk為樁間土承載力特征值,kPa;m為復(fù)合地基置換率;Ra為樁體豎向承載力特征值,kN;Aa為樁體橫截面積,m2;λ為樁間土承載力發(fā)揮度,取值0.9。

3)復(fù)合地基沉降計(jì)算:根據(jù)規(guī)范復(fù)合地基的沉降由墊層壓縮變形量、加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量(s1)、加固區(qū)下臥土層壓縮變形量(s2)組成。其中墊層壓縮變形量較小,且在施工期已基本完成,可忽略不計(jì),本項(xiàng)目復(fù)合地基樁體長(zhǎng)度入巖,為剛性樁,故加固區(qū)下臥土層的壓縮變形量也不考慮,因此本項(xiàng)目復(fù)合地基沉降只為加固區(qū)的變形量s1,即s=s1。剛性復(fù)合地基沉降參照規(guī)范計(jì)算公式5.3.2-3,公式如式(2)所示:

(2)

其中,Q為剛性樁樁頂附加荷載,kN;l為剛性樁樁長(zhǎng),mm;Ep為樁體壓縮模量,kPa;Ap為單樁截面積,m2;Ψp為剛性樁樁體壓縮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

5.2 計(jì)算成果

根據(jù)優(yōu)化后的地基處理方案進(jìn)行復(fù)合地基承載力及沉降計(jì)算,計(jì)算成果如表1所示,結(jié)果表明優(yōu)化后的地基處理方案均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 地基處理優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算成果表

6 長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁地基處理優(yōu)點(diǎn)

6.1 工藝優(yōu)點(diǎn)

1)施工效率高:新型的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)是多功能工程鉆機(jī)設(shè)備,整體成樁的機(jī)械化程度高可360°回轉(zhuǎn),移動(dòng)靈活,定位迅捷精準(zhǔn),動(dòng)力大,操作簡(jiǎn)單,成孔迅速;在雅口航運(yùn)樞紐地基處理過(guò)程中,單孔最快成樁時(shí)間為15 min左右,每臺(tái)樁基每天可成樁40根～50根。

2)承載力高:本工程長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁樁底深入基巖面,地基處理后屬于剛性樁復(fù)合地基,樁體強(qiáng)度和摩阻力共同發(fā)揮作用,可以很好的發(fā)揮樁體和樁間土的承載效應(yīng)。雅口一期泄水閘地基處理完成后,分別檢測(cè)了4個(gè)點(diǎn)的復(fù)合地基承載力,按規(guī)范要求2倍的設(shè)計(jì)承載力進(jìn)行加載,在最大承載力的作用下,復(fù)合地基最大沉降為16.22 mm,小于建筑物允許沉降值3 cm,滿足建筑物沉降要求。

3)環(huán)保性能好:長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁為干作業(yè)成樁,通過(guò)長(zhǎng)螺旋鉆具的螺旋刀片切削土體向上運(yùn)送到孔外,排土成樁,不需要泥漿護(hù)壁,所以成樁過(guò)程中沒(méi)有泥漿污染,低噪聲,低振動(dòng),擠土效應(yīng)小,對(duì)鄰近的構(gòu)筑物基礎(chǔ)無(wú)不良影響。

4)經(jīng)濟(jì)效益高:長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁成樁速度快,承載力高,樁徑變化范圍大,適用范圍廣,綜合成本與其他水利工程地基處理樁型相比較為低廉,有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6.2 實(shí)際應(yīng)用效果良好

泄水閘、船閘、電站安裝場(chǎng)主要通過(guò)基巖變位計(jì)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),過(guò)魚(yú)設(shè)施、電站尾水右擋墻、二期混凝土縱向圍堰主要通過(guò)頂部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)各部位沉降均勻,運(yùn)行情況良好,具體情況如下:

1)泄水閘各部位基礎(chǔ)沉降較為穩(wěn)定并逐漸趨緩,屬于均勻沉降,但尚未完全收斂;最大沉降位于15聯(lián)中墩,沉降量為12.13 mm(15聯(lián)中墩較其他閘墩尺寸,上部負(fù)荷更大)。一期、二期泄水閘分別于2019年12月、2022年7月開(kāi)始有水運(yùn)行,截止目前泄水閘各部位運(yùn)行情況良好。

2)船閘上閘首和閘室9號(hào)底板部位的基礎(chǔ)沉降收斂較快,基本趨于穩(wěn)定,2021年汛期對(duì)上閘首的基礎(chǔ)沉降收斂過(guò)程有小幅擾動(dòng)。2019年12月船閘開(kāi)始試通航,截止目前已累計(jì)服務(wù)船舶1 500余艘。

3)電站安裝場(chǎng)基礎(chǔ)沉降基本收斂,變形以沉降為主,各部位沉降較為均勻。電站安裝場(chǎng)于2021年9月份開(kāi)始進(jìn)行機(jī)組拼裝及安裝工作,截止目前所有機(jī)組已經(jīng)全部安裝完成,運(yùn)行情況良好。

4)仿生態(tài)魚(yú)道、工程魚(yú)道于2021年12月全部施工完成,由于下游碾盤(pán)山水利水電樞紐工程蓄水水位暫未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,一直未投入使用,但是根據(jù)位移觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可知其沉降較為均勻,無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。

5)電站尾水右擋墻、二期混凝土縱向圍堰于2019年12月開(kāi)始有水運(yùn)行,根據(jù)位移觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可知其沉降較為均勻,無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。

6.3 推廣應(yīng)用至其他工程

長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁復(fù)合地基在雅口航運(yùn)樞紐工程中取得的良好效果,為其他水利工程的地基處理施工提供了參考,目前已知參考雅口工程應(yīng)用長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁復(fù)合地基的水利水電工程項(xiàng)目有湖北省碾盤(pán)山水利水電樞紐工程、湖南省株洲航電樞紐(空洲水電站)擴(kuò)機(jī)工程,而且都取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)漢江雅口航運(yùn)樞紐工程地基處理試驗(yàn)情況,引進(jìn)了建筑業(yè)常用的長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁地基處理技術(shù),取得了良好的工程效果,相較于傳統(tǒng)的水利工程地基處理方式,其具有施工效率高、承載力高、環(huán)保性能好、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)。可以預(yù)見(jiàn),在不久的將來(lái),長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁地基處理技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用一定會(huì)引起多方面的重視。