复杂地质条件下闸基处理方案

2020-06-08沈家法汤璐

科技与创新 2020年10期

关键词：压缩性水闸淤泥

沈家法，汤璐

复杂地质条件下闸基处理方案

沈家法，汤璐

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司，上海 200439）

水闸被广泛应用在水利工程中，地质条件是水闸建设成败的一项重要因素，地质条件的千差万别决定了水闸地基处理的复杂多样。阐述了水闸复杂地基处理的工程应用实例，为不同地质条件下闸基地质问题的处理提供参考。

水闸；地基处理；复杂地质；闸基处理方案

1 前言

水闸在水利工程中有着广泛的应用，地质条件是水闸建设成败的一项重要因素，地质条件的千差万别决定了水闸地基处理的复杂多样性。水闸地基问题主要分为承载力不足问题和渗漏问题。承载力不足即软土地基问题常用的处理方法有垫层法、沉井基础、深层搅拌法、高压喷射注浆法、刚性桩基础等；渗漏问题常用的处理方法有增加防渗长度和增设防渗墙等。根据水闸地基的特点，并结合不同受力条件，遵循安全、经济、合理的原则，通过对地质条件深入分析，经多方案比较最终选定其中一种或多种方式组合的处理方案。本文通过对某水闸复杂地基处理的工程应用实例阐述，为不同地质条件下闸基地质问题处理方案的选定提供参考。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

某水闸主要功能是节制支河河水，抬高上游水位，维持湖区生态水位，形成湿地水面；在汛期可以通过调度水闸，拦蓄上游来水，分担干河洪水，改善区域防洪排涝状况。根据水闸布置，闸室与船闸下闸首并联布置。闸室顺水流向长15 m，总宽78.9 m，闸孔为7孔，单孔净宽8 m。根据闸室尺寸结构和受力条件，分为三联，右岸空箱+船闸下闸首+ 1孔水闸为一联，中间3孔水闸为一联，左岸空箱+左侧2孔水闸为一联。

2.2 工程地质

素填土①-2：主要由粉质黏土组成，可塑状，中等偏高压缩性土，承载力低，不能作为主要建筑物的基础持力层，可以作为场内道路路基的基础持力层。

淤泥②-1：流塑状态，高压缩性，地基承载力低，不能作为水闸、翼墙及临时建筑物的基础持力层。

淤泥质土②-2：软塑状态，主要分布在河床，厚度为4～6 m，层位稳定，高压缩性，地基承载力低，工程地质条件差，不能直接作为水闸、翼墙及临时建筑物的基础持力层。

砂砾石层③-5：稍密状，含卵石，属低压缩性土，承载力较高，工程性能较好，可作水闸、翼墙及临时建筑物的基础持力层或稳定下卧层。

含砾粉质黏土④-1：硬可塑状态，含10%～30%卵砾石，属中等偏低压缩性土层，承载力高，可作为翼墙、管理房屋的基础持力层。

强风化砾岩：强度较高，层位较稳定，承载力高，可视为不可压缩层，可作为水闸、翼墙等主要建筑物的基础持力层或良好下卧层，但溶洞发育，需注意溶洞对基础的影响。

中风化砾岩：埋藏较深，视为不可压缩层，承载力高，可作为水闸、翼墙、消力池等主要建筑物的基础持力层或稳定下卧层，但属于可溶岩，局部发育溶洞。作为桩基持力层时，需注意溶洞对其的不利影响，桩端应穿过溶洞进入稳定地层。

3 存在的主要工程地质问题

3.1 软土地基不均匀变形问题

河床上部为冲湖积淤泥、淤泥质土②-2，厚度为4～6 m，均匀性较差，属高压缩性土层，地基承载力低，作为闸基持力层，存在变形与不均匀变形问题。

3.2 渗透及渗透变形问题

河底主要分布着冲湖积淤泥、淤泥质土②-2，局部夹砂层或粉土夹层或透镜体，水平和垂直渗透性差异较大，水平渗透系数为×10-3～×10-4cm/s，属于中等透水性，垂直向渗透系数为×10-5～×10-6cm/s，属弱微透水层。钻孔揭露，该层在河床中厚度为4～6 m，虽铺满整个河床，但水平向属于中等透水性，且该层具有高压缩性，易与闸底板脱落。

3.3 岩溶问题

工程区可溶岩主要为白垩系-下第三系浅灰色砾岩，埋藏深度为10～25 m，属于深覆盖型岩溶地基。钻孔揭露溶洞洞径为1.5～7 m。钻孔见洞隙率为35%，线岩溶率为7.5%，岩溶中等发育。

从发育层位看，主要发育于强风化地层中，从发育高程看，主要为两层，上层主要分布在高程2～7 m，下层主要分布在高程﹣6～﹣2 m，钻孔揭露最深为﹣10.8 m。闸基底板开挖高程15～16.5 m，距离上层溶洞8～9 m（DZK24钻孔），初步判断规模较大的溶洞产生塌落对闸基存在不利影响。

3.4 基坑涌水问题

河床覆盖层结构为上部淤泥质土②-2，厚度为4～6 m，局部夹粉细砂或粉土夹层，土层多呈软塑状态，水平、垂直渗透性差异较大。而工程区位于横沟河河道内，地表水丰富，基坑开挖后易沿粉土、粉细砂夹层产生涌水涌砂现象，甚至导致边坡失稳。

4 地基处理方案选择

根据建筑物和地基的特点，并结合不同受力条件，遵循安全、经济、合理原则，对建筑物结构类型和地质条件进行综合分析，对地基处理的设计方案进行比较。

软土地基常用的处理方法有垫层法、沉井基础、深层搅拌法、高压喷射注浆法、刚性桩基础等。

垫层法：挖除浅部软弱土层，填以抗剪强度高、压缩性低的天然或人工材料形成垫层，以提高地基承载力、减小沉降量，适用于厚度不大的软土地基，垫层厚度不超过4 m。本水闸闸室底板底高程为15.00 m，其下淤泥层仍有3 m左右厚，虽可以挖除换填，但淤泥层以下为砂砾石层，不满足闸基渗流稳定要求，仍需进一步采取防渗处理措施；另一方面，闸基以下淤泥为软塑，流动性较大，不易挖除，且土方量较大，本设计方案不推荐采用此类处理方式。

沉井基础：沉井基础是在闸室设计底板底面高程上先进行分节浇筑，然后挖去井内的土方，借井体自重克服井壁摩阻力下沉，因此沉井浇筑高度应根据地基土质条件和要求控制的下沉速度等因素确定。沉井基础除与桩基础作用相同外，对防止地基渗透变形有利，但施工麻烦，且投资较大，该处理方式适用于深厚软弱基础，且开挖施工困难的工程，施工工艺复杂，不均匀沉降控制困难，本工程基底软弱层厚度不大，且闸门型式同步要求高，对闸基沉降要求较为严格，因此，该方案在本工程中不具备优势，不推荐采用。

深层搅拌法：是用于加固饱和软土地基的一种方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质复合地基。采用该法加固地基可提高地基允许承载力，减少地基沉降量，并能提高抗振动液化能力。该法具有投资小、施工进度快、振动小、无噪声和基本无污染等优点，但搅拌桩基本不能承受水平力，并且对施工设计及质量要求较高。该方法较适用于淤泥质土、黏土及粉质黏土等土质。

高压喷射注浆法：利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至预定土层位置后，用高压设备使浆液或水以压力为20 MPa左右的高压流从喷嘴中喷出，破坏周围土体，同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土体中形成固结体。近年来，高压喷射注浆法加固技术发展较快，理论加固深度可达30～60 m，该法施工工艺成熟，施工机械较小，在淤泥质土上搭建打桩机械不困难，施工快捷简单。

刚性桩基础：刚性桩基础适用于较深厚的松软地基，尤其适用于上部为松软土层、下部为硬土层的地基，可以增加地基承载力，减少沉降量，提高抗滑稳定性。刚性桩基础是一种成熟的地基处理方法，实践经验较多，加固效果较好。刚性桩基础中预制钢筋砼方桩、钻孔灌注桩和PHC管桩为常用桩型。考虑到预制钢筋砼方桩和PHC管桩的打设机械较大，且桩端插入砂砾石层较难打入，承载水平剪力的能力也不如钻孔灌注桩，因此，选用钻孔灌注桩作为承载力桩较为合理。

综上所述，本设计方案选择深层搅拌桩和钻孔灌注桩。闸室上游侧设置钻孔咬合桩进行防渗，桩径Φ1 000 mm，桩间距为800 mm，桩间咬合200 mm，桩长约10 m。钻孔咬合桩后侧增设φ700@500双轴搅拌桩联排桩，联合布置，以增强防渗效果。同时为减少投资、满足地基承载力要求，闸室底部格栅式布置φ700@500双轴搅拌桩，顺水流向间距4.4 m，垂直水流向间距4.7 m，每个格栅孔中心增加一根双轴搅拌桩。闸底板下部局部桩基布置如图1所示。钻孔咬合桩施工顺序如图2所示。