欧阳佩佩

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州510630）

1 工程概况

老八孔水闸是汕头市澄海区一八围的主要水闸。地处于整个澄海区的南边，被西溪、外砂河、东溪河、莲阳河和南海所环绕。一八围排水系统由三个主要排水道、北草沟排水道和五个排水闸组成。老八孔排水闸位于排水道出口莱芜，左岸与一八围堤南段相连。右岸与海堤的南龙垄段相连。老八孔水闸的主要功能是排水，最初的排水量的设计为119 m3/s，体量上为中型水闸，与周边的八一围海堤共同起到阻挡浪潮，防止潮水进入的功能。现在的老八孔排水闸主要由两个部分组成：始建于1954年的老的排水闸，由八个孔构成，位于整个水闸的左侧；另外一个是建于1974年的，新孔位于整个闸室的右边，每个孔的净宽度也由原来的1.9 m变成现在的2.5 m。项目扩展后，总共有13个孔。

根据工程地质报告，闸址区基础下地层主要有：②-1粉细砂层、②-2层为淤泥质土夹粉细砂层、③中砂、粘土质砂、④-1淤泥质土层，软塑、④-2粉质粘土层，可塑、④-3粉细砂层、④-4淤泥质土层。重建水闸各部分建基面高程为-3.9 m～-4.8 m，闸室底板、上下游护坦消力池、前后连接段翼墙直接位于②-2淤泥质土上。②-2主要为淤泥质土，层厚为9.1 m～13.6 m。水闸建基面的②-2淤泥质土承载力特征值为55 kPa～60 kPa，低于水闸最大基底应力115.17 kPa，必须进行地基处理。

2 方案介绍和比选

主要采用钻孔灌注桩、搅拌桩、预制砼管桩等混合地基处理方案来应对深厚层淤泥地基。本文根据此次项目工程的现实特点及设计的建筑物特点，以已经建筑好的项目为参考，选取两空一联闸段对以下三个方案进行对比和选择。

2.1 钻孔灌注桩方案

根据该工程事先的地质报告，参照本省的《建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-31-2003）与行业标准行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）等相关的标准规范，不同地层相关的桩基设计参数建议值参照表1。

表1 各层桩基设计参数建议值（灌注桩）

桩身配筋率大于等于0.65%的钻孔灌注桩单桩水平向承载力特征值按下列公式计算：

式中：RHa为单桩水平向承载力特征值；EI为桩身抗弯刚度，对于混凝土桩，EI=0.85E0I0；其中，I0为桩身换算截面惯性矩，对于圆形截面，I0=W0d/2；x0a为桩顶允许水平位移，取6 mm；vx为桩顶水平位移系数，考虑桩顶与底板嵌固作用，可查表，铰接时取2.441，固结时取0.94；α为桩水平变形系数；m为土的水平抗力系数，取4.0 MN/m4；b0为桩身计算宽度，对于圆型截面，b0＝0.9（1.5d+0.5）；I为桩截面惯性矩；E c为桩身材料的弹性模量，非预应力混凝土桩可采用混凝土弹性模量的0.85倍。

经计算，当采用Φ1000钻孔灌注桩，单桩承载力特征值和布桩方案如下：单桩竖向承载力设计值R=712 kN，单桩水平向承载力设计值R=103 kN，桩的数量由单桩水平向承载力确定，水闸基础布桩30根。桩距3.0 m×3.0 m，均布于底板下。单桩长度25 m，总长750 m。同时可结合其他工程措施发挥桩间土水平抗力降低桩数目。

2.2 水泥搅拌桩方案

在澄海地区，工程项目多选用水泥搅拌法，运用此方法针对软弱地基时应该需要注意以下几点：此方法仅仅适用于对于沉降要求不高的工程或者其他工程类临时项目；竖向承重搅拌桩的桩端进入相对硬层的长度大于软土底面的埋深；软土塑性指数小于或者等于22；根据室内水泥试块强度确定单桩承载力特征值时，强度折减系数取0.20～0.25；在整个混泥土中加入的水泥比例为15%～20%。

水泥搅拌桩复合地基承载力按以下计算公式计算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩底端横截面面积；β为桩间土承载力折减系数；fsk为处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

根据闸室稳定计算结果，水闸最大基底应力为115.17 kPa，最大平均应力为99.09 kPa。当搅拌桩桩径500 mm、桩长15 m、桩距按常规1.0 m，复合地基承载力特征值为111 kPa，大于最大平均应力99.09 kPa，其1.2倍大于最大基底应力，复合地基承载力满足规范要求。同时，计算得知水闸最终沉降量为65.2 cm。根据相关规范的规定，沉降量应当小于等于15 cm，故水泥搅拌桩方案处理后的闸室最终沉降量不满足规范要求。

2.3 预制砼管桩方案

根据该工程事先的地质报告，参照本温2.1节所提到的相关工程规范，不同地层相关的桩基设计参数建议值参照表2。

表2 各层桩基设计参数建议值（预制管桩）

经计算，当采用Φ500预制管桩，桩长25 m，为摩擦桩，单桩竖向承载力特征值计算值为R=256 kN，单桩水平向承载力计算值Ra=55 kN。考虑周边土体加固，闸室底板单桩竖向承载力特征值按1.2倍的计算值300 kN设计；空箱扶臂式挡墙单桩竖向承载力特征值按计算值取R=256 kN设计。

闸室及空箱扶臂式挡墙布管桩计算成果见表3。

表3 管桩计算成果

根据计算结果，闸室Φ500预制管桩布桩方案按表3操作就能够符合地基反力的标准，相邻位置的桩的沉降差距应该小于等于5 cm，最大的沉降的量小于等于15 cm，沉降满足要求。闸室基础布置如下：作为基底的边墩设计考虑范围为2.7 m，总共布置18根桩，沿着水流的方向布置，一共分为9排，沿着垂直水流方向一共布置两排，将9根桩布置在中间底板的位置，沿着水流的方向只需要布置一排；中墩布管桩27根，顺水流方向分9排布置，垂直水流方向分3排布置。闸室基础下预制管桩总桩数为198根。

为改善闸室基础上部淤泥质量，闸室中间底板按面积置换率取12%布置，每个水泥搅拌桩直径0.5 m，相邻桩之间间距1.0 m×1.5 m，水泥搅拌桩长度为15 m。空箱扶臂式挡墙布置96根管桩可满足地基反力的要求。

2.4 三种方案比选

根据本工程实际情况，水泥搅拌桩、混泥土钻孔灌注桩和预制混凝土管桩可以采用。根据类似工程经验，从闸基处理直接工程成本来看，第二种方式费用最高，预制混凝土管桩次之，水泥搅拌桩最低。三个方案相比，最后一种方案具有其他方案达不到的优势：施工简单，不容易沉降，工程进度迅速。但其施工设备比较沉重，施工过程中施工机械容易对已施工完成的管桩造成移位等影响，并且，在现实运用过程中容易出现不均匀沉降的问题，引起闸室脱空，两边连接堤沉降不均匀等问题。相比之下，第一种方案施工设备比较简单，但搅拌桩存在沉降过大、工期长、质量难以控制且成桩质量差、检测不易等缺点。混凝土钻孔灌注桩地基沉降量小，施工比较方便，成桩质量容易控制和检测。但同样存在与预制混泥土运用过程中沉降不均匀带来的问题。本次工程借鉴本地区莲阳桥闸闸基处理的成功经验，优先采用水泥搅拌桩复合地基处理技术上是可行并最经济，但由于该闸址区层下仍存在有深度的④-1层淤泥质土，老八孔排水闸地处8度地震区，该层在地震烈度8度区软土地震震陷估算值80 mm～150 mm，对上部闸室稳定影响较大；且经前面计算可知，当每个搅拌桩直径为500 mm、每个搅拌桩长度为15 m，相邻的桩间距为10 m，复合型的地基载荷力特征值为111 kPa时，承载力才能达到规范所要求的，最终沉降量为652 mm，远大于规范规定值150 mm，以上结果表明，水泥搅拌方案并不适用于本工程。混凝土钻孔灌注桩费用较高，预压法施工工期较长。经过分析，本次老八孔排水闸重建工程的闸室地基处理推荐采用预制混凝土管桩方案，为改善闸室基础上部淤泥质量，将直径为500 mm的水泥搅拌桩布置在面积置换率为12%的闸室中间的底板上，每个桩的间距为1.0 m×1.5 m；右岸连接段空箱扶臂式挡墙基础采用预制混凝土管桩进行处理。

为防止闸底脱空引起接触冲刷，闸上下游各设双排连体水泥搅拌桩，左右侧设单排连体水泥搅拌桩，每根水泥搅拌桩桩顶预设4根4 m长Ф20 mm钢筋，插入闸底板1 m；另外闸中墩上下游各设2个灌浆孔（缝墩和边墩设1个灌浆孔），灌浆孔采用Ф50 mm渡锌钢管，闸墩中间各设1个备用灌浆孔。

3 结语

水闸作为水利系统中的中枢结构，其结构稳定性和安全性非常重要，关系着水利区的防洪防涝安全，关系着某地区的工农业生产安全，牵涉了该地区所有人的生命财产保障。水闸整体的安全性和长久使用能否得到保障很大程度上取决于地基的质量。因此，水闸的基础处理方案的比较和选择不容忽视。因此，在特定项目的设计过程中，应根据项目的实际地质和环境比较地基处理方案，并选择最合适的方案进行实施。