张太俊

(枣庄市水利勘测设计院，山东 枣庄 277100)

1 概述

“十三五”时期，山东省实施225座大中型病险水闸除险加固工程，进一步完善全省水利工程体系。除险加固水闸的基础设计和地基处理方案是整个水闸安全运行的关键。本文以枣庄市境内4座有代表性的病险水闸除险加固工程为应用实例，结合鲁南中低山—丘陵区的地质构造，进一步总结水闸工程基础设计和地基处理方案，可为类似地质条件下的水闸工程提供设计参考。

2 水闸工程概况

2.1 工程概况

2.1.1西大楼闸工程概况

西大楼闸工程位于峄城大沙河税郭支流下游，工程主要功能为蓄水灌溉涵养地下水，水闸由上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段、下游连接段组成。闸墩顶部设排架及启闭机房，下游侧设生产桥，闸室两侧设桥头堡。闸室段共设5孔，单孔净宽10m，闸室总宽度58m，闸室顺水流方向14.5m；闸底板为C30钢筋混凝土结构，采用分离式大小底板布置，底板顶高程为47.50m，闸墩下部为大底板厚1.5m，小底板厚1.0m；闸墩为C30钢筋混凝土结构，中墩厚1.4m，边墩顶厚1.2m，墩顶高程53.30m。

2.1.2卞庄闸工程概况

卞庄闸是城河辛庄支流下游重要的拦蓄工程，工程主要功能为蓄水灌溉涵养地下水，水闸由闸室段、两岸连接段、消力池段组成。闸墩顶部设排架及启闭机房，下游侧设生产桥，闸室两侧设桥头堡。闸室段共设3孔，单孔净宽为8m，闸孔总净宽24m，闸室总宽度28.4m，闸室顺水流方向长10.0m；闸底板为C30钢筋混凝土结构，顶高程为109.0m，闸室分2联对称布置，中孔底板分缝，单侧底板厚1.0m，单侧底板宽14.2m，单侧底板顺水流方向长10.0m；底板上部设C30钢筋混凝土折线溢流堰，堰顶宽2.0m，堰顶高程111.2m，上游铅直面，下游坡比1∶3；闸墩为C30钢筋混凝土结构，中墩厚1.2m，边墩厚1.0m，墩顶高程116.0m。

2.1.3晁村闸工程概况

晁村闸位于陶沟河下游，工程主要功能为蓄水灌溉涵养地下水，水闸由上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段、下游连接段组成，闸墩顶部设排架及启闭机房，下游侧设生产桥，闸室两侧设桥头堡。闸室共设6孔，单孔净宽6.0m，闸室总宽度43.2m，闸室顺水流方向长17.0m；闸底板为C30钢筋混凝土结构，顶高程为28.10m，分缝型式为闸墩分缝，3孔一联，共2联，单联底板宽21.6m，底板厚1.0m，底板顺水流方向长17.0m；闸墩为C30钢筋混凝土结构，中墩厚1.0m，缝墩厚0.8m，边墩顶厚0.8m，边墩底厚1.2m，墩顶高程32.75m。

2.1.4贾庄闸工程概况

贾庄闸原工程由闸室、上部结构、上下游连接段等部分组成，顺水流方向长117.5m，闸室为钢筋混凝土整体结构，共3孔，单孔净宽10.0m，闸底板高程37.50m，驼峰堰顶高程38.00m，闸墩顶高程49.80m。闸室左岸设桥头堡，右岸设检修门库。贾庄闸除险加固主要工程内容是水闸原址加固，工程总体布置基本维持现状不变，保留闸室段下部结构、铺盖、消力池、上下游翼墙、上下游护坡；改建闸室上部结构、检修桥、交通桥、海漫、门库；新建消力池延长段、防冲槽；改建左岸桥头堡；维修管理设施；加固闸室底板、闸墩、铺盖、上下游两侧翼墙、消力池表层混凝土；维修更换部分管理设施，增设监测设施。

2.2 工程地质

2.2.1西大楼闸工程地质

西大楼闸建基面高程为45.90m，场地类型为灰岩及含砂壤土，建基面下持力层主要为厚层灰岩，仅闸基左端部分为含砂壤土，含砂壤土平均厚度1.35m。

2.2.2卞庄闸工程地质

卞庄闸底板大部分位于断裂破碎带内，闸基存在渗漏问题。场地地层岩性为白云质灰岩、角砾岩。白云质灰岩为较硬岩，岩体完整，岩体基本质量等级为Ⅱ；角砾岩为较硬岩，方解石脉极发育，岩体破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ类。场区第④层白云质灰岩、⑤层角砾岩为持力层，其地基承载力特征值分别为1200kPa、800kPa，下伏层工程地质性质较好，没有软弱下卧层，仅有数个小规模黏性土充填，埋深较深。

2.2.3晁村闸工程地质

晁村闸建基面高程为27.00m，场地土依据其工程特征判定属中硬场地土，场地类别为Ⅱ类。场区第①层回填土和第②层壤土为持力层。①层回填土位于建基面以下部分厚度0.5～1.6m，其地基承载力偏低；②层壤土地基承载力特征值为120kPa，其下伏③层姜石黏土；③层含砂姜石黏土厚度较大，没有软弱下卧层，具有弱膨胀性。

2.2.4贾庄闸工程地质

场区揭露地层除河床表层分布的第四系全新统沼泽堆积的淤泥外，主要有第四系全新统冲洪积堆积的壤土、上更新统冲洪积堆积的壤土、黏土和中粗砂等，下伏基岩为古生界奥陶系下统马家沟组灰岩。第③层中粗砂(Q3alp)特征：黄褐色，中密，饱和，含细粒土约5%～10%，砂颗粒主要成分石英、长石，分选性差，级配不良，含少量小径砾石。该层分布连续，层厚为9.50～13.10m，层底高程为23.43～26.15m。

3 基础设计和地基处理方案

3.1 西大楼闸

3.1.1基础设计

位于岩基上的水闸基础可以按墩台式矩形基础进行设计，其基底应力应小于地基承载力。西大楼闸采用分离式底板，底板间斜搭接缝，闸墩下部为大底板，厚1.5m，宽7.4m，顺水流长14.5m；闸墩中间为小底板，厚1.0m，宽4.0m，顺水流长14.5m。经计算，西大楼闸基底应力均小于地基允许承载力。

3.1.2地基处理方案

由于西大楼闸仅闸基左端部分为1.35m厚含砂壤土，含砂壤土与灰岩的压缩性差别极大，易产生不均匀沉降。西大楼闸地基处理采用挖填换置法，换填C30埋石混凝土，设计埋石率为20%。

3.2 卞庄闸

3.2.1基础设计

卞庄闸基础位于岩基上，按平底板式筏形基础进行设计，其基础采用分离式底板，底板分2联对称布置，中孔底板分缝，底板厚1.0m，单联闸底板宽14.2m，顺水流方向长10.0m。经计算，卞庄闸基底应力均小于地基允许承载力。

3.2.2地基处理方案

根据卞庄闸工程地质，设计对断层带内基础进行固结灌浆，对地基岩溶内黏性土清洗后回填C25素混凝土。固结灌浆孔梅花形布置，孔间排距3.0m×3.0m，灌浆孔深入岩5m，设计灌浆压力0.2～0.5MPa，如图1所示。固结灌浆采用有盖重灌浆。施工前，应查明灌浆区内底板预埋的止水片、钢筋等布设位置。固结灌浆孔位放样与其发生矛盾时，应适当调整固结灌浆孔位或孔向。工程灌浆孔选用风钻钻进。灌浆材料一般采用纯水泥浆，水泥标号不低于R42.5号普通硅酸盐水泥，初始浆液浓度5∶1起灌，然后逐渐加浓；固结灌浆可在基础混凝土底板浇筑完成后相应部位的混凝土强度达到75%的设计强度后进行；地基固结灌浆先导钻孔总进深32.5m，普通孔总进深592m，灌浆657m。

图1 卞庄闸基础固结灌浆图

3.3 晁村闸

3.3.1基础设计

位于土基上的晁村闸基础设按平板式筏形基础进行设计，分离式闸底板厚1.0m，单联宽21.6m，顺水流方向长17m。经计算，晁村闸基底应力均小于地基允许承载力。

3.3.2地基处理方案

晁村闸地基土具有地基承载力低和弱膨胀性的特点，对①层回填土全部挖出后，采用水泥土换填方案加固地基，水泥土换基厚2.0m，水泥掺入量按重量比为6%。另外由于水闸原基础且已运行多年，经现场勘察地基并未出现膨胀变形问题，本次对③层姜石黏土不再进行地基处理。

3.4 贾庄闸

3.4.1基础设计

依据贾庄闸除险加固方案，位于土基上的贾庄闸门库基础按平板式筏形基础进行设计，底板厚1.2m，宽12.5m，顺水流方向长7.4m。经计算，贾庄闸基底应力大于地基允许承载力，需对地基进行处理。

3.4.2地基处理方案

(1)闸室地基处理

贾庄闸原设计对闸基下部的中粗砂进行换填，换填为埋石混凝土，埋石混凝土换填深度2.2m，下部仍存在9～10m厚度的中粗砂。贾庄闸目前运行多年，经现场勘查未出现基础承载力不足问题，其基础沉降已趋于稳定。工程改建后，相对于现状闸室结构，闸室、排架柱、机架桥等上部荷载的变化较小，经计算闸室在各工况下的基底应力均不超过160kPa，均小于中粗砂层天然地基承载力特征值180kPa，地基承载力满足规范要求。故不再对闸室下部地基进行处理。

(2)门库地基处理

为避免新老建筑物不均匀沉降和解决门库基底应力大于承载力的问题，设计采用水泥土搅拌桩对门库地基进行处理，水泥掺量不小于15%，水泥土强度不小于1.80MPa，水泥土搅拌桩桩径0.6m，桩间距为1.2m，桩长7.0m。根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》中的公式进行承载力计算，经计算门库地基面积置换率0.327，单桩承载力为141kN，复合地基承载力特征值为260kPa，相比于天然地基，承载力特征值得到显著提高，满足门库基础承载力要求。

各水闸基底应力计算结果见表1。

表1 水闸基底应力计算

4 结论

本文总结归纳了含部分土层的岩基水闸、有断层破碎带和岩溶发育的岩基水闸、有软弱层的土基水闸和含承载力不足的中粗砂地基水闸的基础设计和地基处理方案。目前工程均已通过竣工验收，且4座水闸现状运行良好。实践证明，采用挖出换填埋石混凝土或水泥土可以解决沉降不均匀和承载力不足等地基问题；采用固结灌浆可以同时解决断层破碎带、岩溶发育等地质缺陷和渗流问题；采用水泥土搅拌桩可以解决中粗砂层等承载力不足地质问题。