曹娥江大閘樞紐工程多元軟土地基處理設(shè)計(jì)

王 軍 陳 舟 李健民 涂成杰

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 杭州 310002)

1 工程概況

曹娥江大閘樞紐工程位于浙江省紹興市，錢塘江下游右岸主要支流曹娥江河口，距紹興市約30km。浙江省曹娥江大閘樞紐工程是國(guó)家批準(zhǔn)實(shí)施的重大水利項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)建設(shè)的第一河口大閘，是浙江省“五大百億”工程—浙東引水工程的配水樞紐。本工程為大（1）型水閘，I 等工程，防洪擋潮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計(jì)泄洪流量為11030m3/s。工程建設(shè)任務(wù)為防潮（洪）、治澇、水資源開(kāi)發(fā)利用、兼顧改善水環(huán)境和航運(yùn)等綜合利用。

沿海地區(qū)河口的擋潮泄洪閘大多建在軟土地基上，一般都需要解決基礎(chǔ)承載力、地基變形、基礎(chǔ)防滲等一系列問(wèn)題，基礎(chǔ)處理難度大，占工程投資比重大。總投資12.52億元的曹娥江大閘地基為多元的軟土結(jié)構(gòu)，表層約16m為振動(dòng)液化的砂質(zhì)粉土，中部約40m為高壓縮性的淤泥質(zhì)黏土，在距建基面約55m 以下為密實(shí)粉土、砂礫層直至基巖。曹娥江大閘由擋潮泄洪閘、堵壩、導(dǎo)流堤等建筑物組成，其基礎(chǔ)存在著穩(wěn)定、變形、滲漏、防沖和地震液化等一系列問(wèn)題。基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)關(guān)系到該工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工進(jìn)度。

2 基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

2.1 PHC 管樁基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)

閘底板基礎(chǔ)為Ⅱ0土層，地基承載力設(shè)計(jì)值為100kPa，基礎(chǔ)最小平均應(yīng)力值為104.4kPa，地基承載力達(dá)不到要求，因此需要采取措施提高地基承載力。若閘基不處理，閘室最終沉降量為63cm，遠(yuǎn)超出規(guī)范要求的最終沉降量不宜超過(guò)15cm 的規(guī)定，因此需要采取深基礎(chǔ)處理措施控制沉降量。

經(jīng)分析比較，確定采用投資省、施工進(jìn)度快的PHC 管樁（外徑80cm，管壁厚11cm）解決承載力、穩(wěn)定及變形的問(wèn)題。通過(guò)單樁水平靜載荷試驗(yàn)和單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)，本工程地基土的臨界荷載取為225kN，水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=5.9MN/m4，水平力影響深度在11.94m 以內(nèi)，樁身最大彎矩出現(xiàn)在水平推力點(diǎn)下3.5m 處。不同樁長(zhǎng)（20、50、64m）對(duì)水平承載力的成果無(wú)直接影響。樁長(zhǎng)64m 單樁豎向極限承載力為13500kN，樁長(zhǎng)50m 單樁極限承載力為9900kN。

閘底板基礎(chǔ)采用長(zhǎng)短樁結(jié)合布置，長(zhǎng)樁承擔(dān)全部垂直荷載，長(zhǎng)樁和短樁共同承擔(dān)水平向荷載。通過(guò)分析閘底板壓應(yīng)力分布及各樁的軸力及位移，優(yōu)化樁基布置，盡量使長(zhǎng)樁布置在豎向荷載大的部位，短樁分散布置在荷載較小的部位。這樣可以減小閘底板豎向變形，繼而保證大閘結(jié)構(gòu)安全。大閘共設(shè)28 孔閘，每孔閘底板平面尺寸為24m×26m，底板底高程-3.0m，每塊底板基礎(chǔ)布置56 根PHC 管樁，間距3.65m，排距3.08m，其中長(zhǎng)樁40 根，短樁16 根，樁頂高程-2.9m。長(zhǎng)樁樁尖需伸入Ⅴ層土（密實(shí)粉砂）不小于1.6m，樁長(zhǎng)55～65m，短樁樁長(zhǎng)15m。PHC 管樁平面及縱剖面圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 PHC 樁平面布置圖

圖2 PHC 樁剖面圖

表1為2005年8月水平承載力試驗(yàn)成果，驗(yàn)證了樁的單樁水平承載力，表明承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

表2為PHC 管樁檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值對(duì)照表，通過(guò)對(duì)表1、表2 測(cè)試結(jié)果分析可得出：（1）樁基實(shí)測(cè)豎向承載力與設(shè)計(jì)相比，有較大余度；（2）實(shí)測(cè)得出的地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值與設(shè)計(jì)采用值相比，有一定的余度；（3）長(zhǎng)樁與短樁水平承載力無(wú)差別，樁頂自由時(shí)，零彎矩位置約處于13.5m 以內(nèi)，樁頂有閘底板約束時(shí)，零彎矩位置將會(huì)抬高。

表1 單樁水平承載力匯總表

表2 PHC 管樁檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值對(duì)照表

通過(guò)沉降點(diǎn)觀測(cè)，閘室段最大沉降值為11.53cm；最小沉降值為8.96cm。從實(shí)測(cè)沉降過(guò)程線分析，沉降整體趨勢(shì)越來(lái)越緩，沉降值變幅變小，相鄰閘室相對(duì)沉降差很小，建筑物逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 不加料振沖擠密法處理

場(chǎng)地地震烈度為6 度，設(shè)計(jì)地震烈度為7 度。經(jīng)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)進(jìn)行計(jì)算判別，抗震設(shè)防烈度為7 度時(shí)，地基表層約15m 厚度范圍的砂質(zhì)粉土層為可能液化土層，需要進(jìn)行抗液化處理。

經(jīng)不加料的振沖擠密法消除砂質(zhì)粉土地震液化效應(yīng)試驗(yàn)，振沖擠密試驗(yàn)前、后，砂質(zhì)粉土平均濕密度從 1.74g/cm3提高到 1.91～1.95g/cm3；平均干密度從 1.41g/cm3提高到1.53～1.57g/cm3；平均孔隙比從0.907（稍密）提高到0.715～0.759（中密－密實(shí)）；承載力標(biāo)準(zhǔn)值從110～120kPa 提高到170～180kPa，效果明顯。振沖前、后的e～p 曲線見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 振沖擠密前Ⅱ0 層e-p 曲線

圖4 振沖擠密后Ⅱ0 層e-p 曲線

振沖擠密處理范圍為左右岸連接壩基礎(chǔ)、閘底板、翼墻、分隔墩樁間土、上游混凝土護(hù)坦、下游消力池底板基礎(chǔ)。處理深度為8～18m。處理要求振沖擠密處理后砂質(zhì)粉土表層3～5m 深度范圍標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)不小于12 擊，5～12m深度范圍標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)12～18 擊。

2.3 薄壁防滲墻設(shè)計(jì)

根據(jù)SL265－2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》初判滲徑要大于 70.4m，而閘底板順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度只有26m，不滿足規(guī)范要求。因此需要采取措施延長(zhǎng)滲徑長(zhǎng)度，使地基土層滲透坡降滿足要求。閘底板上、下游防滲墻采用厚30cm 的薄型混凝土防滲墻，墻底伸入Ⅲ1土層2m，防滲墻平均深度16m，成墻面積23200m2。大閘閘基防滲范圍見(jiàn)圖5。

圖5 閘底防滲示意圖

由于Ⅲ1、Ⅲ2層為欠固結(jié)土層，在其自重固結(jié)作用下Ⅲ1、Ⅲ2層會(huì)發(fā)生沉降，由此將可能會(huì)引起閘底板與地基土層的脫空。為預(yù)防閘底板脫空給大閘防滲帶來(lái)危害，除保證兩道防滲墻與閘底板連接可靠外，在閘底板下部埋設(shè)土壓力計(jì)和測(cè)縫計(jì)，以監(jiān)測(cè)脫空情況。如監(jiān)測(cè)出脫空時(shí)，利用預(yù)先埋設(shè)在閘底板內(nèi)部的灌漿管向閘底板底部灌水泥黏土漿。

2.4 水平與垂直防沖措施設(shè)計(jì)

地基表層約15m 厚度范圍內(nèi)的砂質(zhì)粉土層極易沖刷，大閘處在曹娥江與錢塘江的交叉口，閘下游既受到過(guò)閘水流的沖刷，又受到錢塘江洪水及涌潮的沖刷，此外，閘附近上游江道和導(dǎo)流堤頭部亦受到水流的沖刷，這些部位均需要進(jìn)行抗沖刷處理，否則將會(huì)嚴(yán)重威脅到大閘主體和堤防的安全。

閘上游防沖結(jié)構(gòu)布置在閘前河道束窄段，順?biāo)鏖L(zhǎng)369m，從上游至下游布置有上游拋石防沖槽、防沖小沉井、混凝土灌砌塊石護(hù)底、混凝土護(hù)坦。閘下游防沖結(jié)構(gòu)布置在左岸堤防與右岸導(dǎo)流堤之間，順?biāo)鏖L(zhǎng)113m，從上游至下游布置有混凝土消力池、混凝土海漫、預(yù)制鋼筋混凝土防沖板樁、高性能混凝土灌砌塊石海漫、混凝土防沖大沉井和下游拋石防沖槽。在海漫和防沖槽之間設(shè)置防沖大沉井起“鎖墻”作用，保護(hù)海漫下游端不被下泄洪水和潮水沖刷破壞。沉井下沉完畢后，在空格內(nèi)回填砂質(zhì)粉土。閘下游防沖槽及下游堤防堤腳拋石頂層保護(hù)采用錦綸現(xiàn)澆混凝土柔性防沖排。

3 結(jié)論

曹娥江河口寬達(dá) 1600m，處在強(qiáng)涌潮河口段，潮水的含沙量高，河床易沖易淤。舉世聞名錢江涌潮的存在，使工程的設(shè)計(jì)施工條件更為復(fù)雜。建筑物地基土層的上部為可液化的砂質(zhì)粉土，下部為高壓縮性的淤泥質(zhì)黏土，基礎(chǔ)處理措施既要解決基礎(chǔ)承載力及沉降過(guò)大的問(wèn)題，又要解決防滲和抗液化問(wèn)題，還有抗沖刷問(wèn)題。從解決這些問(wèn)題入手，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和分析論證，確定了本工程的基礎(chǔ)處理方案，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

曹娥江大閘樞紐工程通過(guò)采用先進(jìn)的基礎(chǔ)處理技術(shù)，解決了基礎(chǔ)承載力、地基變形、地震液化、基礎(chǔ)防滲等難題，降低了綜合造價(jià)，加快了施工進(jìn)度，取得了良好的處理效果。本工程首次在大型水閘基礎(chǔ)處理工程中采用大直徑、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁（PHC 管樁），長(zhǎng)短樁結(jié)合的設(shè)計(jì)。利用長(zhǎng)樁承擔(dān)垂直向荷載，長(zhǎng)樁和短樁共同承擔(dān)水平向荷載，這是水閘設(shè)計(jì)方面的一項(xiàng)創(chuàng)新。采用先進(jìn)的振沖防液化技術(shù)提高了地基土的密實(shí)度，消除了地震液化。本工程基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)具有獨(dú)到的創(chuàng)新性，取得了理想的處理效果，節(jié)省了工程投資縮短了工期，為河口地區(qū)大跨度水閘設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。曹娥江大閘樞紐工程建成并投入運(yùn)行兩年多來(lái)，經(jīng)歷了2009年“莫拉克”臺(tái)風(fēng)等洪水的考驗(yàn)，目前工程運(yùn)行情況良好，已取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。浙江省內(nèi)一些水閘基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)已經(jīng)采用了本工程有關(guān)設(shè)計(jì)的方法和相關(guān)工程措施，應(yīng)用前景廣泛。

1 浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院.浙江省曹娥江大閘樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告(報(bào)批稿) [R]，2005.

2 國(guó)家電力公司華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、杭州華東工程檢測(cè)技術(shù)有限公司.曹娥江大閘樞紐工程單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)、單樁水平靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告[R]，2004.