黃莊洼分洪閘地質勘察分析

王艷軍

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

黃莊洼分洪閘位于天津市寶坻區黃莊鄉與林亭口鎮交界處，處于潮白新河左大堤。該閘設計為7孔，每孔寬7 m，由鋪蓋、閘室、消力池、海漫、防沖槽等組成，為大（2）型工程。通過本期工程地質勘察工作，查明了閘基水文地質、工程地質條件，為設計提供了可靠的依據。

1 地質概況

1.1 地形地貌

工程區位于燕山山前平原與濱海平原結合部，地勢平坦、開闊，地面高程0.90～1.30 m，潮白河左大堤堤頂高程8.18～8.20 m。

1.2 地層巖性

本工程區內發育有較厚的第四系松散沉積物。工程區鉆孔揭露范圍內的地層巖性主要有第四系全新統人工堆積（rQ）素填土，第四系全新統上組沖積（a1Q43）黏土、壤土，第四系全新統中組淺海相沉積（mQ42）黏土、壤土、砂壤土、粉砂，第四系全新統下組沖積（a1Q41）黏土、壤土、砂壤土、粉砂，第四系上更新統第五組沖積（a1Q3e）壤土、粉砂，第四系上更新統第四組濱海—潮汐帶相沉積（mcQ3d）壤土。

1.3 地質構造與地震

（1）地質構造。該工程位于一級構造單元華北準地臺，二級構造單元燕山臺褶帶，三級構造單元薊寶隆褶，四級構造單元寶坻凹褶內。根據《天津市臨近地區地震構造及震中分布圖》，近場區未發現較大地質構造。

工程區北部為寶坻斷裂、寧河—寶坻斷裂，南部為里自沽斷裂、牛蹄河斷裂，西部為王草莊斷裂、趙聰莊斷裂，東部為潘莊斷裂。以上個別斷裂雖然在晚第三紀至第四紀有活動跡象，但因規模小、與水閘相距較遠，對水閘無控制作用。

（2）地震。新中國成立以來，本區發生達到或超過5.0度的中強地震有：1976年7月寧河6.2級地震，1976年8月寶坻5.1級地震，1976年11月寧河6.9級地震，1976年12月寶坻5.5級地震，1977年5月寧河6.2級地震。這些地震有的在少數地方產生了破壞，大多數地方表現為有感或強有感。近10年來，本區發生的有感地震主要有：1992年寧河4.9 級地震，1993年寶坻4.4級地震，1998年寶坻3.8級地震，2000年薊縣3.1級地震，2001年武清3.1級地震，2002年寧河4.7級地震以及2003年寧河4.1級地震、4.3 級地震、3.8 級地震、寶坻3.4 級地震等。遭遇強震波及而有感達到或超過5.0度的地震有：1966年3月22日河北省邢臺7.2 級地震，1967年3月27日河北省河間6.3級地震，1969年7月18日渤海7.4級地震，1976年7月28日河北省唐山7.8 級大地震。另外，還有一些4、5級的地震，也對本區產生了較明顯的震感，如1973年12月31日河北省河間5.3 級地震、1991年5月30日唐山的5.2級地震、1995年10月6日唐山的5.0級地震等。

區內不具備發生強震的活動性構造，但應注意周邊臨近地區發生強震而波及到本區對水閘所產生的影響。

根據中國地震局制定、國家質量技術監督局發布的《中國地震動參數區劃圖》（GB18306－2001）劃分，該區地震動峰值加速度為0.15 g，地震動反應譜特征周期為0.40 s，相當于地震基本烈度Ⅶ度區。

根據場地工程地質條件，按《建筑抗震設計規范》（GB50011－2001）劃分，擬建場地屬對建筑抗震不利地段。依據《建筑抗震設計規范》（GB50011－2001）相關規定計算得出擬建場地現狀地面下20 m深度范圍內地層的等效剪切波速值（Vse）為144.9～150.1 m/s，為中軟場地土；等效剪切波速值（Vse）大于140 m/s，小于250 m/s，且覆蓋層厚度大于50 m，場地類別為Ⅲ類。由前述兩項條件判別擬建工程區的場地類別為Ⅲ類。

1.4 水文地質條件

工程區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，年均氣溫11.2 ℃，1月平均氣溫-5.7 ℃，7月平均氣溫26 ℃。年均降水量690 mm，主要集中于7、8、9月，約占全年的70%，無霜期約190 d。

工程區地下水均為第四系孔隙潛水，主要賦存于第四系黏性土層、砂類土層中。地下水主要接受河水的滲漏補給、大氣降水的垂直入滲補給以及區域性地下水的側向補給；地下水主要以向下游徑流、地面蒸發及農業用水等方式排泄。

地下水動態主要受區域地下水控制，并受河水及臨近地區地下水開采程度影響。勘察期間，地下水位為-0.02～0.10 m。

據室內土的滲透試驗可知，各土層豎向滲透系數一般在10-8～10-4cm/s，屬中等—極微透水層。

勘察期間，取地表水、地下水水樣各2組進行水化學分析，結果顯示：①地表水對普通水泥具結晶類硫酸鹽型弱腐蝕性，地下水對普通水泥具結晶類硫酸鹽型強腐蝕性。②在干濕交替作用下地下水對鋼筋混凝土結構中鋼筋具中等—強腐蝕性；地表水對鋼筋混凝土結構中鋼筋具弱—中等腐蝕性。地下水對鋼結構具中等腐蝕性；地表水對鋼結構具弱—中等腐蝕性。

1.5 物理地質現象

本工程區無不良物理地質現象，標準凍土深度0.6 m。

2 工程地質條件及評價

2.1 地質結構

根據鉆孔揭露，工程區地質結構為黏砂多層結構。根據地層時代、巖性及空間分布特征，將工程區地層劃分為9 個工程地質層。現由上至下分述如下。

（1）第四系全新統人工堆積（rQ）。為潮白河左大堤堤身素填土，土質不均，含植物根系、白灰渣，厚度4.7～5.2 m。

素填土（①）：以褐黃色為主，色雜，干—稍濕，硬塑—可塑，巖性為壤土。

（2）第四系全新統上組沖積（a1Q43）。巖性為黏土、壤土，含姜石、銹斑及有機質。層底高程-0.32～0.20 m，層厚2.8～3.8 m。

黏土（②-1）：灰綠色—灰黃色，稍濕—濕，硬塑—可塑，含姜石，呈透鏡體狀分布。具中—高壓縮性、極微透水性，標貫實測擊數11擊。

壤土（②-2）：灰黃色，濕，可塑，局部為硬塑，呈層狀分布。具中壓縮性、極微透水性，標貫實測擊數9擊。

（3）第四系全新統中組淺海相沉積（mQ42）。巖性為黏土、壤土，富含有機質，可見貝殼碎片。層底高程-12.02～-11.70 m，層厚11.7～11.9 m。

黏土（③-1）：灰色，飽和，軟塑—可塑，呈層狀分布，土質不均。具中—高壓縮性、極微透水性，標貫實測擊數6—7擊。

壤土（③-2）：灰色，飽和，軟塑為主，局部流塑、可塑，呈層狀分布，局部呈透鏡體狀分布。具中壓縮性、極微透水性，標貫實測擊數6—8擊。

（4）第四系全新統下組沖積（a1Q41）。巖性為壤土，含姜石、銹染。層底高程-18.80～-18.62 m，層厚6.6～7.1 m。

壤土（④-2）：褐黃色，飽和，可塑，土質較均一，呈層狀分布。具中壓縮性、微透水性。

（5）第四系上更新統第五組沖積（a1Q3e）。巖性為壤土、粉砂。層底高程-29.00～-28.82 m，層厚10.2 m。

壤土（⑤-1）：黃灰色，飽和，硬塑—可塑，土質不均，呈透鏡體狀分布。

粉砂（⑤-2）：灰黃色，飽和，密實，砂質純凈，呈層狀分布。

（6）第四系上更新統第四組濱海—潮汐帶相沉積（mcQ3d）。巖性為壤土，富含云母、有機質及貝殼碎片。鉆孔未揭穿該層，最大揭露深度40 m。

壤土（⑥）：灰色，飽和，可塑，土質不均，呈層狀分布。

2.2 土體物理力學性質

為查明閘基土體的物理力學特征，勘察時采取原狀土樣進行了室內土工試驗，現場進行了標準貫入試驗，并對土體物理力學指標進行了數理統計。

根據土體物理力學指標統計成果及經驗值，提出閘基土體物理力學指標建議值，詳見表1—2。

表1 閘基土的物理性質指標建議值

表2 閘基土及樁基力學性質指標建議值

2.3 工程地質評價

（1）場區地面高程0.9～1.3 m，閘室底板設計高程為-2.43 m。閘室基礎坐落于第③-1工程地質層黏土、第③-2工程地質層壤土上，其承載力建議值分別為80、85 kPa。承載力偏低不能滿足設計要求，建議采用樁基，樁基力學指標建議值見表2。

（2）水閘基礎坐落于第③-1工程地質層黏土、第③-2工程地質層壤土上，基坑開挖深度3.33～3.73 m，應注意邊坡穩定問題。建議臨時開挖邊坡坡比1∶1.5。

（3）勘察期間地下水位為-0.02～0.10 m，基坑開挖受地下水影響，建議采取排水措施。

（4）閘基礎底面混凝土與黏土、壤土摩擦系數建議值（f）為0.20。

（5）本場區15 m深度范圍內不存在無黏性土及少黏性土，因此沒有土的地震液化問題。

3 實施中遇到的問題及剖析

3.1 問題概述

本工程進入施工階段以后，按慣例進行試樁。結果為沉降過大，樁基承載力不能滿足設計要求。為此，對該工程進行補充勘察，對已有的勘察成果作進一步復核。

補充勘察工作除原已采用的勘察技術及手段以外，增加了靜力觸探（雙橋）的原位測試方法，用于復核樁的極限側阻力值。此次補充勘察工作增加了閘基的勘察精度，復核并完善了閘基土的主要地質參數。

通過對補勘前后的資料進行對比發現，絕大多數參數沒有變化，經復核是合理的。此次修改完善的地質參數有兩處，具體為：③-1黏土層的極限側阻力值由原來的35 kPa下調為22 kPa，④-2壤土層的極限側阻力值由原來的55 kPa下調為45 kPa。

通過分析發現，由于③-1黏土層、④-2壤土層原極限側阻力建議值偏高，在經單樁豎向極限承載力計算并確定樁的尺寸時使樁徑偏小或樁長偏短，這是造成試樁失敗的根本原因。

3.2 問題剖析

如前所述，問題產生了，雖然通過補充勘察修正了關鍵地質參數，但原勘察過程在哪個環節出現錯誤了呢？

分析整個過程，從外業地質工作的勘探、取樣、原位測試，到室內試驗的顆分定名、各項物理力學指標的確定，再到內業資料整理等全套工作，無不遵照現行規程規范及質量管理體系文件進行，但地質參數值未能通過實踐的檢驗。本著搞清原因、避免再犯的原則，對問題進行了深入剖析。既然問題出在樁的極限側阻力值上，就從這個數值的獲得經過入手來分析原因。

確定樁的極限側阻力的依據是《建筑樁基技術規范》（JGJ94－2008），通過查表5.3.5-1 得到，查該表的基礎資料有2 個，即土的名稱和土的狀態。土的名稱通過顆分確定，經復核不存在問題。表中黏性土的狀態指標為液性指數，是通過界限含水率試驗得到，然后進行數理系統獲得液性指數的標準值，經復核該過程也不存在問題。既然基礎數據沒問題，通過《建筑樁基技術規范》查表得來的極限側阻力標準值也不應該有問題。但事實并非如此，地勘報告里提出的極限側阻力建議值沒能通過試樁的檢驗。

自查沒有找到問題所在，下一步擬求助于外部力量。眾所周知，巖土界泰斗高大釗教授通過網絡開辦有一個巖土工程疑難問題答疑專欄，在線解答巖土工作者提出的專業問題。此后，高教授整理并出版了《巖土工程勘察與設計》（巖土工程疑難問題答疑筆記整理之二），以便讓更多的業內人士從中受益。抱著試試看的心態，我翻開了這本厚達675 頁的著作，希望從中找到需要的答案。高教授在答復15.4.3條時指出：“規范已經非常明確地說明了這種查表的方法僅適用于初步設計，也就是說，施工圖設計應該根據試樁的結果來確定單樁承載力。……但也有試樁結果過低而造成工程事故的”。由此可見，本工程通過試樁來驗證參數的做法是正確的，否則將造成工程事故。

在答復15.3.5條時指出：“如果發現采用全國規范所提供的參數與地方的經驗不一致，則應特別需要謹慎處置，要尊重地方的經驗。由于巖土工程的地區性特別強，尤其是一些基于經驗的參數，與自然條件、地質條件有著密切的關系。如果地方有資料，有經驗，其針對性就比較強。因此在兩者的數值不一致時，我的意見是傾向于采用地方經驗”。依據該線索，我找到了天津市工程建設標準《巖土工程技術規范》（DB29-20-2000）。以該地方規范為依據，采用相同的基礎數據查表，結果為：③-1黏土層的極限側阻力標準值為21.8 kPa，④-2壤土層的極限側阻力標準值為38 kPa。與靜力觸探（雙橋）的結果接近，且更有保障。至此，問題得以解決。

4 啟示

（1）工程實踐中正確選用規程規范，對全國規范與地方規范對比使用，當兩者的結論不一致時應謹慎處置，尊重地方的經驗。

（2）通過查表的方法獲取極限側阻力標準值僅適用于初步設計，施工圖設計應該根據試樁的結果來確定單樁承載力，驗證參數的合理性，以達到挖掘潛力、節省資源或規避風險的目的。尤其像本文中提到的黃莊洼分洪閘為大（2）型水閘，如發生質量事故則損失慘重。

（3）為了能夠在初步設計階段獲得更加合理的樁基參數，建議在條件允許的情況下進行靜力觸探測試，與規范查表取得的地質參數相互驗證。這將使地質參數更趨于合理，同時能提高初步設計概算的精度，有利于投資控制，此外可增加后期試樁的成功概率，有利于進度控制。

[1]常士驃，張蘇民.工程地質手冊（第四版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2]高大釗.巖土工程勘察與設計（巖土工程疑難問題答疑筆記整理之二）［M］.北京：人民交通出版社，2010.

[3]JGJ94-2008，建筑樁基技術規范［S］.

[4]DB 29-20-2000，巖土工程技術規范［S］.

[5]GB50487-2008，水利水電工程地質勘察規范［S］.

[6]DB/T29-191-2009，天津市地基土層序劃分技術規程［S］.

[7]GB50011-2001，建筑抗震設計規范［S］.

[8]GB18306-2001，中國地震動參數區劃圖［S］.

[9]河北省水利水電勘測設計研究院.天津市黃莊洼分洪閘除險加固工程初步設計工程地質勘察報告［R］.天津：河北省水利水電勘測設計研究院，2011.