花園湖退洪閘地基處理設計與效果分析

劉美義，馬東亮，鐘恒昌，王東棟

(中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

花園湖退洪閘位于淮河干流花園湖行洪區下口門處，與花園湖進洪閘、行洪區共同組成行洪通道，以滿足花園湖分淮河洪水3500m3/s的設計要求。該閘設計擋水位淮河側20.24m，湖區側14m，共27孔，每孔凈寬12m，總凈寬324m，閘底板頂高程14m。閘室采用分離式底板結構，大底板寬6.3m，小底板寬7.46m，順水流方向長18m。工程為Ⅱ等大(二)型，閘室及岸、翼墻等主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級。設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為100年一遇。閘區地震動峰值加速度為0.15g，相應地震基本烈度為7度，按照7度抗震設防。

2 地質條件及地基問題

2.1 場地巖土工程地質條件

根據勘探資料，閘底板以下勘探深度內揭露地層為：

②層輕粉質砂壤土(Q4al)：黃色，稍濕，呈軟可塑狀態或稍密狀態，夾中粉質砂壤土和細砂，區內廣泛分布，層底高程5.35～12.08m，層厚3m左右。

③層輕粉質夾砂壤土(Q4al)：灰色，濕，軟塑或松散狀態，局部流塑狀態，夾有淤泥或淤泥透鏡體，巖性較雜，夾層、互層及層厚無規律，同層現場標貫試驗離散性較大。層底高程為1.85～8.40m，層厚為4.5m。

③-1淤泥質重粉質壤土(Q4al)，灰、灰褐色，軟至流塑狀態，夾有輕粉質壤土、粉土薄層，層底高程-3.26～7.69m，層厚3～5m。

⑤粉質黏土(Q3al)，灰色，呈可塑狀態，局部夾有輕粉質壤土層。層底高程-8.15～4.20m，閘址區分布廣泛，層厚1～2m。

⑥-1層中粉質壤土(Q3al)，灰色，軟塑狀態，夾輕粉質土，該層為⑤層重粉質壤土漸變為砂壤土或細砂層的過渡層，自上而下，粉土、砂土的含量漸增多。層底高程-9.70～0.44m，厚度為3～7m。

⑥-2層細砂或砂壤土(Q3al)，灰色，飽和，稍密至中密狀態，局部夾有輕粉質砂壤土，層底高程-10.88～-2.55m。

⑧層中粉質壤土(Q2al)，黃色，夾粗砂、粉土層，局部分布，層厚較薄，層底高程-10.30～6.20m。

⑩層含礫中粗砂層(Q2al)，以中粗砂為主，局部為細砂和碎石，中密至密實狀態，局部分布，層底高程-13.18～-10.27m，層厚1～4m。

閘基各層土物理力學參數及水文參數見表1。

2.2 地基存在的問題

閘底板底高程12.20m，閘基存在以下問題：

(1)地基土易發生滲流變形。閘底板坐在砂壤土，滲透系數A×10-4cm/s，允許水力比降為0.20～0.35。閘基地層在上下游水頭作用下易發生流土型滲透破壞。

(2)地基土層強度不滿足設計承載力要求。閘室大底板、岸墻壓應力約為170kPa，遠超過持力層及下臥層地基承載力允許值，天然地基承載力不滿足設計要求。

(3)地基土易發生地震液化。郯廬斷裂帶從閘址區附近通過，場區為抗震不利地段，場地類別為Ⅲ類。閘基②、③層平均液化指數6.3～19，屬中等～嚴重液化；③-1層淤泥質壤土IP=1.0>0.75，N63.5=2.3≤4擊，具有震陷的可能性。

3 地基處理設計

本閘存在以下特點：工程閘室段長，工程量大，合理的結構布置和地基處理形式具有顯著的經濟效益；閘室采用分離式底板，地基處理設計方案既要兼顧上部結構的協同受力，又要考慮地基容易發生滲透破壞和地震液化的特點。閘室大底板既要承受豎向承載力，還需要承擔較大水平力。設計提出水泥土攪拌樁復合地基+防滲墻、排水固結預壓+防滲墻、鋼筋混凝土灌注樁+圍封、水泥粉煤灰碎石樁+防滲墻、沉井基礎5個方案進行比選。各方案優缺點和可比投資見表2。

綜合考慮上部結構布置、防滲防液化處理效

表1 閘基各層土物理力學參數及水文參數

表2 地基處理設計方案技術經濟比選

表3 閘室段防液化圍封墻設計方案比選

圖1 閘基滲流計算成果(有截滲墻)

果、地質條件的適應性等，閘室地基處理采用灌注樁基礎(大底板)+CFG樁(小底板)+圍封方案。

灌注樁進入全風化巖石層0.5m，豎向承載力按照端承樁設計。但由于閘基土體密度密實度低、土體顆粒間黏結力小，飽和砂土在地震慣性力作用下發生液化而失去側向抗力，灌注樁不能承擔水平力，同時地震作用下產生的孔隙水壓力不能及時消散易造成地基噴砂冒水現象，因此對閘基進行圍封成為防止砂土層液化變形的優先方法。另外，閘基砂壤土容易產生滲流變形，防滲設施采用鋪蓋和垂直防滲墻(圍封墻)相結合的布置形式。閘室段防液化圍封墻設計方案比選見表3。

閘室大底板和岸墻基礎既要豎向承載力大，還需要承擔較大水平力，即每塊大底板下布置12根直徑1.1m灌注樁，每側岸墻下布置20根直徑1.1m灌注樁，樁端嵌入全風化巖石0.50m；小底板下采用21根CFG樁，樁端進入⑥-2層1.0m。振動沉模板墻板樁厚度20cm，深度11.50m，墻體進入非液化土層1.0m。

4 效果分析

對閘室段灌注樁抽檢單樁豎向極限承載力檢測值為5800kN，其特征值取2900kN，大于設計單樁豎向承載力特征值2300kN；單樁水平極限承載力檢測值為546kN，單樁水平力承載力特征值大于270kN。檢測結果顯示灌注樁基礎滿足設計要求。抽檢6根樁進行低應變完整性檢測，檢測顯示樁底諧振峰排列基本等間距，檢測波形分析閘室樁基判定為Ⅰ類樁，樁身完整，為優質樁。

按照設計擋水工況對有閘基設置圍封墻后采用河海大學土木工程學院工程力學系研究所研制的“AutoBANK-水工結構有限元分析系統”進行。滲流計算流網及水力坡降數值圖詳如圖1所示。

計算結果為水平段滲流坡降值0.05，小于允許值0.15；出口滲流坡降值0.15，小于允許值0.3，閘基圍封后有效降低了滲流坡降。由此可見，砂性土地基水平防滲體必須與垂直防滲體結合使用才能取得最佳效果。振動沉模板墻開挖后進行檢查，發現板墻連續、墻面平整、厚度均勻、無接縫、無斷板和縱橫向開叉缺陷，完整性好。通過現場試驗和取樣室內試塊檢測，試驗結果見表4，結果顯示各項指標均滿足設計要求。

地震液化圍封效果可采用場地地震液化數值模型分析或實驗室模擬地震試驗法驗證，由于這些試驗技術復雜和工程費用較高，本工程未開展相關研究工作，根據類似工程經驗，本工程采用樁基礎+混凝土板墻圍封能夠滿足閘基抗液化要求。

表4 混凝土振動沉模板墻設計參數與檢測值對比

5 結語

本閘地層由砂壤土、淤泥、細砂等多層地基組成，這種互層地基呈現出水利工程地基設計的復雜特點。設計過程中抓住了地基抗液化這一矛盾的主要方面，兼顧防滲、地基變形等問題的次要方面，確定了閘室大底板灌注柱深基礎、閘室小底板CFG樁+防液化圍封的地基處理設計方案。振動沉模防滲板墻施工運用大功率、高頻率振動錘將H形空腹鋼模板振動沉入土體至設計深度，對地基振動干擾小，適應了本閘地基特點；灌注樁、CFG樁施工漿液壓力低，不影響振動沉模施工質量。工序安排上灌注樁、振動沉模從閘室兩端分別進站施工，CFG在兩工藝間隙施工，三種施工工序合理安排，減少了互相干擾，縮短了施工導流工期。目前水閘已建成擋水，工程運行情況良好。