淺談水下混凝土在流砂基礎處理上的應用

張成貴

(宣城市宣州區水利局，安徽 宣城 242000)

1 項目概況

東大圩是宣州區在南漪湖綜合治理時，封堵油榨河形成的，它是由原五星聯圩、朱橋聯圩和青草湖農場合并而成，位于宣州區東北部，保護五星鄉、朱橋鄉和國營青草湖農場，保護面積102.2 km2，受益總人口5.41萬人，耕地總面積4933.33 hm2。

東大圩呈長條形，南北長約20 km，東西寬約6 km，由水陽江、雙橋河、南漪湖、北山河、渾水河環繞合抱而成，四面環水。該圩區屬亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量充沛，季風顯著；雨量年際變化大，年內降水又集中在6—7月兩個月份，降水量時空分布不均。由于地處水陽江中游圩區，受到上游洪水和下游調蓄區(南漪湖)洪水頂托的共同影響。一般年份5—10月圩內集水無自排機會，極易形成內澇。為便于排灌工程管理，提高排澇效益，根據地形地勢特點，將東大圩劃分小港口、裕豐、楊家咀、楊灘、沙河口等五個排灌區，各排灌區間通過土堤和控制閘進行控制，來達到“高水高排，低水低排”的目的。五個排灌區自上世紀六十年代起共興建了21座泵站，為當地工農業生產和人民生活的改善發揮了巨大作用。由于大部分骨干泵站均建于20世紀60、70年代，設計標準低、設備老化、性能下降，內澇頻繁且損失嚴重，為恢復東大圩泵站的排澇抗災能力，該圩小港口一站、裕豐五站、沙河口三站三座較大規模的泵站列入《全國大型灌溉排水泵站更新改造規劃》。2016年省發改委對該項目初步設計進行了批復，同意小港口一站、裕豐五站、沙河口三站拆除重建。

沙河口三站位于原五星聯圩境內，五星聯圩屬于東大圩上半段，由水陽江干流、支流雙橋河和被封堵的油榨河包圍而成，行政區劃屬宣州區五星鄉和青草湖農場(部分)，保護總面積42.57 km2，總人口2.3萬人，耕地面積1973.33 hm2，其中水田1540.00 hm2。在灌溉排水泵站更新改造規劃時，將五星聯圩分為沙河口、楊灘、楊家咀三個排灌片區。由沙河口一、二、三站共同承擔著沙河口排灌片區排灌任務。沙河口三站批復設計3臺700ZLB-100立式軸流泵，配3臺YL355M-8型電動機，單機功率160 kW，設計總裝機480 kW，設計抽排流量為5.10 m3/s，自排流量為5.8 m3/s。

2 工程水文與地質

2.1 工程水文

水陽江發源于皖浙交界的天目山，是長江一級支流，干流河道總長度 273 km，流域面積 10 385 km2。宣城、新河莊水文站是水陽江干流上兩個主要控制站，控制流域面積分別為3410 km2和7594 km2。宣城水文站以上為水陽江上游，新河莊水文站以下為水陽江下游，兩站之間為水陽江中游，其間干流河道長度為31.40 km。沙河口三站位于水陽江右岸，處于水陽江中游，距離宣城水文站13.25 km。排灌主要受水陽江水位控制。當水陽江水位高于圩內水位時，采取抽排，當水陽江水位低于圩內水位時，采取自排[1]。

根據施工組織設計，施工期安排在11月—次年4月，施工導流標準選用重現期為5 a一遇，經水文分析：宣城站水位為13.66 m，新河莊水位為9.78 m，推算出沙河口三站泵站處水位為12.30 m。

2.2 工程地質

根據勘察成果，沙河口三站站址土層自上而下為：0層(Qs)：人工填土，層厚1.60～8.70 m，層底高程6.95～9.26 m；①層(Q4al)：重粉質壤土，層厚0.90～2.90 m，層底高程5.79～6.80 m；②層(Q4al)：淤泥質中粉質壤土，層厚1.70～3.10 m，層底高程3.16～4.42 m；③層(Q4al)：細砂，層厚1.40～2.90 m，層底高程0.99～2.80 m；④層(Q2al)：砂礫卵石，僅部分鉆孔鉆穿，揭露最大厚度4.40 m，最低層底高程-2.15 m；⑤層(K)：全～強風化泥質粉砂巖～泥巖，此層各孔均未揭穿，揭露最大厚度3.40 m，揭露最低層底高程-6.58 m。

3 工程布置

該站泵房設計為濕室型堤后式，為增強結構的整體性和抗震穩定性，減少結構不均勻沉降，將主、副廠房布置在一個分縫段上(即為一個底板)。主泵房內安裝有3臺700ZLB-100 立式軸流泵，配3臺YL355M-8型電動機，單機功率160 kW，長13.00 m，寬7.00 m，右側設檢修間。主泵房出水側設壓力水箱，壓力水箱底層為自排、自灌引水通道，上層為抽排水流通道；壓力水箱末端與控制段連接。壓力水箱內側段頂面布置副廠房，長13.00 m，寬5.50 m，副廠房內布置電氣柜、控制臺及變壓器等。因此，泵房底板順水流方向為17.60 m，長為7.00 m，底板頂面高程設計為5.70 m，厚為0.60 m。控制段順水流方向為8.00 m，底板頂面高程從5.70 m抬高到8.20 m，與穿堤涵洞相接[2]。

4 基礎處理、原因分析和方案選擇

4.1 基礎處理

沙河口三站站址處地層主要為第四系全新地層(Q4al)，站身基建面表層為淤泥質中粉質壤土，層厚 1.70～3.10 m，滲透系數為2.0×10-6m/s，其下為強透水③層細砂，層厚0.99～2.80 m，滲透系數為5.0×10-3m/s；下臥層為強透水性的砂礫卵石層，滲透系數為5.0×10-2m/s，地層同樣呈明顯的多元結構。設計考慮③層細砂層為強透水層，站基下采用水泥土換填，滲透系數按4.0×10-6m/s計。換填范圍為泵房、匯水箱及控制段一半(順水流為22.00 m，長為16.00 m)，基坑采取降水井降水。要求將泵房基底淤泥層全部清除，換填水泥土平均厚度為1.50 m，水泥摻入重量比為8%，填筑壓實度不小于0.95，干容重不小于15.5 kN/m2。

2017年3月該工程準備泵房基礎施工時，采取6口直徑300 m降水井降水，井內水量不足，基坑降水不明顯。設計人員到現場后，提出增加降水井數量，由原來的9口增加到12口；加深水井，由原來的6 m增加到9 m；調整井筒外回填的反濾料，由原來的三級配調整為一級配即瓜子片。但井內水量依然不足，基坑降水仍不明顯。局部挖探坑觀察，水量較大，流砂明顯，基坑水位基本與外江水位持平(5.50 m左右)。

4.2 原因分析

該工程站址處地質報告揭示，泵房基礎處于淤泥質中粉質壤土之中，該層軟塑狀，承載力較低。下層為細砂層，滲水性強，流動性較大，俗稱為“流砂”層。由于“流砂”吸附于井壁四周，堵塞反濾料和無砂管，形成護壁層，該護壁層滲流量較小，致使井內水量不足，基坑降水水明顯。無法形成無水狀態下的基坑施工要求。

4.3 方案選擇

對軟弱基礎處理的方法較多，均有成熟的施工方案，如換填水泥土或砂卵石、樁基處理、高壓擺噴圍封等處理。由于樁基和高壓擺噴圍封處理錯過了最佳施工期(11月至次年2月)，施工、保養和檢測時間較長，無法滿足該工程主汛期完成水下部分的要求。采取砂礫料回填，受當時水陽江水位影響(內外水位基本持平，水位在5.5 m左右)，砂礫料回填后，基坑水位高于建基面(5.10 m)，降水仍無法解決，不能保證基坑在無水狀態下施工。為保證按期完成任務，后改為換填混凝土方案[3]。

其優點：①無需降水，施工簡單，施工期短，淤泥清除后，即可施工，能夠滿足工期要求。②可在水下施工，使內外水平衡，使“流砂”不流，減少滲流破壞。③可保證基坑無水狀態下施工，水下混凝土回填后，距水面僅40 cm左右，基坑四周可用作土袋作簡易排水堤(壩)，保證基坑內無水，基坑外水位維護不變，以滿足基坑施工要求。④從工程成本上來看，混凝土高于水泥土費用，而水泥土換填基坑降水成本大、要求高，基礎處理總費用基本持平。

5 水下混凝土施工

5.1 施工準備

組織三臺1 m3反鏟挖掘機和兩臺1 kW潛水泵；修筑4.0 m寬下坡道(9.0 m)到基坑平臺(6.0 m)；清理基坑外臨時堆土場地，準備好攔擋材料和器材；與混凝土供應商簽訂混凝土供應協議，明確C20混凝土配合比，要求一次性連續不斷地保障混凝土供應到位，由于混凝土拌和站與工地距離在10 km左右，要求10 m3混凝土攪拌車不少于8輛，混凝土輸送泵車一臺；準備兩條小船，用于混凝土施工；同時，密切關注天氣狀況，選擇晴好天氣施工。

5.2 基坑開挖

用一臺1 m3反鏟挖掘機開挖基坑，兩臺挖掘機外翻到臨時堆土區。淤泥層開挖時，盡可能保持基坑水位不變或略高于水陽江水位，根據基坑四周穩定情況，適當提高基坑內水中的泥漿濃度，以起到固壁作用(由于淤泥層為重粉質壤土，沒有備用黏土，調節泥漿濃度只需挖掘機開挖時多加攪拌即可)。一次性開挖至砂卵石層表面，開挖出的淤泥采取2臺挖機倒轉的方式，挖至基坑外30 m處的臨時堆土區(由于本工程土源緊張，開挖出的土，后期用于進水閘兩側的回填土)，不得堆放在基坑周邊，適當降低基坑周邊土層高度，以減輕周邊的土層壓力，并做好攔擋。如作為棄土，需運至棄土場或用于附近填塘固基。

5.3 混凝土澆筑

施工前，對基坑底部進行復測，達到設計要求后，采取泵送混凝土施工。本工程輸送泵直接插入基坑底部，混凝土達一定高程后(插入點處高于設計高程30～50 cm)，再采取人工輔助移動(每條小船上兩人)至泵送下一點，在混凝土輸送過程中，要始終保證輸送口在混凝土內。泵送混凝土結束后，安排人工坐船將插入式振動器橫放在混凝土表面振動，以達到整平、密實的目的。由于本工程換填深度不大，采取的人工輔助方式澆筑。如基坑較深，可采取搭設支架，下導管分片澆筑的方式進行。

6 結 語

原沙河口三站在此修建時，由于“流砂”作用導致泵房兩次倒塌(在本站施工開控時，均發現兩次倒塌的痕跡)，最后，不得不將站址向圩內平移100 m處修建，因此，當地流傳“此處不能建站”的說法。泵房建成后，經觀測，沉降在10～20 mm，滿足規范要求，置換后的混凝土檢測結果達到C20要求。水下混凝土的施工，打破了“不能在此修建泵站”的說法，該工程已于2017年12月全部完工，經過2018年、2019年汛期考驗，經檢測，各項指標均已達到設計要求，已交付使用，發揮排灌作用。該站能按期完成，得益于：一是適時的水陽江水位(施工時水陽江水位較低)；二是先進的施工設備(機械取代人工)；三是完善施工組織，直接水下施工；四是設計、建設和施工單位的組織協調管理。