水閘護(hù)岸工程地基處理設(shè)計(jì)方案分析

王志國

(撫順縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 撫順 113006)

1 工程概況

撫順市某水閘工程位于渾河一級支流入河口附近，主要包括3孔鋼筋混凝土涵閘，中孔為通航孔，凈寬12.0m，兩側(cè)設(shè)凈寬4.5m景觀人行孔。設(shè)計(jì)6m×6m×2扇的橫拉鋼體門作為船閘閘門，啟閉機(jī)類型為雙作用集成平推式，建設(shè)的充水橡膠滾水壩長35m，直徑1.5m。為滿足環(huán)境保護(hù)與工程管理要求，建設(shè)液壓式啟閉房、充排水泵房和管理用房，水閘主要建筑物為3級，工程防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)100a一遇。該水閘屬于集調(diào)節(jié)景觀水位、溝通、防洪、控制、景觀休閑、生態(tài)園林、游船通航等功能于一體的綜合性工程。

水閘左岸下游80.0m處設(shè)計(jì)水工護(hù)岸重力式擋土墻，施工材料為C25埋石混凝土，建成后與河道主槽銜接，臨水側(cè)護(hù)岸頂板、底板高程25.2m和16.0m。

該工程地處渾河一級支流上游，場地內(nèi)地勢較為平坦，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)、靜力觸探測試和現(xiàn)場鉆土檢測結(jié)果，勘察深度內(nèi)自上而下的地質(zhì)土層分布情況為：①人工填土，此類土體以黏性土為主要成分，土質(zhì)松散呈灰褐色，微透水，力學(xué)性能及抗沖刷性一般；沿舊堤堤身填筑土多為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，稍濕，呈淺灰褐色且填筑時(shí)間較長。②淤泥質(zhì)土，這類土體以黏粒土為主要成分，局部含有少量朽木、有機(jī)質(zhì)、粉細(xì)砂及貝殼等物質(zhì)，透水性為微透水，孔隙比大、壓縮性好且力學(xué)強(qiáng)度低，工程性質(zhì)及抗沖刷能力差，局部夾有薄層細(xì)砂；工程中該地質(zhì)土層厚6.0-10.5m，廣泛分布于場地表層。③淤泥質(zhì)黏土，此類土體以黏粒土為主要成分，局部夾有少量的砂、貝殼碎屑、腐殖質(zhì)等，呈青灰色，微透水，力學(xué)強(qiáng)度較低；該地址土城最大厚度7.0m，一般為0-4.5m厚。④粉質(zhì)黏土，土質(zhì)細(xì)滑，土層可見褐色斑點(diǎn)，多灰色或灰黃色，手搓有粉質(zhì)感，透水性為微-弱透水，工程性質(zhì)與抗沖刷能力一般；工程中該地質(zhì)土層最大厚度7.1m，一般為0.5-3.0m，廣泛分布于場地內(nèi)。⑤砂卵石，此層地質(zhì)土城稍密狀，多黃色和灰黃，卵石磨圓度較好，最大粒徑達(dá)到10cm，大多為2-5cm，土體整體質(zhì)量和力學(xué)性能較好。工程中主要分布于下游及閘室區(qū)域，最大厚度10.6m，大多為4.0-6.0m。總體來說，場地內(nèi)土質(zhì)壓縮性好、強(qiáng)度低且孔隙比高，符合深厚軟基的典型特征，各土層力學(xué)性能如表1。

2 擋土墻結(jié)構(gòu)及軟基處理方案

受地形特征、洪水作用及水閘泄流等條件限制，護(hù)岸結(jié)構(gòu)不宜選用坡式。結(jié)合水閘泄流抗沖要求和現(xiàn)場地形地質(zhì)條件擬比選兩種護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，方案一：重力式擋土墻護(hù)岸，這種護(hù)岸型式類似于明渠筑墻，護(hù)岸材料為C25埋石混凝土，加固基坑臨時(shí)邊坡和擋土墻基礎(chǔ)以滿足結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定要求。方案二：基坑臨時(shí)邊坡加固與護(hù)岸永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合的護(hù)岸型式。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)值

2.1 C25埋石混凝土重力式擋土墻方案

擋水墻背水面順坡比1:0.5，設(shè)計(jì)直立迎水面，頂寬1.0m；C30鋼筋混凝土底板坐落于淤泥層上，水泥深層攪拌樁樁端置于砂卵石層上，樁長12.6m、樁徑600mm，平面布置形式為矩形，樁間縱、橫間距1.0m和1.2m，復(fù)合基礎(chǔ)承載力經(jīng)攪拌樁加固處理不低于160kPa。

結(jié)合施工現(xiàn)場布置情況，臨時(shí)基坑邊坡穩(wěn)定性差且為淤泥層，護(hù)岸擋土墻基坑開挖時(shí)必須實(shí)施邊坡加固支護(hù)，否則將增大占地面積、后續(xù)回填量、基礎(chǔ)開挖量以及基坑展開面，開挖邊坡靠自然穩(wěn)定比較平緩。通過分析護(hù)岸擋土墻整體穩(wěn)定性可知，利用水泥深層攪拌樁加固護(hù)岸基礎(chǔ)范圍的地基土無法滿足抗滑穩(wěn)定性要求，必須向擋土墻基礎(chǔ)兩側(cè)擴(kuò)大地基加固范圍。因此，擬將4排水泥深層攪拌樁增設(shè)于護(hù)岸背水側(cè)基礎(chǔ)上，同時(shí)可在一定程度上防護(hù)基坑開挖邊坡。當(dāng)前，機(jī)械成樁為工程中最常用的制樁方式，樁長一般為18.0m，由于樁基垂直偏差與樁長密切相關(guān)，考慮到墻厚基坑邊坡圍護(hù)樁設(shè)計(jì)樁頂高程和水泥攪拌樁施工平臺高程，擬將1排水泥深層攪拌樁增設(shè)于臨水側(cè)基礎(chǔ)上。建成后，C25埋石混凝土重力式擋土墻夯填砂性土至墻頂高程25.2m。

2.2 鉆孔灌注樁支護(hù)的永臨結(jié)合方案

開挖筑成的基坑邊坡穩(wěn)定性差，并且河道邊坡較高，為保證邊坡安全穩(wěn)定需實(shí)施工程加固措施，可以考慮邊坡開挖加固措施與護(hù)岸永久結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式：將混凝土和鋼筋混凝土鉆孔灌注樁結(jié)合，科學(xué)布置護(hù)岸永久結(jié)合及河道開挖邊坡[6]。

河道開挖前應(yīng)先形成一道地下連續(xù)墻，將一排鋼筋混凝土鉆孔灌注樁施打于護(hù)岸設(shè)計(jì)軸線內(nèi)側(cè)1.0m位置，樁間距與直徑均為800mm。穿砂卵石層后鉆孔灌注樁樁端置于下伏的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁長平均為24.5m。擬將4排和2排水泥深層攪拌樁分別布設(shè)于鉆孔灌注樁連續(xù)墻背水側(cè)、臨水側(cè)，由此擴(kuò)大基礎(chǔ)加固范圍，保證河道開挖后護(hù)岸的抗傾覆穩(wěn)定和抗滑移穩(wěn)定。

河道斷面開挖完工后，擬利用C30鋼筋混凝土側(cè)墻加固鉆孔灌注樁連續(xù)墻迎水面，澆筑墻厚0.8m；以增設(shè)的水泥深層攪拌樁第一排位置為基準(zhǔn)將墻頂向背水側(cè)延伸2.0m，運(yùn)用形成的鋼筋混凝土冠梁提高擋土墻結(jié)構(gòu)整體性。采用C25埋石混凝土戴帽澆筑于冠梁臨水側(cè)，形成的擋土墻可以滿足防洪要求，用砂性土回填墻后至擋土墻頂高程。

2.3 方案優(yōu)選

從工程經(jīng)濟(jì)的角度分析，10m長度方案一、二的投資為22.86萬元和38.20萬元。開挖前，方案二采用鉆孔灌注樁加固河道護(hù)岸邊坡，其基礎(chǔ)開挖量少、回填工程量少且不必考慮后期開挖可能遇到的軟弱邊坡問題，然而為保證整體穩(wěn)定性還要對擋土墻上、下游附近軟土進(jìn)行延伸加固，其工藝復(fù)雜，工程投資較大。開挖過程中，利用方案一可能會遇到邊坡穩(wěn)定問題，但對基坑邊坡按照分臺開挖且結(jié)合擋土墻基礎(chǔ)穩(wěn)定性同步實(shí)行加固支護(hù)，可以確保邊坡的安全問題[7-9]。

綜上分析，選取C25埋石混凝土重力式斷面作為護(hù)岸擋土墻設(shè)計(jì)推薦的結(jié)構(gòu)形式，利用開挖-筑墻-回填施工方案和水泥深層攪拌樁加固基礎(chǔ)，通過分臺開挖基坑保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

4 軟基處理穩(wěn)定復(fù)核

擋土墻基底應(yīng)力、沿基底面的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)及抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為擋土墻穩(wěn)定計(jì)算的主要內(nèi)容，工程中選用水泥深層攪拌樁加固擋土墻基礎(chǔ)，直徑為600mm，考慮到深厚淤泥層位于擋土墻基礎(chǔ)下方的實(shí)際情況，為保證整體抗滑穩(wěn)定還要對擋土墻進(jìn)行復(fù)核。

4.1 承載力計(jì)算

計(jì)算兩種工況下?lián)跬翂Φ幕讘?yīng)力、抗傾及抗滑穩(wěn)定性，結(jié)果如表2。從表2可知，地基土加固后擋土墻沿基底面的抗傾覆穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定均達(dá)到規(guī)范要求。依據(jù)表2計(jì)算值，工況1的擋土墻基底應(yīng)力平均值、最大值為101.5kPa和125.8kPa，利用規(guī)范推薦公式計(jì)算加固后的復(fù)合地基承載力為170.3kPa，可以達(dá)到地基承載要求。

表2 承載力計(jì)算值

4.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

運(yùn)用瑞典圓弧法計(jì)算不同工況下護(hù)岸擋土墻的整體抗滑穩(wěn)定性，具體如下：①工況1，施工完建期河床出露，以正常地下水位3.80m、多年平均最低潮位為墻背場地地下水位和迎水面水位。②工況2，以年最高潮位驟降至-1.2m、正常地下水水位3.80m作為迎水面和墻背側(cè)水位。

采用水泥深層攪拌樁對護(hù)岸擋土墻進(jìn)行加固，樁徑600mm，以橫、縱間距為1.2m和1.0m的矩形平面布置，軟土加固置換率達(dá)到24.8%。根據(jù)取芯試驗(yàn)要求，取φ=24°、C=260kPa作為深層攪拌樁樁身物理力學(xué)指標(biāo)，樁身抗壓強(qiáng)度不低于1.0MPa，復(fù)合基物理力學(xué)等效指標(biāo)利用面積比法換算為φ=6.5°、C=65.2kPa，選用地質(zhì)建議值為其它土層物理指標(biāo)。

通過計(jì)算分析，工況1、工況2的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.26和1.27，可見擋土墻加固后能夠達(dá)到工程要求的抗滑穩(wěn)定要求。

5 結(jié) 論

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，護(hù)岸工程完建后未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，擋土墻位移量較小能夠滿足結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定要求。深厚軟土區(qū)水工擋土墻存在基坑開挖邊坡穩(wěn)定性差、基建土質(zhì)條件差等問題，采用水泥深層攪拌樁加固擋土墻地基取得了較好的效果，符合經(jīng)濟(jì)合理性要求；適當(dāng)提高攪拌樁樁頂高程及擴(kuò)大擋土墻背水側(cè)加固方案，可有效解決基坑開挖邊坡支擋和擋土墻整體穩(wěn)定問題，該方案經(jīng)濟(jì)、社會效益顯著，安全可靠且施工簡便。