水閘重建過程中閘室基礎處理方案比選

歐陽佩佩

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州510630）

1 工程概況

老八孔水閘是汕頭市澄海區一八圍的主要水閘。地處于整個澄海區的南邊，被西溪、外砂河、東溪河、蓮陽河和南海所環繞。一八圍排水系統由三個主要排水道、北草溝排水道和五個排水閘組成。老八孔排水閘位于排水道出口萊蕪，左岸與一八圍堤南段相連。右岸與海堤的南龍壟段相連。老八孔水閘的主要功能是排水，最初的排水量的設計為119 m3/s，體量上為中型水閘，與周邊的八一圍海堤共同起到阻擋浪潮，防止潮水進入的功能。現在的老八孔排水閘主要由兩個部分組成：始建于1954年的老的排水閘，由八個孔構成，位于整個水閘的左側；另外一個是建于1974年的，新孔位于整個閘室的右邊，每個孔的凈寬度也由原來的1.9 m變成現在的2.5 m。項目擴展后，總共有13個孔。

根據工程地質報告，閘址區基礎下地層主要有：②-1粉細砂層、②-2層為淤泥質土夾粉細砂層、③中砂、粘土質砂、④-1淤泥質土層，軟塑、④-2粉質粘土層，可塑、④-3粉細砂層、④-4淤泥質土層。重建水閘各部分建基面高程為-3.9 m～-4.8 m，閘室底板、上下游護坦消力池、前后連接段翼墻直接位于②-2淤泥質土上。②-2主要為淤泥質土，層厚為9.1 m～13.6 m。水閘建基面的②-2淤泥質土承載力特征值為55 kPa～60 kPa，低于水閘最大基底應力115.17 kPa，必須進行地基處理。

2 方案介紹和比選

主要采用鉆孔灌注樁、攪拌樁、預制砼管樁等混合地基處理方案來應對深厚層淤泥地基。本文根據此次項目工程的現實特點及設計的建筑物特點，以已經建筑好的項目為參考，選取兩空一聯閘段對以下三個方案進行對比和選擇。

2.1 鉆孔灌注樁方案

根據該工程事先的地質報告，參照本省的《建筑地基基礎設計規范》（DBJ 15-31-2003）與行業標準行業標準《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）等相關的標準規范，不同地層相關的樁基設計參數建議值參照表1。

表1 各層樁基設計參數建議值（灌注樁）

樁身配筋率大于等于0.65%的鉆孔灌注樁單樁水平向承載力特征值按下列公式計算：

式中：RHa為單樁水平向承載力特征值；EI為樁身抗彎剛度，對于混凝土樁，EI=0.85E0I0；其中，I0為樁身換算截面慣性矩，對于圓形截面，I0=W0d/2；x0a為樁頂允許水平位移，取6 mm；vx為樁頂水平位移系數，考慮樁頂與底板嵌固作用，可查表，鉸接時取2.441，固結時取0.94；α為樁水平變形系數；m為土的水平抗力系數，取4.0 MN/m4；b0為樁身計算寬度，對于圓型截面，b0＝0.9（1.5d+0.5）；I為樁截面慣性矩；E c為樁身材料的彈性模量，非預應力混凝土樁可采用混凝土彈性模量的0.85倍。

經計算，當采用Φ1000鉆孔灌注樁，單樁承載力特征值和布樁方案如下：單樁豎向承載力設計值R=712 kN，單樁水平向承載力設計值R=103 kN，樁的數量由單樁水平向承載力確定，水閘基礎布樁30根。樁距3.0 m×3.0 m，均布于底板下。單樁長度25 m，總長750 m。同時可結合其他工程措施發揮樁間土水平抗力降低樁數目。

2.2 水泥攪拌樁方案

在澄海地區，工程項目多選用水泥攪拌法，運用此方法針對軟弱地基時應該需要注意以下幾點：此方法僅僅適用于對于沉降要求不高的工程或者其他工程類臨時項目；豎向承重攪拌樁的樁端進入相對硬層的長度大于軟土底面的埋深；軟土塑性指數小于或者等于22；根據室內水泥試塊強度確定單樁承載力特征值時，強度折減系數取0.20～0.25；在整個混泥土中加入的水泥比例為15%～20%。

水泥攪拌樁復合地基承載力按以下計算公式計算：

式中：fspk為復合地基承載力特征值；m為面積置換率；Ra為單樁豎向承載力特征值；Ap為樁底端橫截面面積；β為樁間土承載力折減系數；fsk為處理后樁間土承載力特征值，宜按當地經驗取值，如無經驗時，可取天然地基承載力特征值。

根據閘室穩定計算結果，水閘最大基底應力為115.17 kPa，最大平均應力為99.09 kPa。當攪拌樁樁徑500 mm、樁長15 m、樁距按常規1.0 m，復合地基承載力特征值為111 kPa，大于最大平均應力99.09 kPa，其1.2倍大于最大基底應力，復合地基承載力滿足規范要求。同時，計算得知水閘最終沉降量為65.2 cm。根據相關規范的規定，沉降量應當小于等于15 cm，故水泥攪拌樁方案處理后的閘室最終沉降量不滿足規范要求。

2.3 預制砼管樁方案

根據該工程事先的地質報告，參照本溫2.1節所提到的相關工程規范，不同地層相關的樁基設計參數建議值參照表2。

表2 各層樁基設計參數建議值（預制管樁）

經計算，當采用Φ500預制管樁，樁長25 m，為摩擦樁，單樁豎向承載力特征值計算值為R=256 kN，單樁水平向承載力計算值Ra=55 kN。考慮周邊土體加固，閘室底板單樁豎向承載力特征值按1.2倍的計算值300 kN設計；空箱扶臂式擋墻單樁豎向承載力特征值按計算值取R=256 kN設計。

閘室及空箱扶臂式擋墻布管樁計算成果見表3。

表3 管樁計算成果

根據計算結果，閘室Φ500預制管樁布樁方案按表3操作就能夠符合地基反力的標準，相鄰位置的樁的沉降差距應該小于等于5 cm，最大的沉降的量小于等于15 cm，沉降滿足要求。閘室基礎布置如下：作為基底的邊墩設計考慮范圍為2.7 m，總共布置18根樁，沿著水流的方向布置，一共分為9排，沿著垂直水流方向一共布置兩排，將9根樁布置在中間底板的位置，沿著水流的方向只需要布置一排；中墩布管樁27根，順水流方向分9排布置，垂直水流方向分3排布置。閘室基礎下預制管樁總樁數為198根。

為改善閘室基礎上部淤泥質量，閘室中間底板按面積置換率取12%布置，每個水泥攪拌樁直徑0.5 m，相鄰樁之間間距1.0 m×1.5 m，水泥攪拌樁長度為15 m。空箱扶臂式擋墻布置96根管樁可滿足地基反力的要求。

2.4 三種方案比選

根據本工程實際情況，水泥攪拌樁、混泥土鉆孔灌注樁和預制混凝土管樁可以采用。根據類似工程經驗，從閘基處理直接工程成本來看，第二種方式費用最高，預制混凝土管樁次之，水泥攪拌樁最低。三個方案相比，最后一種方案具有其他方案達不到的優勢：施工簡單，不容易沉降，工程進度迅速。但其施工設備比較沉重，施工過程中施工機械容易對已施工完成的管樁造成移位等影響，并且，在現實運用過程中容易出現不均勻沉降的問題，引起閘室脫空，兩邊連接堤沉降不均勻等問題。相比之下，第一種方案施工設備比較簡單，但攪拌樁存在沉降過大、工期長、質量難以控制且成樁質量差、檢測不易等缺點。混凝土鉆孔灌注樁地基沉降量小，施工比較方便，成樁質量容易控制和檢測。但同樣存在與預制混泥土運用過程中沉降不均勻帶來的問題。本次工程借鑒本地區蓮陽橋閘閘基處理的成功經驗，優先采用水泥攪拌樁復合地基處理技術上是可行并最經濟，但由于該閘址區層下仍存在有深度的④-1層淤泥質土，老八孔排水閘地處8度地震區，該層在地震烈度8度區軟土地震震陷估算值80 mm～150 mm，對上部閘室穩定影響較大；且經前面計算可知，當每個攪拌樁直徑為500 mm、每個攪拌樁長度為15 m，相鄰的樁間距為10 m，復合型的地基載荷力特征值為111 kPa時，承載力才能達到規范所要求的，最終沉降量為652 mm，遠大于規范規定值150 mm，以上結果表明，水泥攪拌方案并不適用于本工程。混凝土鉆孔灌注樁費用較高，預壓法施工工期較長。經過分析，本次老八孔排水閘重建工程的閘室地基處理推薦采用預制混凝土管樁方案，為改善閘室基礎上部淤泥質量，將直徑為500 mm的水泥攪拌樁布置在面積置換率為12%的閘室中間的底板上，每個樁的間距為1.0 m×1.5 m；右岸連接段空箱扶臂式擋墻基礎采用預制混凝土管樁進行處理。

為防止閘底脫空引起接觸沖刷，閘上下游各設雙排連體水泥攪拌樁，左右側設單排連體水泥攪拌樁，每根水泥攪拌樁樁頂預設4根4 m長Ф20 mm鋼筋，插入閘底板1 m；另外閘中墩上下游各設2個灌漿孔（縫墩和邊墩設1個灌漿孔），灌漿孔采用Ф50 mm渡鋅鋼管，閘墩中間各設1個備用灌漿孔。

3 結語

水閘作為水利系統中的中樞結構，其結構穩定性和安全性非常重要，關系著水利區的防洪防澇安全，關系著某地區的工農業生產安全，牽涉了該地區所有人的生命財產保障。水閘整體的安全性和長久使用能否得到保障很大程度上取決于地基的質量。因此，水閘的基礎處理方案的比較和選擇不容忽視。因此，在特定項目的設計過程中，應根據項目的實際地質和環境比較地基處理方案，并選擇最合適的方案進行實施。