水閘工程深厚軟土地基處理設計與實踐

劉人添，張 超，劉 歡，雷 轟，陳彥霖，2，謝家強

（1.長江生態環保集團有限公司，湖北 武漢 430062；2.重慶市三峽生態環境技術創新中心有限公司，重慶 400000）

1 軟土的工程特性

軟土主要指軟弱黏性土， 是第四紀后期形成的海相、瀉湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的黏性土沉積物或河流沖積物，如淤泥質土、淤泥等［1］。 在長江中下游地區的河流兩岸和河床地層中， 軟弱土層廣泛分布，厚度可達幾米或者更深，且常常與粉質壤土、砂壤土、粉細砂等土層相互摻雜，交錯分布［2］。 軟黏土的主要特點是天然含水量大于液限， 且大部分處于飽和狀態，孔隙比大于1.0，土體的抗剪強度低，壓縮性高，同時滲透系數小。在水工建筑物荷載作用下，此類土質地基承載力低，沉降變形大，沉降穩定歷時長， 是長江中下游地區水閘建設中較為常見的需要進行處理的地基類型。

2 水閘工程深厚軟土地基主要問題

水閘工程地基一般需要滿足以下四項要求：①保證建筑物地基承載力； ②控制建筑物沉降值并盡量減少不均勻沉降； ③以合適的地基與基礎的結合方式保證建筑物抗滑穩定； ④在合理深度范圍內截斷強透水層并控制滲徑，確保地基滲透穩定。

軟土天然地基因其抗剪強度低， 承載力一般低于水閘平均基底應力，且綜合摩擦系數較小，在水閘上下游水位差較大的運行工況下， 難以保證閘室穩定， 若軟土地基厚度較大， 也會有地基深層滑動隱患；在軟土壓縮模量小，壓縮層厚度大的情況下，天然地基沉降量一般會超過《水閘設計規范》中15cm限制值，且若上部結構應力分布不均勻，沉降差也難以控制在5cm以內；雖然淤泥質土等軟土本身滲透系數小， 但由于深厚軟土層常常夾雜砂性土等滲透系數較大的強透水層，此類天然地基若不加處理，容易形成滲透通道，影響整體地基穩定。

3 水閘工程軟土地基典型處理方案及設計要點

3.1 換填墊層法

換填墊層法是指將天然地基中部分軟弱土體置換為物理力學指標更優的巖土材料， 再通過人工壓實形成滿足設計要求的分層人工地基， 常見換填材料有素土、中砂、粗砂、礫砂、碎石、粉煤灰、水泥土等。 填料墊層主要可以在以下幾方面改善原地基土的性能：①填料層材料抗剪強度遠大于原狀軟弱土，從而可以顯著增強地基承載力；②填料壓實后，回填層沉降量較小且可控， 同時閘室底部應力經換填層擴散降低后，下臥層應力較小，下臥層沉降也能得到明顯控制； ③砂石墊層等換填材料可有效加快換填層下部含水率高孔隙比大土層的固結排水， 釋放孔隙水壓力，增強整體地基的穩定性［3］。

墊層法的設計計算需要確定墊層的厚度和平面尺寸， 確保閘室基底應力經墊層擴散后不大于下臥地基承載力。在水閘工程中墊層厚度一般不大于3m，墊層厚度太厚則不利于施工且經濟性較差。

3.2 樁基礎

樁基礎是水閘工程中使用較早且廣泛應用的地基處理方法， 以下介紹較為常見鉆孔灌注樁和PHC管樁兩種樁型。

鉆孔灌注樁適宜于上部為較深厚的軟土地基、下部為硬土層或堅硬巖層的地基條件，尤其在基底應力較大或閘室上下游水位差大（控制工況下水平推力大）的水閘工程建設中較為常用。鉆孔灌注樁具有施工時環境影響小、噪音小、單樁承載力高、提升建筑物抗震性能等特點［4］。 需要注意的是，采用鉆孔灌注樁時，底板與地基之間應緊密接觸。 為避免形成滲流通道，多采用摩擦型樁，若采用端承樁形式，則應采取有效基底防滲強化措施，如加設上游防滲墻、強化止水構造等。

高強預應力混凝土管樁（PHC）是采用先張預應力離心成型工藝，并經過蒸汽養護制成的一種空心圓筒型混凝土預制構件，標準節長10m，直徑范圍為30～80cm，混凝土強度等級不宜小于C80。 預應力混凝土管樁主要有以下優點： ①配有產品工廠流水線生產，質量穩定可靠；②樁身混凝土強度高，耐錘打性好，貫穿能力強；③單樁承載力高，價格便宜；④對不同地質條件和不同沉樁工藝適應性強；⑤運輸吊裝輕便，施工速度快，工期短，施工現場簡潔文明。

樁基礎樁的根數和樁徑一般按承擔底板底面以上的全部荷載由樁承擔確定， 樁的布置一般為矩形或三角形， 鉆孔灌注樁中心距一般不小于2.5倍樁徑，預制樁中心距一般不小于3倍樁徑。 對于樁距小于6倍樁徑且樁根數大于9根時的摩擦型樁基礎，可將群樁范圍內的樁和土視作整體， 以樁底平面為界限，進行沉降計算。

3.3 深層攪拌法

深層攪拌法是利用水泥作為固化劑， 通過全樁長范圍內的攪拌使水泥與軟土充產生充分的化學、物理反應形成具有較優強度指標的水泥土攪拌樁，再通過水泥土樁與樁間土形成的復合地基解決地基承載能力低、沉降量大的問題［5］。 水泥土攪拌樁適用于處理正常固結的淤泥、淤泥質土、粉土、素填土、黏性土等地基，處理后的地基抗剪強度得到大幅提高，也相應提高了水閘抗滑穩定安全系數。 本方法具有以下優點：①最大限度地利用了原土；②攪拌時無振動、無噪音和無污染；③可根據上部結構的需要，可靈活地采用柱狀、格柵狀等加固型式；④與鋼筋混凝土樁基相比較，可節約鋼材并降低造價［6］。 在施工過程中，此方案對施工質量的要求較高，要根據不同的地質情況選用相應的施工機具，嚴格控制施工質量，且在正式施工前需進行水泥土試塊室內試驗和現場生產性試驗確定相關參數和施工工藝。

在深層水泥土攪拌樁的設計中， 應先需根據室內試驗與現場生產性試驗結果分析確定單樁承載力，再結合上部結構承載力需求，確定攪拌樁的置換率和分布。

4 工程案例

4.1 工程案例項目概況

本文案例工程為安徽省某低水頭徑流式泄水閘，具備節制、引水、排洪3大功能，設計引水流量150m3/s， 設 計 排 洪 流 量600m3/s， 校 核 排 洪 流 量1250m3/s，結構形式為開敞式平底閘。 泄水閘順流向按引水方向各建筑物依次為上游引水渠、上游翼墻、上游防沖槽、上游海漫、上游護坦、上游消力池、閘室、兩岸連接段、下游翼墻、下游護坦及下游渠道等，閘址地基為深厚淤泥質土。

4.2 地質條件

本案例工程區為軟弱場地土， 震動峰值加速度為0.1g，地震基本烈度為Ⅶ度。水閘建基面位于①2層砂壤土中，①2層砂壤土強度低，埋深淺，屬挖除土層。 建基面以下建筑物地基土層主要包括②層淤泥質重粉質壤土、②4層粉細砂、④層重粉質壤土、⑤2層中粗砂、⑥層含礫粘土及⑩層粉砂巖等。主要持力層為②層淤泥質重粉質壤土，該層厚度為6～12m，承載能力低，沉降變形大，不宜直接作為天然地基，若作為基礎持力層應進行相應補強處理； ②4層粉細砂、砂壤土強度亦較低，滲透性較強，對建筑物滲透穩定不利；④層重粉質壤土強度一般，埋藏較深，可根據上部荷載情況選擇作為水泥土攪拌樁樁端持力層；⑤2層中粗砂、⑥層含礫黏土及⑩層粉砂巖、砂礫巖強度均較高，但層頂埋藏較深。

孔隙潛水主要儲存于人工填土及②層淤泥質土中，主要受大氣降水補給，且與地表水存在一定的水力聯系，具有水量小、水位變化大的特點；孔隙承壓水主要儲存于②4層粉細砂、⑤2層中粗砂、⑥層含礫黏土中。

4.3 主要設計思路

根據建筑物選址水位流量關系及兩岸地形限制，閘室結構采用7孔3聯的開敞式平底閘， 中間段3孔一聯，左右邊聯均為2孔閘室與岸墻相結合的復合結構。底板建基面以下6～12m深度范圍內土層分布主要為②層淤泥質土和②4層粉細砂、砂壤土，土層分布不均勻且存在強透水層，閘室基底應力遠大于淤泥質粉質壤土的允許承載力，沉降量較大，抗滑穩定及滲透穩定不滿足規范要求，需要進行地基處理。經綜合比較，水泥土攪拌樁方案在完整解決現有地基存在問題的同時，最大限度地利用了原土的強度，整體經濟性最優，本工程閘室地基處理采用水泥土攪拌樁方案。

4.4 地基處理設計方案

本工程采用格柵點陣式水泥土攪拌樁復合地基。 攪拌樁固化劑選用42.5級及以上普通硅酸鹽水泥，摻量15%，樁身直徑60cm。為控制整體沉降水平，樁底穿透壓縮模量較小的②～④土層到達第⑤層重粉質壤土，閘室段平均樁長15m。

攪拌樁采用格柵式布置，套接長度15cm，典型格柵單元布置如圖1，格柵間距由不同結構下基礎處理所需的攪拌樁置換率確定，格柵樁間布有散樁。

圖1 典型格柵單元布置

泄水閘閘室左右邊聯綜合置換率為35%， 中間聯綜合置換率為30%，閘室整體布置如圖2。 泄水閘上游側布置雙排套接水泥土攪拌樁作為防滲墻，防滲墻頂部覆蓋瀝青與閘室底板凹槽連接。

圖2 閘室攪拌樁平面布置

表1 滲透坡降計算結果

攪拌樁樁頂高程為2.2m， 建基面開挖時需挖除攪拌樁樁頂約40cm長的樁頭，再回填30cm厚的水泥土墊層作為褥墊層， 然后在結構混凝土澆筑前澆筑10cm厚的C10混凝土墊層。

4.5 主要計算結果

4.5.1 復合地基承載力計算

復合地基承載力計算公式如式（1）。

式中 fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；m為面積置換率；Ra為豎向單樁承載力（kN）；Ap為樁的截面積（m2）；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。

單樁承載力特征值經計算并結合室內試驗及現場生產性試驗結果對比分析，確定為130kN。 水泥土攪拌樁樁間土為②層淤泥質重粉質壤土， 承載力特征值為85kPa，樁間土承載力折減系數為0.6，經計算閘室中間聯復合地基承載力為173kPa， 邊孔聯復合地基承載力為194kPa。 復合地基承載力滿足閘室各工況基底應力承載要求。

4.5.2 地基沉降計算

處理后的閘室地基沉降量分為兩部分， 一部分為攪拌樁復合地基本身的壓縮變形量s1，另一部分為復合地基以下至基巖頂面之間的壤土層的壓縮變形量s2，總沉降量s=s1+s2。 計算采用的附加應力從閘室基礎底面算起。

復合地基層變形量s1計算公式如式（2）～式（3）。

式中 pz為攪拌樁復合地基頂面的附加應力值；Pzl為攪拌樁復合地基底面的附加應力值；Esp為攪拌樁復合地基的壓縮模量；Ep為攪拌樁的壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量。

本工程樁體壓縮模量綜合考慮現場生產性試驗結果，壓縮模量取150MPa，樁間土的壓縮模量根據土層物理力學指標取3MPa。

下臥層原狀土變形量s2計算公式如式（4）。

式中 Δpi為第i層土平均附加應力增量；li為第i層土的厚度；Esi為第i層土的壓縮模量；ψs2為壓縮變形量經驗系數經計算， 閘室中孔聯地基沉降值為75mm，邊孔聯地基沉降值為92mm，滿足相關規范要求。

4.5.3 滲透穩定計算

閘基滲流計算采用改進阻力系數法和二維有限元法分別進行計算， 閘基滲透坡降及單寬流量計算結果均滿足規范要求，具體結果如表2。

表2 單寬流量計算結果

5 結語

在深厚軟土地基水閘工程設計過程中， 要綜合分析地基承載能力、基礎沉降量、建筑物抗滑穩定、抗滲穩定等特定工程需求， 同時也要統籌考慮工程所在地的建筑材料供應情況、施工機械條件、施工技術難度等實際外部因素，因地制宜地選擇安全可靠、技術可行、經濟合理的設計方案。