某泵站泵房地基處理設(shè)計(jì)

◎ 王超 安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司

1.概述

泵站作為水利樞紐的重要組成部分，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。而平原地區(qū)的泵站，多位于河道、溝塘等地質(zhì)條件較差的地方。泵站地基處理效果不好，產(chǎn)生較大的不均勻沉降不僅會(huì)引起泵站建筑物的傾斜和開(kāi)裂，更有可能造成水泵及電機(jī)主軸傾斜，導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行，直接影響泵站效益的發(fā)揮。可見(jiàn)，控制泵站的均勻沉降是十分重要的。本文以某泵站為典型工程實(shí)例，對(duì)其泵房地基處理進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，可為類似的工程提供參考和依據(jù)。

2.工程概況

某泵站位于安徽省裕溪河流域，其主要任務(wù)為抽排圩區(qū)洪水，同時(shí)具有自排和自流引水功能。泵站設(shè)計(jì)抽排澇流量18.0m3/s，自排流量7.6m3/s，自引流量2.0m3/s。裝機(jī)總功率1680kW。

工程總體布置為：泵站軸線與裕溪河堤防垂直，自圩內(nèi)至外河依次布置排澇引水渠、攔污檢修閘、前池、泵房、壓力水箱、控制段及穿堤箱涵、出水池、出水渠。泵站采用自排與抽排結(jié)合，泵站和壓力水箱設(shè)置雙層流道，共用進(jìn)水池和穿堤箱涵。泵房采用堤后式、濕室型結(jié)構(gòu)，安裝檢修間設(shè)于泵房左側(cè)，頂部布置主、副廠房。泵站平面及縱剖面見(jiàn)圖1。

圖1 泵站平面及縱剖面示意圖

3.工程地質(zhì)條件及存在的問(wèn)題

根據(jù)地勘報(bào)告，站址區(qū)地層自上而下分為人工填土、①層重粉質(zhì)壤土、②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、③層中、重粉質(zhì)壤土、④1層輕粉質(zhì)壤土、④2層細(xì)砂層、⑤層重粉質(zhì)壤土7個(gè)土體單元。各土層主要參數(shù)建議值見(jiàn)表1。

表1 站址各土層物理力學(xué)性指標(biāo)建議值

受場(chǎng)地限制，泵站基礎(chǔ)除前池左岸翼墻、泵房左側(cè)及安裝檢修間坐落在③層中、重粉質(zhì)壤土上外，其余部位基本坐落在②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土上，該層強(qiáng)度低，不能滿足承載力要求，需采取地基處理措施，泵房部位地質(zhì)情況見(jiàn)圖2。根據(jù)規(guī)范[1]要求，泵房不宜建在半巖半土或半硬半軟地基上，否則應(yīng)采取可靠的工程措施。本泵站泵房基礎(chǔ)坐落在半軟半硬的地基上，需采取可靠的工程措施。

圖2 泵房及副廠房地質(zhì)剖面圖

4.地基處理設(shè)計(jì)

4.1 方案比選

軟弱地基加固處理方法有很多，包括排水固結(jié)法、換填法、水泥土攪拌樁法、預(yù)制管樁法等[2]。針對(duì)泵房右側(cè)軟弱地基處理，選取該地區(qū)常用的水泥土換填墊層方案、水泥土攪拌樁復(fù)合地基方案以及預(yù)制管樁復(fù)核地基方案三種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。

方案一：水泥土換填墊層。

換填墊層適用于淺層軟弱土層或不均勻土層的地基處理，其厚度應(yīng)根據(jù)置換軟弱土的深度以及下臥土層的承載力確定，厚度宜為0.5m～3.0m[3]。將泵房右側(cè)②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土全部挖除，換填水泥土。

方案二：水泥土攪拌樁復(fù)合地基。

水泥土攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，就地將軟土和固化劑（漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量[4]。根據(jù)承載力及沉降要求，經(jīng)計(jì)算確定水泥土攪拌樁樁徑為0.5m，樁距為0.8m，樁長(zhǎng)5.1m。攪拌樁穿過(guò)②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，進(jìn)入③層中、重粉質(zhì)壤土不小于2.0m，樁頂設(shè)置褥墊層。

方案三：預(yù)制管樁復(fù)合地基。

預(yù)制管樁適用于多種復(fù)雜地質(zhì)條件，在軟土地基處理上有許多成功經(jīng)驗(yàn)。考慮沉樁穩(wěn)定、承載力及沉降要求，經(jīng)計(jì)算確定管樁直徑0.4m，布置間距1.5m，樁長(zhǎng)5.7m，樁頂設(shè)置褥墊層，形成管樁復(fù)合地基。

三種方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較見(jiàn)表2。

表2 站址各土層物理力學(xué)性指標(biāo)建議值

由表2可知，采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基方案較為經(jīng)濟(jì)，且對(duì)周圍環(huán)境影響較小，而采用水泥土換填基坑最大換填厚度將近4m，不滿足規(guī)范中換填厚度宜小于3.0m的要求，且泵站右側(cè)為圩內(nèi)堤防，采用換填水泥土方案，基坑最大深度將達(dá)到15m，對(duì)基坑穩(wěn)定不利。預(yù)制管樁復(fù)合地基造價(jià)較高，施工振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境影響較大。綜合考慮，選用水泥土攪拌樁復(fù)合地基為處理方案。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 泵房地基處理方案圖

4.2 沉降計(jì)算

分別對(duì)泵房左右側(cè)地基沉降進(jìn)行計(jì)算。

泵房右側(cè)復(fù)合地基沉降量由加固區(qū)復(fù)合土層的壓縮量和地基壓縮層厚度內(nèi)加固區(qū)下臥層壓縮量組成。采用復(fù)合模量法進(jìn)行計(jì)算[4-5]，采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中：?pi為第i層土的平均附加應(yīng)力增量（kPa）；li為第i層土的厚度，mm；m為復(fù)合地基置換率；ψs1為復(fù)合地基加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Espt為第i層復(fù)合土體的壓縮模量，kPa；Ept為第i層樁體壓縮模量，kPa；Esi為第i層樁間土壓縮模量，kPa；ψs2為復(fù)合地基加固區(qū)下臥土層壓縮變形計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

泵房左側(cè)原狀地基沉降量計(jì)算采用分層總和法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式同公式（3）。

經(jīng)計(jì)算，泵房底板四個(gè)角點(diǎn)沉降量分別為：前池側(cè)左角點(diǎn)5.3cm，前池側(cè)右角點(diǎn)5.5cm，壓力水箱側(cè)左角點(diǎn)6.1cm，壓力水箱側(cè)右角點(diǎn)6.5cm，沉降量和沉降差滿足泵房結(jié)構(gòu)安全和機(jī)組正常運(yùn)行要求。

5.處理效果分析

目前該泵站已經(jīng)建成且經(jīng)過(guò)兩個(gè)汛期的考驗(yàn)，運(yùn)行狀況良好，現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)顯示泵房整體沉降量較小，沉降均勻，地基處理達(dá)到了預(yù)期效果。

6.結(jié)語(yǔ)

泵站選址首先應(yīng)避開(kāi)半巖半土或半硬半軟的地基，在不可避免時(shí)，應(yīng)采取可靠措施控制建筑物的不均勻沉降。而控制不均勻沉降的關(guān)鍵在于地基處理，水泥土攪拌樁復(fù)合地基作為一種成熟的工藝，能夠很好的提高地基承載力，控制地基沉降，在軟弱地基處理中得到了廣泛應(yīng)用。