北溪分洪橋閘重建工程地基處理優化設計

涂 超

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

1 工程概況

潮州市北溪分洪橋閘位于潮州古城東南約3 km 的韓江下游第一支流北溪入口處,潮州八景之一的鳳凰塔旁,初建于1957 年,是韓江下游用于控洪、排澇、交通及灌溉等綜合利用的大（2）型水閘。根據現狀調查并結合透地雷達探測資料,自2006 年潮州供水樞紐運行后,北溪分洪橋閘保持在常年高水位狀態下運行,閘前粘土鋪蓋已經失效,堰體外包混凝土體已經破碎破壞,漿砌石體滿布孔隙空洞。消力池中排水孔多數被泥沙填塞,無水流出,導滲設施基本失效。閘前水直接從堰體前進入,從堰體后出滲,滲徑明顯縮短,防滲體系的整體性和有效性不足,水閘存在滲透破壞的風險。2019年9 月北溪分洪橋閘下游堰體及消力池底板出現冒水安全隱患,2020 年1 月經安全鑒定評定為“四類閘”,需拆除重建。

北溪分洪橋閘采用原址重建,主要建筑物級別為2 級,次要建筑物級別為3 級。其洪水標準按30 年一遇洪水設計,100 年一遇洪水校核。重建水閘共5 孔,單孔凈寬15 m,閘孔總凈寬75 m,順水流方向長24 m。保留右岸電站引水箱涵,箱涵后設置電站引水閘,共1 孔,單孔凈寬4.0 m。下游一級消力池長34.2 m,二級消力池長30.8 m,海漫長45 m。

2 工程地質

根據本工程地質勘測資料,工程場地為”U”型谷,水閘位于北溪河入口,兩側為低丘陵山體,基巖為凝灰巖,巖面自兩側向中間傾斜。閘址區地層主要有：第四系人工填筑層（分為①-1 填石、①-2 人工填土）、第四系海相沉積層（②-1泥質粉細砂及②-2 淤泥層）、第四系沖積層（③-1 中粗砂、③-2 粘土層、③-3 淤泥質土、③-4 粘土層）,基巖為侏羅系上統兜嶺群凝灰巖。其中,③-1 中粗砂層在工程區閘址、消力池、上游鋪蓋及左右兩岸地基廣泛、連續分布,揭露厚度為2.30 m～17.30 m,平均厚度為9.07 m,滲透系數3.32×10-2cm/s,該層與韓江直接連通,是主要滲漏通道,易產生滲透破壞,需對其進行防滲處理。

本工程處于地震基本烈度Ⅷ度區,砂層液化與軟土震陷對閘基穩定有較大影響,根據現場標準貫入試驗判定,③-1中粗砂層需進行抗液化處理,②-2 淤泥層、③-3 淤泥質土層需進行抗震陷處理。

3 原設計基礎處理方案

3.1 原設計閘基防滲處理措施

防滲措施主要有水平防滲、垂直防滲和水平垂直相結合的防滲[1],由于本水閘建基面土體透水性強,故考慮采用水平垂直相結合的防滲措施,在水閘上游設20 m 長的C25 鋼筋混凝土鋪蓋,同時在閘室底板上游齒墻下設垂直混凝土防滲墻,防滲墻厚400 mm,墻底伸入相對不透水層全風化凝灰巖層1.5 m,缺失全風化層的進入強風化層1.5 m。

3.2 原設計抗地震液化處理措施

為防止基礎地震液化,結合工程區地質條件,選用混凝土圍封墻結合上游混凝土防滲墻對閘室至二級消力池區域進行圍封,閘室上游為混凝土防滲墻,閘室下游、閘底板分縫處、一級消力池、二級消力池末斷以及閘室上游至一級消力池兩側均布置混凝土圍封墻,圍封墻厚度400 mm,墻底伸入相對不透水層全風化凝灰巖層1.5 m,缺失全風化層的進入強風化層1.5 m。同時對下游消能設施段②-2 淤泥層、③-3 淤泥質土層采用換填砂碎石處理。

4 地基處理優化方案

4.1 地基處理變更緣由

本工程閘室防滲圍封墻離右岸鳳凰塔文物最近只有10 m,防滲圍封墻墻底需入巖層,需采用沖擊鉆挖掘槽孔,沖擊振動可能對鳳凰塔穩定不利,施工過程中避免對鳳凰塔文物產生影響是本工程重點。此外,本工程防滲墻圍封墻共計7195.6 m2,墻厚400 mm,每3 m 一個槽段,按照15 m～20 m 的槽身,大約140～150 個槽孔,每個槽段需4 個主孔,3 個副孔。上部地層可采用液壓抓斗成槽,下部巖基需采用沖孔鉆成槽孔。根據現場施工條件及混凝土連續墻施工技術流程,完成本工程防滲墻及圍封墻施工至少需要140 天,且工程區上部地層主要為中粗砂層,且厚度較深,施工過程中易塌孔,塌孔后需回填石渣糾偏,施工工期無法得到保證,綜合考慮工程施工導截流等工程布置,可能導致無法達到汛前的總工期要求,需對原設計地基處理方案進行變更。

4.2 地基處理變更方案

考慮到施工過程中需確保不對文物產生影響及施工工期較緊張等因素,同時減少施工過程中出現塌孔等施工問題影響工程進度。經討論,咬合式旋挖鉆孔灌注樁與連排水泥攪拌樁可解決上述問題。咬合式旋挖鉆孔灌注樁為混凝土咬合式排樁、旋挖機鉆孔,旋挖鉆孔可通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉破碎巖土,并直接將其裝入鉆斗內,儀表自動顯示筒滿時,鉆斗底部關閉,然后再由鉆機提升裝置和伸縮鉆桿將鉆斗提出孔外卸土,這樣循環往復,不斷地取土卸土,直至鉆至設計深度。施工過程中操作人員可通過顯示器監測鉆孔的實際工作位置、每次進尺位置及孔深位置,從而操作鉆孔作業,施工簡便高效且施工過程中對臨近建筑物的擾動較小,同時,針對厚砂層鉆孔過程中容易塌孔問題,可采用埋設剛護筒措施進行效處理[2]。

水泥攪拌樁是將通過水泥或其他原材料為固化劑結合深層攪拌技術來實現的,將現場土壤和深層地基中的固化劑混合成水泥形狀的圓柱體[3],攪拌時無側向擠出,且無振動,對鄰近建筑物影響較小[4],施工速度較快,且造價相對便宜。

以上兩種地基處理措施的技術特點均能解決本工程目前存在的問題,具體設計方案經經濟技術比選后確定。

方案一：將混凝土防滲墻調整為直徑800 mm、間距0.6 m砼咬合式排樁、旋挖鉆機造孔成樁,灌注樁樁底進入全風化層1.5 m,缺失全風化層的進入強風化層1.5 m；將混凝土圍封墻調整為直徑650 mm、間距0.45 m 單排三軸連排水泥攪拌樁,水泥攪拌樁樁底進入全風化層1.5 m,缺失全風化層的至強風化層層頂；增加消力池縱向圍封墻3 道,減少圍封分區面積,提高安全性。

方案二：將混凝土防滲墻調整為直徑650 mm、間距0.45 m 雙排三軸連排水泥攪拌樁、將混凝土圍封調整為直徑650 mm、間距0.45 m 單排三軸連排水泥攪拌樁,水泥攪拌樁樁底進入全風化層1.5 m,缺失全風化層的至強風化層層頂；增加消力池縱向圍封墻3道,減少圍封分區面積,提高安全性。水泥攪拌樁地基處理縱橫向平面布置與方案一一致。

4.3 方案比選

4.3.1 效果分析

原設計方案與以上兩種方案均為在閘室底板上游齒墻下設垂直防滲墻,伸入相對不透水層。形成墻體后均能實現防滲功能。 方案二水泥攪拌樁樁底不能進入強風化層,僅能到強風化層層頂,閘基防滲效果相對較差。方案一和方案二選用單排三軸連排水泥攪拌樁替換混凝土圍封墻,同時增加消力池縱向圍封墻3 道,減少圍封分區面積,提高安全性,形成墻體后能實現抗地震液化功能。

4.3.2 工程造價

結合本工程防滲墻及圍封墻的布置方案及地層分布情況,對三種方案工程量及工程投資進行計算,原設計防滲墻及圍封墻（厚400 mm）共計7195.6 m2,工程總投資約474 萬元；方案一旋挖鉆孔灌注樁防滲墻共計2917 m、三軸水泥攪拌樁共計5423 m,工程總投資約530 萬元；方案二三軸水泥攪拌樁防滲墻及圍封墻共計8002 m,工程總投資419 萬元,方案一較原設計方案增加投資56 萬元,方案二較原設計方案投資減少55 萬元。方案投資對比見表1。

表1 投資對比表

4.3.3 施工質量

砼咬合式排樁和水泥攪拌樁方案工程施工過程中振動均較小,對文物的安全影響較小。砼咬合式排樁防滲墻整體性較好,樁體質量檢測結果更可靠,樁底能進入強風化層,對閘基防滲效果更好。水泥攪拌樁整體性較砼咬合式排樁差,通過增加咬合排數和增加水泥攪拌樁水泥含量可提高整體質量,但施工過程中樁體整體的質量存在差異,質量檢測反映結果可能不具有代表性,且水泥攪拌樁樁底不能進入強風化層,僅能到強風化層層頂,對閘基防滲不利。

4.3.4 推薦方案

通過對各方案效果分析、工程造價和施工質量三個方面的比較,方案二雖造價更低,但方案一的整體性更好,施工質量更容易把握。北溪分洪橋閘作為潮州市重點水利工程,考慮到北溪分洪橋閘舊閘因滲透問題出現多次險情,閘基對防滲要求較高,防滲處理是本次重建的重點部位,故本次推薦方案一。

5 討論

通過對本工程中三種地基處理方案的對比分析,混凝土防滲墻價格適宜,施工簡便,防滲效果好,是閘基防滲處理的首選方案[5],受本工程施工環境及施工進度影響而變更；旋挖鉆孔灌注樁施工速度快、對周圍建筑物影響較小,對地質條件適應行好,但價格相對較高；水泥攪拌樁在水利工程地基處理中應用廣泛,便于施工,且價格較低,但其施工質量及結構整體性不易把控。水閘得地基處理的措施有很多種,如何去選擇需綜合考慮工程現場地質條件、施工環境、工程投資等多種因素,也需要工程設計人員對前沿技術的了解以及對過往工程經驗的總結。

6 結語

潮州市北溪分洪橋閘重建工程地基處理方案變更后,閘基防滲墻圍封墻已按施工總工期進度要求順利完成,各項檢測指標滿足要求,水閘右岸鳳凰塔未發現受損。目前工程尚在建設中,閘基防滲及抗液化功能效果有待時間檢驗。