第２９卷第５期 四川水力发电 Ｖｏ１．２９．Ｎｏ．５ ２０１ ０年１ ０月 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ ０ｅｔ．．２ ０ １ ０ 砂砾石与淤泥交互复杂地基水闸基础处理设计 盛 芳 （四川二滩建设咨询有限公司，四川成都６１００５１） 摘要：以某拦河闸闸基上部的砂砾石层与淤泥土层间隔存在的复杂地质形态为研究对象，根据其工程地质条件，结合工程 工期和进度要求，对拦河闸基础处理方案进行了技术经济比较，提出了“液压抓斗挖孔混凝土灌注桩桩基”方案，最大限度的 满足了工程质量可靠性和进度要求。 关键词：复杂地基；水闸；基础处理 中图分类号：ＴＶ２２３；ＴＶ２２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－２１８４（２０１０）０５－００２１－０４ １拦河闸概况 凝土纵向围堰分隔。闸室采用整体式平底板结 该工程拦河闸总长度为１８１ ｍ，共设１２孔， 构，每孔为一个结构单元，闸室上下游方向长ｌ６ 单孔净宽１２ ｍ。为适应河床高程的变化趋势，拦 ｍ。闸墩材料为Ｃ３０Ｗ４Ｆ５０混凝土，闸墩厚１．５ 河闸分为右岸深槽区和左岸浅滩区。右岸深槽区 ｍ。闸室的上游侧设一道检修闸门，检修闸门下 １～６＃闸底槛高程为２．５ ｍ，左岸浅滩区７～１２＃ 游为工作门。拦河闸典型断面见图１。 闸底槛高程为４ ｍ，不同底槛高程拦河闸通过混 ２闸址区工程地质情况 图１拦河闸典型断面图 闸址位于河流转弯处，河谷呈宽“ｕ”字型，较 水深一般为５～１２ ｍ；左岸分布河漫滩，地面高程 开阔，谷底宽４９０ ｍ，右岸为深水槽，宽约１５０ ｍ， ２～１２．１ ｍ，生长有防护林。两岸地形陡峻，山坡 收稿日期：２０１０－０６－０７ 坡度为４６。～４８。。 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ田 盛芳：砂砾石与淤泥交互复杂地基水闸基础处理设计 ２０１０年第５期 闸基表部为第四系全新统冲洪积层（ａｔ． Ｃ固＝１２．７～１５．７４ ｋＰａ，‘Ｐ固＝１０．４。～１１．４。。 ｐｌＱ４）的砂砾卵石，中部为第四系全新统冲海积层 根据以上地质勘探及土工试验检测成果，对 （ａ１．ｍＱ４）的淤泥透镜体，下部为第四系上更新统 闸址工程地质情况进行评价如下： 冲洪积层（ ａ１．ｐｌＱ３）的含泥砂砾卵石Ｏ （１）闸址处砂砾卵石层虽然级配好、承载力 由于闸基砂砾卵石层与淤泥层间隔分布的情 高、厚度大，但由于其中问夹有厚度不等的淤泥、 况十分普遍，且淤泥层厚薄变化悬殊（０．２～２．３ 含砾石淤泥等软弱土层，淤泥的含水量很高，如有 ＩＴＩ）、分布高程变化较大（一２．０～一１０ Ｉｎ）。如此 临空面，在外力作用下沿软弱土层产生滑动，对闸 复杂的地层分布若处理不当，将对拦河闸的变形 室的抗滑稳定极为不利；此外，淤泥、含砾淤泥等 及稳定构成威胁。为此，在实施过程中，根据相关 软弱土层压缩模量数值较小，在上部荷载作用下 要求对闸室底板等受力较大的部位进行了针对性 极易产生较大的沉降问题；由于淤泥和含砾淤泥 的钻孔勘察，共布置勘探孑Ｌ １８个。根据勘探孔查 透镜体空间分布极其复杂、厚度差别较大，又会产 明的闸基地层分布情况见图２。 生不均匀沉降问题；因此，淤泥、含砾石淤泥等软 根据土工检测成果，得到的淤泥土层物理性 弱土层成为闸室稳定、沉降和不均匀沉降问题的 质为： 控制性土层，故此软弱夹层发育的浅部砂砾卵石 土样含水率为５１．７％～６９．３％，孔隙率为 层不宜作为闸室天然地基持力层。深部的灰褐色 １．４１７～１．９３９，土的压缩模量为１．７０８—２．２１７ 含泥砂砾卵石承载力高，可作为一般建筑物的天 ＭＰａ，Ｃ快＝９．７６～１１．８１ ｋＰａ，‘Ｐ快＝５．５。一７．８。， 然地基持力层。 边线 ’＼｜ 曲 鹕 。 ｝／ 鹬 … 拈 ．Ｉ：ｊ：｛ ：： 。： ：： 萼箍臻棼 鲑 ｝ ； ： ；：≥二ｌ：； ｎ 对：；． 骛 ｊ？： ・ ；Ｊ．麓 嚣 ．．．一’ 哮 ：： ：： ： ：； 蒜 ；鸶舞辫 ｉ ： ≈ ： ：： 囊 ： ：ｔ；－２ ：ｉ：；：：： 繇癸篓袅 差露警凳搿 ；＝毓 Ｅ一量 ：： ：：ｔ：一搿 …０麓 ‘一＝： － ；：ｌ： Ｉ． 一一一一一’ｔ： ：：Ｅ－：：一：：・ ：ｉ：： 。・ ．．：‘ ；：？： 蔓 ：：： ： －：；， ：：：ｔ‘：： ： 鞲零学 踅爱 ≤ 尊；ｉ 髯暑 棼 ．：・蔓 － ’： ・： ：｝ ； ： ： ！．＿ｌ暑 ≯ ： ： ｉ ≯：： ：； ： ｉ毫 ；： ｝； ； ：： ； ：：；： ： ｝；ｔ： 二 凌 强；每 萋 图２拦词Ｉ闸基础复杂地层剖面图 （２）闸址含泥砂砾卵石层总体较密实，承载 一２００２，对拦河闸进行了基础沉降计算，计算结果 力高，可作为闸基桩基持力层；在遇到含泥量较高 表明：浅滩区和深槽区闸室底板部位最终沉降量 的砂砾石层可适当加深穿过此层，将桩端置于较 分别为２７．８（３ｍ和１８．９ ｃｍ。根据《水闸设计规 密实的含泥砂卵石层上。含泥砂砾卵石层其承载 范））ＳＬ２６５—２００１，天然土质地基上水闸地基沉降 力标准值． ＝２００～２５０ ｋＰａ，含泥砂砾卵石层压 量不宜超过１５ ｃｍ，计算结果不满足规范要求，必 缩模量Ｅ ：３０ ＭＰａ；含泥砂砾卵石Ｊ ：０．３～ 须对闸基进行处理。 ０．４。 根据闸基上部为砂砾卵石与淤泥、含砾淤泥 ３基础处理方案 等软弱土层交互分布的复杂地质情况，考虑施工 由于该工程闸基地层的复杂性，闸基（包括 工艺和现场已有的施工设备，选择了“基础全面 上游连接板、闸室、消力池）处理范围较广，限于 置换方案”、“水泥高压旋喷桩处理”以及“液压抓斗 篇幅，仅以闸室基础为对象进行基础处理方案比 挖孔混凝土灌注桩桩基”三个处理方案进行比选。 较。 ３．１ 基础全面置换方案 根据地质勘探揭示的地层资料及土层物理力 本方案采用基础开挖置换的方法进行闸基处 学参数，依据《建筑地基基础设计规范》ＧＢ５０００７ 理，即挖出闸基下部的淤泥透镜体，利用掺５％的 囵Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 第２９卷总第１４０期 四川水力发电 ２０１０年１０月 水泥砂砾石料置换回填。 根据地质勘探揭示的地层资料，闸基置换方 １６ ｍ）（垂直水流方向×顺水流方向）作为投资估 算的标准段，共需要布置旋喷桩１２０根。桩底高 程为一１０ ｍ，桩长为１１ ｍ，共计桩长为１２０×１１＝１ 案深度较大，开挖最深处高程约为一８．０ ｍ，开挖 深度在５～８ ｍ之间，基坑防渗及排水难度很大， 尤其是右岸深槽基坑内最低置换点在一８．０ ｍ高 程以下，而围堰上游水位在３ ｍ高程以上，届时基 坑挡水高度达１ １ ｍ以上，对基坑安全及排水都提 出了严峻的挑战；并且该工程闸基置换处理范围 ３２０（ｍ）。旋喷桩造价按４５０：ＴＬ，／ｍ计，旋喷桩总造 价为５９．４万元。 广，开挖深度大，施工基坑很难满足施工开挖和挡 水的要求，因此，对拦河闸基进行大范围的基础置 换实施条件非常困难，存在很大的施工难度。此 外，由于地层的复杂性，上部较浅区域内，在基坑 的开挖过程中往往无法判别砂砾卵石层下部是否 还具有淤泥层及其厚度，开挖具有盲目性和不可 预知性，工程是否置换彻底很难控制。 基于以上原因，从施工质量控制及便于工程 施工等角度考虑，基础全面置换方案不合适。 ３．２水泥高压旋喷桩加固方案（图３） （１）高压旋喷桩加固设计。本方案利用高压 水泥旋喷桩对地基进行加固，采用潜孔钻下套管 造孔，利用特制ＰＶＣ套管固壁，再进行高压旋喷 灌浆，灌浆孔深以穿透所有软弱地层进入下卧砂 砾卵石层１ ｍ为准，估计孔底高程为一１０ ｍ。根 据国内淤泥高压旋喷施工参数，浆液在淤泥层内 切割扩散半径为０．３ ｍ，水泥土抗压强度取１．５ ＭＰａ。 水泥高压旋喷加固后的地基按复合地基考 虑。由于该工程地层表面为砂砾卵石层，通过旋 喷加固后承载力能满足要求。桩体加固密度主要 由加固后复合地基的沉降变形控制。为达到加固 后沉降控制的要求，闸室淤泥质土层复合压缩模 量不小于１５ ＭＰａ，最大沉降可控制在８ ＣｌＴＩ左右。 复合土层的压缩模量按下式计算： Ｅ ＝ｍＥＰ＋（１一ｍ）Ｅ 式中Ｅ 。为复合土层的压缩模量（ＭＰａ）；Ｅ。为桩 的压缩模量（ＭＰａ）；Ｅ 为桩间土的压缩模量 （ＭＰａ）；ｍ为桩土面积置换率。 根据土工检测试验，淤泥层的平均压缩模量 为１．９ ＭＰａ，桩身压缩模量取１００ ＭＰａ，求得闸室 桩体置换率为０．１３４。旋喷桩桩位布置情况见图 ３。 （２）投资估算。按照每一块闸底板（１５ ｍ Ｘ 图３水泥高压旋喷桩平面布置图 （３）施工条件。对该工程围堰工程高压旋喷 施工参数进行分析，每套高喷设备由三台潜孔钻 和一套灌浆机组成，每套用电负荷为４００ ｋＷ。每 套设备Ｅｔ完成地基处理约为６０ ｍ每延米桩长，按 两套高喷设备施工考虑，每一标准闸底板施工时 间为１１ ｄ。 采用水泥高压旋喷桩加固基础，对上游混凝 土防渗墙的影响较小，并可以直接利用现场已有 设备施工。 ３．３ 混凝土灌注桩桩基方案 （１）挖（钻）孑Ｌ混凝土灌注桩桩基加固设计。 传统的冲击钻成孔是非常成熟的施工工艺，但是 其成孔施工速度较慢。考虑到本工程施工工期很 紧，利用传统的冲击钻成桩方案根本无法满足本 工程的工期要求，故不予考虑。壁厚８０ ｃｍ的液 压抓斗成槽机目前技术比较成熟，成孔速度是传 统冲击钻的１０倍以上，能够满足本工程的施工要 求。 液压抓斗挖孔混凝土灌注桩桩基处理是利用 冲击钻及液压抓斗成孑Ｌ设备，在基础范围内设置 ２．８ ｍ×０．８ ｍ的矩形水下混凝土灌注桩，桩体穿 过软土层，使得上部荷载能够良好的传递到下卧 密实的砂砾石桩端持力层，从而减少基础的沉降。 在一结构单元宽度闸底板（２９ ｍ×１６ ｍ，垂 直水流方向×顺水流方向）内布置２Ｏ根灌注桩。 桩体长边沿闸轴线方向布置，间距为５．８ ｍ，顺水 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ圈 盛芳：砂砾石与淤泥交互复杂地基水闸基础处理设计 流方向间距为４．４ ｍ。最大桩顶垂直荷载约为 ６００ ｔ，桩底进入砂砾石层为５ ｍ，桩长约为１５ ｍ。 在上游连接板（２９ ｍ Ｘ９．２ ｍ，垂直水流方向 ×顺水流方向）内布置两排混凝土灌注桩，桩体 长边沿闸轴线方向布置，间距为５．８ ｍ，顺水流方 向间距４．８ ｍ。桩底端进入砂砾石层深度约为１ ～２ ｍ，桩长为１１．５ ｍ。 混凝土灌注桩平面布置情况见图４。 图４混凝土灌注桩平面布置图 （２）投资估算。同上述方案，按照一块标准 闸底板及上游连接段（２９ ｍ×１６ ｍ）作为投资估 算的标准段，共需布置１２根灌注桩。灌注桩截面 为２．８ ＩＴｌ×０．８ ｍ，桩的混凝土总方量为３７６．３２ ｍ ，混凝土单价按１ ７５０ ｍ 计，则混凝土合价 为６５．９万元；钢筋用量为２２ ｔ，单价按５ ２００元／ｔ 计，钢筋合价为１１．４万元。 综上所述，一块标准闸底板混凝土灌注桩方 案的直接投资为７７．３万元。 （３）施工条件。根据现场液压抓斗成槽机挖 孔试验分析，在槽口梁支护、泥浆固壁等施工条件 下，１５ ｍ深的灌注桩孑Ｌ的成孔时间约为２ ｈ。若 一台液压抓斗机挖孔施工，需要大约２８ ｈ（考虑 一定的时间富裕度），则混凝土浇筑基础处理施 工时间约为３５ ｈ。考虑在不相互干扰的情况下， 液压抓斗机造孔和混凝土浇筑同时进行，每一块 标准闸底板的施工时间约为２ ｄ。 ４基础处理方案比选 ４．１基础处理方案的可靠性 水泥高压旋喷加固对于处理粉质土及砂砾石 地基是比较成熟的方案，但本工程处理的主要对 象为夹在砂砾卵石层中的薄层淤泥。为研究在本 圜Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ ２０１０年第５期 工程特有地层中的高压旋喷的加固效果，在现场 进行了加固试验。根据试验后开挖揭示的情况发 现：砂砾石料层中的水泥浆扩散充分，加固效果较 好，淤泥层中的水泥扩散半径很小，一般为３０ ｅｍ 左右，加固效果较差。分析其原因，主要是喷浆切 割在淤泥质土中扩散比较差；另外，淤泥层较薄， 且上下层均为强透水的砂砾石层，上下界面成为 喷浆压力消散通道，喷浆压力很难在淤泥层中产 生效果。因此，本工程基础采用水泥高压旋喷效 果一般，质量难以控制。 液压抓斗成孔混凝土灌注桩方案技术成熟， 工程效果直观，施工质量容易得到保障。 ４．２施工进度 两方案施工进度均能满足工程进度要求。液 压抓斗成孔混凝土水下灌注桩施工速度较水泥高 压旋喷桩快，液压抓斗单桩成孔时间一般为３ ｈ， 施工工序及供电要求均较小。因此，采用液压抓 斗成孔混凝土水下灌注桩方案，对加快施工进度 比较有利。 ４．３施工进度 从基础处理方案的可靠性、施工进度要求看， 液压抓斗成孔混凝土灌注桩方案具有显著的优 势。虽然该方案投资较大，但从保障工程质量的 可靠性、保证按期完成工程建设任务的大局分析， 采用液压抓斗成孔混凝土灌注桩基础处理方案比 较合适。 ５ 结语 该工程拦河闸闸基地质条件十分复杂，闸基 上部Ｑ４地层分别为砂砾卵石层、含淤泥砂砾卵 石层、淤泥层交互层状分布，淤泥夹层厚度及埋藏 深度变化显著，给拦河闸基础处理带来很大的难 度。针对本工程的地质特性，综合考虑基础处理 的可靠性、施工工艺及施工进度，本工程采取了 “液压抓斗挖孔混凝土灌注桩桩基”方案，对工程 的顺利施工和今后水闸的安全运行提供了保障， 同时也为类似工程地质情况的基础处理设计提供 了参考。 作者简介： 盛芳（１９７６一），女，浙江建德人，工程师，硕士，从事水电工程设 计及监理工作． （责任编辑：李燕辉）