鄧樓泵站渠道淤泥層處理措施探討

楊國瑞，姜薈錦，趙 琳

（山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013）

鄧樓泵站是南水北調(diào)東線工程的第12級抽水梯級泵站，位于山東省梁山縣梁濟運河和東平湖新湖區(qū)南大堤相交處。一期設計調(diào)水流量為100 m3/s，設計選用4臺機械全調(diào)節(jié)式3100ZLQ-4型立式軸流泵，泵站總裝機容量8 960 kW。

鄧樓泵站場區(qū)位于汶、泗河沖洪積扇下游與黃泛沖積平原交互處。地勢較為平坦開闊，地面高程38.20～40.86 m。在勘探深度60.0 m范圍內(nèi)，頂部沉積了厚度3～6 m的第四系全新統(tǒng)黃泛沖積堆積的砂壤土夾裂隙黏土及軟黏土薄層；中上部沉積了厚度4～7 m為第四系全新統(tǒng)沖積湖積堆積的砂壤土、淤泥層，常夾有粉砂、粉細砂薄層，局部夾淤泥質壤土層；中下部為汶、泗河第四系上更新統(tǒng)沖積洪積堆積的壤土、砂壤土、黏土及礫質粗砂、中細砂層，底部為硬塑狀黏土。其中③層淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑～流塑狀態(tài)，手感光滑細膩。該層分布于整個場區(qū)，層厚1.20～3.80 m，層底高程32.15～34.65 m，抗剪強度低，對泵站引、出水渠邊坡穩(wěn)定極為不利。

1 泵站引、出水渠地層巖性

泵站引、出水渠南起梁濟運河，穿越東平湖南圍堤，北入柳長河，全長901.33 m。勘察深度15.00 m內(nèi)，揭露地層除表層為耕植土、壤土夾裂隙黏土薄層外，主要為第四系全新統(tǒng)沖積堆積的砂壤土、粉細砂、淤泥層，全新統(tǒng)沖積湖積堆積的砂壤土、黏土層，第四系上更新統(tǒng)沖積洪積堆積的壤土，分述如下：

素填土（Qr）：層厚 3.20～7.30 m，層底高程 39.81～40.21 m。 ①層砂壤土（Q4al）：層厚 1.10～2.60 m，層底高程 37.31～37.75 m。①-1 層輕壤土（Q4al）：層厚 0.70～2.00 m，層底高程 37.95～39.81 m。②層粉細砂（Q4al）：層厚 0.90～4.50 m，層底高程 33.57～36.85 m。③層淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑～流塑狀態(tài)，手感光滑細膩。層厚1.30～2.20 m，層底高程33.41～34.65 m。④層黏土（Q4al+l）：層厚 1.30～5.90 m，層底高程 27.30～30.57 m。④-1 砂壤土（Q4al+l）：層厚 0.70～1.30 m，層底高程 31.25～33.95 m。⑤層壤土（Q3al+pl）：該層局部未揭穿，最大揭露厚度為5.00 m。⑥層黏土（Q3al+pl）：該層局部未揭穿，最大揭露厚度為1.30 m。

2 初設階段泵站引、出水渠設計

鄧樓泵站上下游分別與梁濟運河、柳長河相銜接，泵站引水渠、出水渠斷面設計參考梁濟運河、柳長河設計斷面。針對淤泥軟弱層河道斷面采用換填水泥土及放緩坡比（1∶4）加固處理方案。淤泥層的黏聚力、內(nèi)摩擦角依據(jù)《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》（SL386—2007），針對施工開挖黏性土邊坡抗剪強度指標宜采用三軸固結不排水剪（CU指標）。

初設階段該淤泥層抗剪強度指標采用三軸固結不排水（CU）指標：黏聚力 c=14.22 kPa，內(nèi)摩擦角 Φ=9.1°計算，①引水渠完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=2.084 0，②閘前出水渠完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.893 8，③閘后出水渠完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.923 4，設計中的引水渠、出水渠斷面邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3 施工圖階段泵站引、出水渠設計

在施工圖設計過程中，考慮到該地層年代較新，分布廣，長期處于地下水位以下，淤泥層底部為黏土層，頂部為粉細砂層，無臨空面，排水條件極差，難以達到固結狀態(tài)，且不確定因素多，穩(wěn)定計算指標完全采用固結不排水指標，未能真實反映該淤泥層的實際情況，計算結果也不安全。

使用河海大學Slope計算軟件進行邊坡穩(wěn)定分析，若該淤泥層抗剪強度指標采用不固結不排水（UU）指標進行渠道邊坡穩(wěn)定計算，黏聚力c=3.48 kPa，內(nèi)摩擦角Φ=2.5°，采用有效應力法，因存在軟弱夾層，采用推力傳遞法計算，計算得引水渠完建期Min-Fs3=0.772 3；閘前出水渠完建期MinFs3=0.730 4；閘后出水渠完建期MinFs3=0.760 7。由計算結果可見，邊坡不滿足穩(wěn)定要求，需采取相應的加固措施。

為了慎重起見，待施工中，首先進行試驗段開挖，依據(jù)試驗段現(xiàn)狀實際情況再作進一步計算分析。

4 泵站場區(qū)試驗段開挖情況

2010年4月15日，對鄧樓泵站主廠房基坑開挖部分③層淤泥進行了現(xiàn)場勘驗及再次取樣試驗。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)③層淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑狀態(tài)，手感光滑細膩，層厚1.70～3.00 m，該層淤泥與②層粉細砂之間，通過基坑開挖臨空面向基坑內(nèi)不斷地滲流泥土，已經(jīng)發(fā)生流土破壞，粉細砂層及淤泥層普遍發(fā)生坍塌。

對③層淤泥土現(xiàn)場取樣再次進行試驗，其力學指標見表1。

淤泥具有以下特性：1）觸變性特征。即在飽水條件下當原狀土受到震動以后，破壞了結構連接，降低了土的強度或使土變成稀釋狀態(tài)。2）流變性特征。即在剪應力作用下，土體會發(fā)生緩慢而長期的剪切變形。3）高壓縮性。4）弱透水性。

表1 ③層淤泥力學指標表

依據(jù)工程實際情況，認為采用現(xiàn)場取樣所做的直接快剪（Q）指標能更好地符合土樣實際。該淤泥層抗剪強度指標采用直接快剪（Q）指標，黏聚力c=8.0 kPa，內(nèi)摩擦角Φ=2.7°，使用河海大學Slope計算軟件對邊坡進行穩(wěn)定復核，采用有效應力法、推力傳遞法計算，引水渠邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.169 4，閘前出水渠邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.084 6，閘后出水渠邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)k=1.092 5。

由計算可見，引水渠、出水渠抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)雖大于1，但均小于1.3，不滿足規(guī)范要求。泵站管理區(qū)場區(qū)需要回填土3.45 m高，填筑時需機械壓實，渠道兩岸場區(qū)道路有行車功能，這都是影響渠道邊坡穩(wěn)定的不利條件。引水渠、出水渠渠道邊坡需加固處理。

5 引、出水渠淤泥層加固處理方案

淤泥層處理方案有多種，如堆載及真空預壓排水固結、水泥土攪拌、砂石樁、石灰樁、劈裂注漿、高噴、軟弱土置換等，綜合以上加固處理方案，結合本工程實際情況選用水泥土攪拌樁、砂樁、旋噴樁及軟弱土置換4種加固方案進行比選，4種加固方案工程布置如下：

1）水泥土攪拌樁：渠道兩側邊坡布置攪拌樁2排，樁徑0.5 m，樁距0.8 m，攪拌樁深入淤泥層底高程以下不小于0.5 m。水泥摻量為20%，水泥土抗壓強度不小于2 MPa。水泥土攪拌樁施工完成，水泥土達到相應強度后方可進行渠道開挖，開挖后淤泥層坡面20 cm換填粗砂，防止護坡結構凍脹破壞。

2）振沖砂樁：樁徑0.6 m，每側6排，樁距1.5 m，梅花形布置。

3）高壓旋噴灌漿：每側2排，樁距1.0 m。

4）水泥土換填：淤泥層分布范圍（約2.5 m）內(nèi)，垂直厚度800 mm范圍內(nèi)換填水泥土及中粗砂。4種加固方案工程量及投資比較見表2。

表2 處理方案及投資比較表

4種加固處理方案優(yōu)缺點：

1）振沖砂樁：能改善淤泥層的排水條件，加速淤泥層固結，從而提高淤泥的力學指標，但需加固的范圍較大，工程量及投資較大，只有上方②層粉細砂層有排水條件，固結時間長。

2）高壓旋噴樁：可僅對淤泥層處高噴灌漿，以上部分只鉆孔不灌漿，但旋噴樁處理不均勻，連續(xù)性差，易出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，且定額單價高，投資大。

3）水泥土攪拌：樁樁身具有較強的抗剪強度（C＞100 kPa），處理淤泥層有較成熟的技術和成功的經(jīng)驗，且造價低，故采用水泥土攪拌樁（濕法）進行渠道邊坡處理，利用樁身抗剪，阻止土體滑動，保持邊坡穩(wěn)定。

4）水泥土換填：水泥土具有較強的抗剪強度（C＞100 kPa），換填水泥土方案即利用水泥土較強的抗剪強度，阻止土體滑動，保持邊坡穩(wěn)定。該方案不僅施工簡單，且投資最省。

綜合以上經(jīng)濟與技術兩個方面的比選，設計推薦換填水泥土方案。

采用水泥土換填后，水泥土黏聚力c取50 kPa，內(nèi)摩擦角Φ取20°，使用Slope軟件，采用有效應力法、推力傳遞法計算，邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

6 工程加固效果

現(xiàn)場試驗段開挖發(fā)現(xiàn)③層淤泥 （Q4al+l）：淡灰棕色，軟塑狀態(tài)，手感光滑細膩，層厚1.70～3.00 m，該層淤泥與②層粉細砂之間，通過基坑開挖臨空面向基坑內(nèi)不斷地滲流泥土，已經(jīng)發(fā)生流土破壞，粉細砂層及淤泥層普遍發(fā)生坍塌。采用水泥土換填工程加固后，渠道邊坡穩(wěn)定及工程安全性良好，工程效果顯著。

7 結論

針對鄧樓泵站引、出水渠③層淤泥問題，通過現(xiàn)場試驗段開挖，結合現(xiàn)場情況及各種試驗指標，經(jīng)綜合分析判定采用的直接快剪（Q）指標，更好地代表了土樣實際。通過水泥土攪拌樁、振沖砂樁、高壓旋噴灌漿及水泥土換填四個方案的技術經(jīng)濟比選，最終選定的水泥土換填加固方案從根本上解決了鄧樓泵站引、出水渠③層淤泥軟化失穩(wěn)問題，且大大節(jié)省工程投資，社會效益及經(jīng)濟效益顯著，值得類似工程借鑒參考。