河閘樞紐工程淺孔閘振沖碎石樁設(shè)計(jì)分析與研究
——以盤錦市雙臺子河閘樞紐為例

劉鳳艷

(遼寧省盤錦市盤山縣農(nóng)業(yè)事業(yè)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124100)

0 引 言

水利水電工程施工通常會遇到特殊地質(zhì)情況，特別是河閘樞紐工程，軟黏土地質(zhì)強(qiáng)度較低，容易變形，影響后期工程穩(wěn)定性。振沖碎石樁的應(yīng)用能夠緩解上述問題，有利于提高天然地基的承載力，防止受地震作用的影響避免地基液化。通過對盤錦雙臺子河閘樞紐工程的施工條件分析，最終決定采用振沖碎石樁施工方案，技術(shù)應(yīng)用效果十分理想。

1 工程施工概況與地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

盤錦雙臺子河閘樞紐工程位于盤錦市的東郊，工程從1968年開始建造，為Ⅰ等河閘樞紐工程。淺孔閘、深孔扎、進(jìn)水閘、船閘等部分建筑物級別均已達(dá)到Ⅰ級，按照100a一遇即P=1%進(jìn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水設(shè)計(jì)，200a一遇即P=0.5%的洪水校核，盤錦雙臺子河閘樞紐工程的水閘設(shè)計(jì)洪水位是8.1m，泄洪量是每秒5000m3；校核洪水位是9.08m，泄量是每秒6800m3；該河閘樞紐工程的正常蓄水位是4.3m。作為遼河下游防洪體系的一部分，雙臺子河閘樞紐工程的建設(shè)關(guān)系到整個(gè)盤錦市的經(jīng)濟(jì)開發(fā)與建設(shè)[1]。

1.2 地質(zhì)條件

雙臺子河閘樞紐工程中的淺孔閘位于左岸河漫灘處，高程最低6m，最高6.5m，多數(shù)為坑塘，目前被當(dāng)?shù)鼐用裼脕碜鳛轸~塘，塘堤的高程在6.3m左右，坑底處的高程為3.4m，深度不超過3m。坑塘周圍是原河閘的圍堤，高度4.5,頂部高程最高8.5m。分析當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，主要情況如下：①雙臺子河閘樞紐工程處的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，地基土壤中含有素填土、粉質(zhì)黏土以及粉砂，地基上部承載力不高且土質(zhì)不夠均勻，整體上穩(wěn)定程度不足。②地基土中的粉質(zhì)黏土層微透水，粉土層和粉細(xì)砂層分別為弱透水和中等透水。③地表與地下水屬于硫酸重碳酸鉀納鈣型水，水的酸堿度為中性偏弱堿性，在施工時(shí)對混凝土有著一定腐蝕性影響。④施工場地內(nèi)的土壤類型是中軟場地土，屬于Ⅲ類場地，經(jīng)檢測分析得知，飽和粉土與粉砂帶有一定液化問題。雙臺子河閘基的持力層存在厚層黏性土，這種土壤壓縮性較強(qiáng)，其中的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土屬于高壓縮性，施工后閘基容易發(fā)生不均勻的沉降現(xiàn)象，所產(chǎn)生的剪應(yīng)力在一定程度上會引發(fā)土體蠕動(dòng)或液流。因此，針對該工程的淺孔閘基礎(chǔ)，應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，要求樁尖穿過最大液化深度并進(jìn)入密實(shí)的砂層內(nèi)部[2]。

2 淺孔閘地基處理方案設(shè)計(jì)

首先，混凝土灌注樁。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，施工噪聲小，可在多種地基中使用；缺點(diǎn)是施工質(zhì)量對樁基承載力存在影響，混凝土質(zhì)量難以控制，造價(jià)較高。其次，深層水泥攪拌樁。優(yōu)點(diǎn)是可以改善地基土壤條件，提升其承載力，降低沉降量，提高地基的抗振動(dòng)液化能力，工期短，無污染；缺點(diǎn)是工程造價(jià)較高。最后，振沖碎石樁。優(yōu)點(diǎn)是樁體間擠密效果良好，可形成復(fù)合地基，提升地基承載力，并為地基帶來排水通道，提升地基排滲能力，消除地基液化可能性，且造價(jià)較低；缺點(diǎn)是需額外采購碎石。綜合比較分析得知，針對本項(xiàng)目的淺孔閘基礎(chǔ)處理，決定采用振沖碎石樁施工方案。圖1為水利水電施工現(xiàn)場的振沖碎石樁施工設(shè)備準(zhǔn)確情況，表1為碎石樁地基處理區(qū)域的振沖碎石樁布置情況。

圖1 振沖碎石樁施工設(shè)備

表1 振沖碎石樁布置形式

3 河閘樞紐工程淺孔閘振沖碎石樁設(shè)計(jì)

3.1 振沖碎石樁作用機(jī)理

振沖碎石樁技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)闇\孔閘施工帶來較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)擠密效果。向孔內(nèi)灌入碎石并進(jìn)行振沖時(shí)，碎石和土體能夠緊密結(jié)合，提高土體擠密效果。受碎石的影響，土體結(jié)構(gòu)荷載力不斷提升。碎石樁應(yīng)用于軟土地基中可以起到排水沙井的作用，盡快將地基中的水分排出，減少地基沉降時(shí)間，使河閘樞紐工程的土體結(jié)構(gòu)盡快穩(wěn)定，為接下來的振沖碎石樁和淺孔閘工程施工奠定基礎(chǔ)。振沖碎石樁擠密方法就是應(yīng)用振動(dòng)和沖擊的方法在松軟地基內(nèi)成孔，再將碎石擠入孔內(nèi)，形成由碎石材料構(gòu)成的密實(shí)樁體。

3.2 淺孔閘振沖碎石樁施工設(shè)計(jì)

結(jié)合盤錦雙臺子河閘樞紐工程淺孔閘的地質(zhì)勘察信息，選擇鉆孔整理相關(guān)參數(shù)，具體情況如表2所示。

表2 淺孔閘振沖碎石樁地質(zhì)參數(shù)

關(guān)于工程振沖碎石樁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，具體包含以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

1)明確布樁范圍。由于淺孔閘處屬于軟土地基，土質(zhì)條件不好，邊緣處碎石樁承受的約束力比中間小，為了滿足應(yīng)力擴(kuò)散需求，建議除了在基礎(chǔ)范圍內(nèi)布樁，也要在淺孔閘基礎(chǔ)邊緣外增設(shè)一排護(hù)樁，擴(kuò)大布樁范圍。

2)優(yōu)化樁長設(shè)計(jì)。按照淺孔閘周圍建筑物的結(jié)構(gòu)布置情況，樁頂高程是1.7m，綜合地質(zhì)勘察結(jié)果，要求樁尖穿過最大液化深度并進(jìn)入密實(shí)的砂層內(nèi)，所以樁底標(biāo)高需要在第4細(xì)砂層的頂面位置。

3)明確布樁形式。了解淺孔閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與底板的實(shí)際布置條件，采用三角布樁方式進(jìn)行振沖碎石樁施工。

5)合理設(shè)計(jì)樁距。根據(jù)荷載情況確定振沖碎石樁之間的樁距，按照振沖器的使用功率，將樁距控制在1.5-3m范圍內(nèi)，本項(xiàng)目施工的樁距為2m。為了加強(qiáng)對造孔樁經(jīng)和樁距的有效控制，盡可能的降低損耗量，施工時(shí)應(yīng)對加水措施予以限制。面對硬層時(shí)，進(jìn)尺<50mm/min，持續(xù)時(shí)間>30min，建議采取間斷性加水造孔措施，將水壓保持在3-4bar(1bar=0.1MPa)即可，持續(xù)1-2min，間隔10min加水1次。

6)樁體材料的應(yīng)用。使用碎石、卵石以及角礫等施工原材料，要求材料的含泥量均不能超過5%，粒徑在20-80mm范圍內(nèi)，最大不能超過150mm，必須選用級配良好的材料。

7)碎石樁樁頂預(yù)留段和墊層的優(yōu)化設(shè)計(jì)。樁頂不方便振動(dòng)碾壓，碎石樁密實(shí)度不容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)在樁頂部預(yù)留1m左右的樁體，施工后在挖出這部分。在樁頂位置設(shè)置300mm厚度的碎石墊層，以此保證荷載在碎石樁中的均勻傳遞[3]。

8)其他參數(shù)的確定。總樁數(shù)為12根，其中φ100cm、深度10m的有6根；其中φ100cm、深度9.37m的有6根。

9)施工前人們需要做好場地處理工作，及時(shí)清除地基表面的雜物，結(jié)合提前編制的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行碎石樁的放樣定位與試驗(yàn)施工，再次確認(rèn)各項(xiàng)施工參數(shù)，保證其可以滿足地基處理要求，準(zhǔn)備起吊設(shè)備與振沖器，調(diào)整設(shè)備位置，使振沖器與樁位定位，借助振沖器完成成孔操作，當(dāng)振沖到一定深度后進(jìn)行清孔作業(yè)，再填筑碎石材料，從而達(dá)到擠密效果，使碎石樁與軟土地基之間形成復(fù)合地基。圖2為振沖碎石樁施工現(xiàn)場。

3.3 復(fù)合地基承載力與總沉降量計(jì)算

按照《水泥水電工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》中提出的要求和計(jì)算公式對盤錦雙臺子河閘樞紐淺孔閘振沖碎石樁地基承載力、總沉降量進(jìn)行計(jì)算。振沖樁復(fù)合地基承載力特征值可通過地基荷載試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)可用單樁與處理后樁間土承載力特征值估算，公式如下：fspk=mfpk+(1-m)fsk；m=d2/d2e；公式中，fspk指的是振沖樁復(fù)合地基承載力特征值；fpk指的是振沖碎石樁承載力特征值；fsk為處理后樁間圖承載力特征值；m為樁圖面積置換率；d為樁身直徑；de為樁分散的地基面積等效圓直徑。經(jīng)過計(jì)算得知，復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值最低是209kPa，已經(jīng)滿足了工程設(shè)計(jì)要求，沉降總量是95mm，比規(guī)定的允許值低150mm，也能滿足設(shè)計(jì)要求。不僅如此，振沖碎石樁在加固地基時(shí)，對雙臺子河閘樞紐站竣工期與蓄水期的大壩混凝土防滲墻應(yīng)力變形產(chǎn)生影響，應(yīng)用振沖碎石樁加固技術(shù)后，混凝土防滲墻的沉降位移與水平位移均有減小的現(xiàn)象。由此可見，振沖碎石樁能夠更好的保護(hù)淺孔閘處的地基穩(wěn)固，保證周圍建筑物安全。

總結(jié)：總而言之，綜合了解盤錦雙河閘樞紐工程的地質(zhì)條件與工程概況，分析淺孔閘位置的地基承載情況，為了提高地基承載力，降低地基沉降量，有必要應(yīng)用碎石樁處理地基。結(jié)合工程實(shí)際施工情況，根據(jù)振沖碎石樁作用機(jī)理，明確淺孔閘振沖碎石樁地質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化工程振沖碎石樁設(shè)計(jì)，從而提升施工質(zhì)量，優(yōu)化軟基處理方案。