三仙湖水庫下壩調節泵站工程樁基優化設計分析

馮 娟

(湖南建工集團有限公司，長沙 410004)

1 工程概況

三仙湖下壩泵站工程為閘站結合的綜合樞紐工程，泵站補水設計流量16 m3/s，排水流量為38 m3/s，裝機功率2 520 kW，泵站等別為Ⅲ等中型泵站。泵站設4臺水泵，其中2臺排水單向泵站，2臺抽排相結合的雙向泵站；原水閘拆除重建，與泵站結合一體化布置；泵站下游河道清淤工程河段為下壩至赤磊洪道，以提高泵站的取水保證率。

建設場地位于三仙湖下壩右壩端，屬沖湖積堆積地貌單元，該處河谷寬約350 m，河底高程一般為26.70～27.30 m，大堤高程為36.80～39.20 m，地表水系發育。工程區主要揭露地層為第四系沖湖積堆積地層及人工填土層，自上而下依次為人工填土(Qs)、淤泥質粉質黏土(Q4al+l)、粉質黏土(Q4al+l)、壤土(Q4al+l)、細砂(Q4al+l)、粗砂(Q3al)、圓礫(Q3al)、粉質黏土(Q3al)、粗砂(Q3al)。各層物理力學性狀差異較大，建議采用復合地基基礎形式，復合樁基應穿過上部軟弱土層，達到粗砂層或圓礫層。工程區土體主要物理力學指標見表1。

2 樁基原設計方案存在的問題

原設計采用樁徑80 cm的C30混凝土鉆孔灌注樁進行地基處理，鉆孔灌注樁底高程統一為 2.00 m，以樁端深入粗砂層或圓礫層≥2.5 m為準。在施工過程中，首先根據原設計方案進行基坑開挖，當基坑開挖至高程 29.00 m左右時，基坑中出現多處流沙現象。根據現場踏勘情況，提出先采取井點降水措施，并指出樁基施工區地下水位高，下臥地層大部分為細砂層，原鉆孔灌注樁方案施工難度大，如果采取泥漿護壁施工，鉆孔灌注樁很難成樁。同時，由于基坑開挖工程實際施工進度較計劃工期滯后2個月左右，如若將鉆孔灌注樁泥漿護壁施工方式改為埋設護筒施工方式，基本不可能在計劃工期前完成高程39.00 m以下部分施工。因此，需要對原鉆孔灌注樁方案進行設計優化。

3 樁基優化設計

3.1 設計優化方案的提出

水泥粉噴樁：借助于粉噴樁機將水泥用壓縮空氣沿深度方向噴射至被加固的深層軟弱地基中，通過對水泥和地基的強制攪拌混合，并吸收周圍水分產生一系列物理化學反應，形成具有一定強度的水泥土樁，以加固軟土地基。粉噴樁是介于剛性樁和柔性樁之間的一種樁型，具有施工簡單、工期短、工程效益好、安全可靠、振動小、噪聲低、加固效果良好等優點，在淤泥土、黏土、砂土等地基加固中得到廣泛應用[1-3]。

預應力高強混凝土管樁(簡稱PHC管樁)：具有單樁承載力高、樁身混凝土強度等級高、抗彎性能良好、能適應復雜的地質條件、施工速度快、工期短、檢測方便、地區適應性強、對環境污染小、成樁質量可靠和造價低等優點，現已廣泛應用于水利工程，在軟土地基應用亦有很多成功的經驗[4-5]。

鑒于上述兩種方法的優越性，本工程擬首先采用水泥粉噴樁和PHC管樁分別對泵站工程樁基進行優化設計。

3.2 水泥粉噴樁復合地基

本工程泵室基礎尺寸為35 m×26.7 m，閘室基礎尺寸為35 m×9 m，根據地質鉆孔中揭示的工程區各土層狀況和實際施工情況，粉噴樁樁徑采用D=500 mm。考慮到該泵閘室、外江側翼墻地基應力較大(泵室：σ平均=167 kPa；閘室：σ平均=137 kPa;翼墻：σ平均=183 kPa)，對不均勻沉陷有較嚴格的控制，布置樁基時采用縱橫兩個方向等距離矩陣型的樁式，同時考慮洞庭湖區閘基穩定和邊荷影響，在基礎輪廓范圍以外設置3排保護樁。根據《粉體噴攪法加固軟弱土層技術規范》(TB 10113-1996)，原則上粉噴樁應穿透軟弱土層到達強度相對較高的土層，但粉噴樁長度不宜超過15 m，否則施工質量很難保證。同時結合建筑物沉降要求，粉噴樁樁端應深入細砂(Q4al+l)層≥0.5 m。

優化設計得到的水泥粉噴樁復合地基特征參數見表2。從表2中可知，最大基底應力均小于復合地基承載力特征值的1.2倍，平均基底應力均小于復合地基承載力特征值，均滿足規范要求。各建筑物地基最大沉降量均小于150 mm，泵室及閘室地基最大沉降差小于20 mm，其余相鄰建筑物部位的最大沉降差均小于50 mm，也滿足規范要求，表明此方案合理可行。

表2 水泥粉噴樁復合地基優化設計參數

3.3 PHC管樁設計

采用預應力高強混凝土PHC管樁(AB型)，混凝土強度等級采用C80，外徑400 mm，管壁厚95 mm，由PHC管樁承擔全部豎向及水平荷載。根據地勘報告及地質鉆孔圖，樁基宜以粗砂層或圓礫層為持力層，設計樁底高程統一為1.00 m可滿足要求。由于防滲底板下采用剛性基礎時，樁沉降很小，而土體固結沉降相對較大，閘底板與地基土體有發生脫空的可能。同時，閘泵室基礎PHC管樁數量多，對原地層會產生較大擾動，也容易形成滲透通道。綜合考慮，若樁基采用PHC管樁，需增加對閘泵室基礎采取垂直防滲處理措施，避免底板與土脫空產生滲透破壞。從工程區地質特點和工程造價考慮，本工程采用單排粉噴樁柱列式套接，防滲墻布置在閘站底板四周，形成封閉圈，粉噴樁樁徑為50 cm，樁間距為40 cm，搭接厚度為30 cm，樁長為15 m。

優化設計得到的水泥粉噴樁復合地基特征參數見表3。從表3中可知，單樁水平承載力均小于設計承載力特征值，滿足規范要求。同時，各個位置處的樁水平位移均小于規范要求的10 mm，表明此方案合理可行。

表3 PHC管樁優化設計參數

4 樁基設計變更方案比選

從工程量、安全性、工程造價、工期幾方面對兩種優化設計方案進行對比分析，結果見表4。從表4中可以看到，兩種方案在安全上都能滿足規范設計要求，粉噴樁比PHC管樁造價低133萬元。但是PHC管樁工期上比粉噴樁快79 d，并且粉噴樁施工必須嚴格按照規范控制施工速度，不能過快，否則成樁質量難以保證，并且只能成樁28 d后才能進行檢測。因此從安全、總工期、造價綜合考慮，本次推薦采用直徑400 mm的PHC管樁加固地基。最終確定的PHC管樁優化設計方案平面布置示意見圖1。

表4 兩種優化設計方案對比

圖1 PHC管樁優化設計方案

5 結 語

針對三仙湖水庫下壩調節泵站樁基工程在施工過程中遇到的問題，本文提出了水泥粉噴樁和PHC管樁兩種優化設計方案以替換原有的鉆孔灌注樁設計方案，并從工程量、安全性、工程造價和工期等多個方面進行了對比分析。通過綜合考慮，最終決定采用樁徑為400 mm的PHC管樁對泵站工程基礎進行施工。研究成果可為類似工程的設計施工提供借鑒。