水閘地基處理設計研究

1 引言

水閘建設工程自興起后在我國快速發展， 并取得了較大的成果和進步。 但在水閘工程建設的過程中，由于地基處理設計工作存在欠缺所導致的安全問題時有發生。 一方面水閘工程施工區域地質條件較差，影響了混凝土質量與巖石穩定性；一方面地基容易受到施工階段的影響，造成地基沉降等問題，影響整體穩定性。 針對水閘地基處理內容，國內外不少學者進行了相關的研究，在以往的研究當中，學者大多集中于水閘地基處理中樁基處理方法的應用以及針對軟土地基的處理方法研究上，為了更好地處理水閘地基，本文以實際工程為例，對比多個地基處理方法，對其加以深入研究。

2 水閘地基處理設計常用方法

2.1 樁基處理法

樁基處理法結合圍封施工主要針對液化砂性土地基區域。 在實際水閘工程中， 若是液化層的厚度較低且整體較淺時，可以直接采用圍封方式處理。 一般來說，圍封的深度要超過液化層，通過高壓擺噴的方法設計圍封墻。 通常情況下，圍封墻可以使用三管法高壓擺噴折接的方法設置， 控制噴射的方向與軸線之間形成25°的夾角，30°的擺角。 通過以上方式所設置形成的圍封墻墻體的抗壓強度要高于3 MPa， 最小厚度大于0.2 m，且滲透系數符合i×10-6m/s（i 為1~5），允許滲透比降值高于40。 若是液化層厚度較高、整體較深時，可以在閘板的下方使用混凝土灌注方法設計樁基礎， 利用樁基提高地基的承載力，以此避免在受到外界影響時地基出現液化現象，降低其穩定性，影響水閘整體的安全。

2.2 強夯法

強夯法可快速加固地基， 在地基高處位置給予其巨大的振動和沖擊，以此排出地基中的氣體，達到密實效果，將其中的液體排出，使地基中的各個組成部分重新排列組合，形成預變形，進而提升地基土的性質，提高地基整體的穩定性。

2.3 墊層法

墊層法（見圖1）處理設計地基應用范圍較為廣泛，其主要在于通過改變地基的應力分布進而改善其穩定性， 同時實現塑性變形基礎還原。 墊層法重點計算和確定墊層的寬度和厚度，核算地基承載力。 一般來說，在水閘工程中，墊層地面的壓力應小于地基的承載力， 若其厚度過小， 則難以起到緩沖作用。 選擇墊層材料盡量就地取材，結合成熟技術，便于施工的進行。 通常情況下，必須選擇良好的粗砂和中粗砂，通過振動使其達到密實狀態。 比如，一個水閘的地基使用厚3.9 m 的中粗砂，使用水振法振動后達到密實狀態，相對密度在0.9 左右，最大干密度達到將近1.9 g/cm3，使其滿足施工要求。 墊層法尤其注意盡量避免使用細砂或砂質壤土， 由于其不均勻系數較高，在振動作用下很容易液化。

圖1 墊層法地基處理

2.4 沉井法

沉井法在地基處理設計施工中十分常見，應用較為廣泛，在水閘工程中不僅可以提高地基的承載力， 還能夠解決地基的滲透變形問題，對于后續開挖工程十分有利。 沉井法最常用于上部為流沙層或軟土層， 下部為巖石下臥層或硬土的水閘地基類型，且在施工時需將沉井放置在硬土層表面。 若是水閘地基中的巖層表面傾斜度較大或有障礙物難以清除時， 要避免使用沉井法。 為了避免在地基處理設計施工中，使用沉井法時遇到流沙地層出現沉井偏斜、沉陷等問題，影響施工的正常進行，甚至造成地基下沉或邊坡塌方等嚴重問題。 在設計過程中， 要注意以下地層情況的處理： 粉沙土層中粉粒含量超出75%、黏土顆粒含量低于10%；土層中粉沙層或亞黏土層厚度大于25 cm；土層含水量超出30%、土層孔隙率低于43%[1]。

2.5 振動水沖法

地基處理設計工作中， 振動水沖法能夠產生較好的效果，能夠降低地基的沉降量，提高地基的承載力。 該方法對于飽和砂土而言，更是能夠提高其抗振動能力，避免液化情況出現。 振動水沖法相對來說施工較為簡便、效率較高且成本較低。 通過向振沖孔內添加填料，將其擴擠成樁進而對地基起到振沖效果，尤其對于沙壤土地基或砂土地基效果更加。 但整體而言，該方法不適用于抗剪強度較低、含水量較大的軟黏性土地基的處理。

3 水閘地基處理設計方法對比

3.1 工程概況

本次研究工程以甘肅省某水閘軟土地基處理設計為例，該水閘負責除澇、水資源調度和應急通航等多項功能。 水閘共有3 孔，孔的總寬度為60 m，是甘肅地區較大的水閘工程。 該水閘工程的孔跨徑較大，且閘首的兩側均為高填土，其高度甚至達到了14 m 左右。 為了減低孔跨徑過大在結構內部產生較大應力，工程采用了分離式孔跨結構，中間孔位置屬于獨立底板，兩邊孔為整體結構。 對于該水閘工程而言，最容易出現的地基問題即為不均勻沉降或變形移位等，影響水閘的安全運行。

該水閘的閘室底板底高程在-4.0 m，水閘整體位于灰色砂質粉土層，閘室的底板厚度相對較薄，最薄的位置只有2 m 左右厚，其下部所處的灰色淤泥質粉質黏土屬于軟弱下臥層，厚度較高，且土質一般。 針對水閘地基的地質條件，結合工程要求和標準，進行相應的地基處理設計工作。 具體土層性質如表1 所示。

表1 土層性質參數表

3.2 總體設計思路

該水閘工程在地基處理設計中， 主要解決孔兩邊的不均勻沉降問題以及孔之間的差異沉降問題。 由于該工程的閘首回填土高度過高， 閘中孔閘室的兩邊載荷分布情況十分不均勻，因此必須及時采取相應的措施，以避免造成閘室出現嚴重的不均勻沉降或變形問題，影響水閘的穩定運行。 對此，閘首的結構部分在處理設計地基時， 應盡量降低其兩側的高填土高度，并降低兩孔邊和兩孔之間的不均勻沉降問題[2]。 整體而言，主要包括以下幾方面設計：（1）在邊孔兩側設置空箱岸墻結構， 承擔部分高填土產生的壓力， 降低閘室的承載負擔。（2）使用復合地基加固方法處理岸墻后側的引堤地基，降低整體結構與引堤間的不均勻沉降現象。 （3）根據上部建筑結構情況，針對性地加寬邊孔閘室底板，在靠岸一側設置6 m 的空箱結構，另一側向中孔外挑2.5 m，并適當增加孔底板寬度，降低沉降現象。 （4）提升樁基布置，降低閘室底板不均勻沉降現象。

3.3 地基處理設計方法及對比

在該水閘工程中，閘首主體結構位置的地基處理和引堤高填土位置的地基處理占據更為重要的地位，因此，為了實現更好的施工效果，使用分段的方式處理設計地基，設計針對性施工方案。 首先，完成閘首主體結構的地基處理設計，在這一過程中，不改變引堤地基的處理方法。 其次，完成引堤地基的回填土基礎地基處理設計，這一過程中，閘首主體結構的地基處理設計采用上述方法，控制變量，完成地基處理方法的研究和對比。

3.3.1 閘首主體結構地基處理設計

該部分地基處理設計中， 主要采取不同的樁基結構布置方法，對其加以對比和分析。 在此過程中，全部使用攪拌樁的方法處理岸箱地基。 方案一：中孔樁基設置15 m 鋼筋混凝土方樁和滿堂疏樁、 邊孔樁基設置27 m 的鋼筋混凝土方樁、滿堂布置、邊孔結構位置設置6 m 左右的空箱結構、岸箱采用三軸攪拌樁復合地基處理方式。 引堤中，4.5 m 以下部分采用復合地基處理，以上部分采用素填土方式。 方案二：中孔樁基無孔設置，其余處理方式不變。 方案三：邊孔樁基將樁基集中布置于閘墩下方，其余處理方式不變。 方案四：邊孔結構處理中不設置空箱結構，其余處理方式不變。 通過以上處理方式，對比沉降情況如表2 所示。

表2 不同方案沉降及內力情況

通過數據信息對比情況可以發現，在地基處理中，取消中孔底板樁基對整個閘首的變形沉降情況影響較小； 對于邊孔布樁不均勻會導致孔內力降低，但對整體閘首變形沉降情況影響較小；取消邊孔空箱能夠大幅度提升邊孔內力，但同時會很大程度上影響閘首的變形沉降情況[3]。 由此可以分析出，對閘首主體結構處理設計地基時，設置6 m 的空箱結構，取消中孔底板樁基并按照不均勻布樁的方式處理邊孔底板效果更佳。

3.3.2 岸墻地基與墻后填土處理

該工程中，針對岸箱的地基處理設計，選擇使用鋼筋混凝土方樁和復合地基加以對比。 其中，復合地基處理方式中，使用三軸攪拌樁處理岸箱地基，不斷加深岸箱深度，使其深度約為25 m。 鋼筋混凝土方樁處理方法主要將鋼筋混凝土方樁作為基礎，設置27 m 的樁基，對于岸墻后的引堤使用三軸攪拌樁的方式處理和加固，對于4.5 m 以上范圍的引堤采用輕質回填土和常規填土的方式加以處理即可。 方案一：中孔無樁，邊孔為27 m 方樁不均勻分布， 岸箱采用三軸攪拌樁復合地基，引堤4.5 m 以上常規回填土，以下復合地基處理。方案二：引堤4.5 m 以上輕質回填土，其余不變。 方案三：岸箱27 m 方樁，其余與方案二一致。方案四：27 m 方樁，其余與方案一一致。通過處理結果，對比分析如表3 所示。

表3 不同方案沉降及內力情況

通過對比分析可以看出， 方案一的岸墻沉降情況較為嚴重，其余方案的沉降量相對較低，但方案二中的邊孔底板會產生較大的位移情況；使用輕質回填土可有效降低沉降量，且施工經濟性較高； 使用鋼筋混凝土方樁處理岸箱效果要好于復合地基處理方法，可有效降低不均勻沉降現象，但會產生相對較大的底板位移。

4 結語