某水閘地基處理方案及滲流穩定性分析

馮光亮

(新疆峻特設計工程有限公司 阿拉爾分公司,新疆 阿拉爾 843000)

1 概 述

水閘工程是重要的水利設施,對區域水資源調度、防洪等具有十分重要的作用。水閘工程閘址區域在河水的長期侵蝕、沖刷、淤積影響下,地基土往往承載力較差,無法滿足設計要求。針對這種情況,則需要采取地基處理以滿足承載力、變形等要求[1-3]。滲流破壞是水利設施常見的破壞形式,對工程安全影響較大,因此在工程設計階段,不可忽略滲流的影響。本文結合某水閘工程實際情況,對水閘地基處理方案及滲流穩定性進行分析,研究結果可為類似工程提供參考。

2 工程概況

水閘由內河連接段、堤身箱涵段、閘室、外河連接段、護坦、海漫及防沖槽組成。由于閘室地基承載力較差,需對地基進行處理。5孔閘加上閘墩寬度,垂直水流方向寬度為31.6m,因此采用箱涵整體式布置,將5孔分成2孔一聯與3孔一聯箱涵,對其下部進行基礎處理。閘墩上部設檢修平臺、啟閉工作室等。

3 地基處理方案

根據地質勘察報告,本工程建筑物基礎位于粉質黏土層上。但位于該土層下的中砂層和淤泥質土層力學性能較差,未經處理不能作為建筑物基礎持力層;其下粉質黏土層,承載力高,是較好的基礎持力層。

閘室底板高程為4.70m,板厚1.0m。閘室及翼墻的穩定計算結果顯示,平均基底應力為70～100.5kPa,均大于淤泥質土(閘室及翼墻均落在淤泥質土上)的承載能力70kPa,須對地基進行處理。

根據場地工程地質條件、環境條件及結合建筑物的特點,可采用換填砂墊層、粉體噴射攪拌樁法、預應力混凝土管樁法3個方案進行處理。

1)換填砂墊層方案:將閘底板和翼墻底板以下的淤泥質土挖除,換以中粗砂。由于閘底板以下的淤泥質土層有1～5m埋深,若采用挖出淤泥換以墊層,開挖時將會破壞地基土已經基本完成的固結特性。此外,開挖時基坑排水不便,將會增加施工難度和工程投資。

2)粉噴樁方案:粉噴樁通過水泥和土壤攪拌,改變土壤顆粒組成,對于防止深層滑動、提高地基防滲性能具有明顯作用。其優點有:最大限度地利用了原土;攪拌時無振動、無污染、無噪音;加固后土體重度基本不變,不會產生附加沉降;成本低。缺點有:工程量大,施工速度較慢,施工周期較長。

3)預應力混凝土管樁方案:預應力混凝土管樁是體現當代混凝土技術進步與混凝土制品高新工藝水平的一種預制混凝土樁。其優點有:單樁承載力高;運輸吊裝方便,接樁快捷;施工速度快、工效高、工期短。缺點有:錘擊法施工時震動劇烈、噪音大、擠土量大;對地層有一定擾動作用,會加劇地層后期沉降,有造成不均勻沉降和閘底脫空滲透破壞的危險;工程造價高。

通過對比,地基處理采用粉噴樁(復合地基)方案。根據工程總體布置,并結合閘址工程地質報告,為了滿足防滲要求,閘室和鋪蓋、消力池用止水連為一體,鋪蓋長10.0m,閘室與涵洞長44.0m,共計54.0m。鋪蓋與閘室、閘室與涵洞、護坦與閘室之間設止水。為了滿足地基承載力的要求,避免前后不均勻沉降導致底板拉裂,閘室、上下游兩側翼墻均需進行基礎處理。根據地基適應的條件,對地基采用單根深10m、φ600mm粉噴樁處理。閘室及擋土墻基礎平面間距呈1.5m×1.5m的方形布置,閘室基礎兩側各10m范圍內呈3.0m×3.0m的方形布置。沿刺墻所在橫斷面基礎采用單個樁搭接15cm形成厚40cm豎直防滲墻,與刺墻一起形成平面防滲系統。閘室左側邊坡按1∶1.5m開挖回填,右側靠近新泵站,邊坡按1∶1.0開挖回填。經過沉降計算,閘室在進行地基處理時的沉降27.4cm,地基處理后在復合地基中的沉降為4.1cm。

4 滲流穩定性分析

4.1 基本情況

防滲長度按《水閘設計規范》(SL 265-2018),由于水閘基底有一定埋深,上部相對隔水層有效厚度較薄。其中,基礎低液限黏土層以下的②3低液限粉土層以粉粒及粉砂粒為主,次為黏粒,具弱透水性;②4礫砂層含較多次圓狀礫粒,具有強透水性。故取允許滲透系數為4,由校核工況的上下游水頭差6.31m,計算得出防滲長度為25.24m。因此,將長44.0m的閘室與長10.0m的鋪蓋連為一體,作為整個水平防滲長度。為了適應地基變形,在消力池與閘室底板、底板中間以及閘室底板與鋪蓋之間設止水。計算土層滲透系數見表1。

表1 計算土層的滲透系數 /cm·s-1

4.2 工況組合及計算主要步驟

根據可能出現的水位情況,選擇以下2種組合工況進行穩定滲流計算:

①工況1(設計工況):外河水位13.17m,內涌水位7.5m。

②工況2(校核工況):外河水位13.81m,內涌水位7.5m。

4.2.1 計算范圍選取

閘室底板與鋪蓋總長54.00m,深度方向從底板高程4.70m取至②4礫砂層底部,平均-19.00m,總深度24.70m。

4.2.2 阻尼系數的計算

1)有效深度的確定。由于L0=10.0+44.0=54.0m,S0=2.0m;L0/S0=27>5;按下式計算Te:Te=0.5L0=27.0m。

經計算,有效深度Te=27.0m,大于實際深度4.70-(-19.00)=23.70m。因此,地基計算深度按照T=23.70m計算。

2)簡化地下輪廓。將地下輪廓劃分為23段,簡化后的地下輪廓見圖1。設計工況下的滲流計算見表2、表3;校核工況下的滲流計算見表4、表5。

表2 設計工況下滲流計算表

表3 設計工況下各角隅點滲透水頭

表4 校核工況下滲流計算表

表5 校核工況下各角隅點滲透水頭

圖1 改進阻力系數法計算圖(單位:cm)

4.2.3 滲透坡降

根據《水閘設計規范》(SL 265-2018),閘底板地基黏土的允許滲透坡降出口段[J1]=0.6～0.7,水平段[J2]=0.3～0.4。在采用改進阻力系數法進行滲流計算結果中,在不同工況下,各水平段滲透坡降見表6。

表6 不同工況下水平段滲流坡降值

由計算結果可知,滲流坡降值均小于規范允許值,滿足規范要求。基于水閘的重要性,為了加強工程的可靠性,在箱涵中部修建一道刺墻。具體為箱涵兩側為長5m鋼筋混凝土刺墻,底部以下為長10m連續粉噴樁刺墻。即沿刺墻所在橫斷面的地基基礎采用單排粉噴樁,樁之間搭接15cm形成厚40cm豎直連續防滲墻。此外,分別在箱涵的第2、第3節修建厚0.5m截水環。由于刺墻、截水環都是防滲加強措施,故無需再進行防滲計算。

5 結 論

1)水閘工程部分區域位于承載力較低的軟土層,無法滿足設計要求。根據類似工程經驗,選取換填砂墊層、粉噴樁、預應力混凝土管樁3種地基處理方案進行了對比分析,考慮各種方案的優缺點,最終選取粉噴樁作為推薦方案,其主要優勢為造價低。

2)根據水閘設計方案,將水閘進行簡化,獲取各段的阻力系數,獲取水頭損失。經過滲流穩定性分析,滲流坡降值均小于規范允許值,滿足規范要求。設計方案考慮到水閘工程的重要性,加設了刺墻和截水環,兩者均具有良好的防滲能力,進一步提高了水閘滲流穩定性。