湖北省漳河灌區響水洞渡槽工程基礎優化處理技術

摘要：湖北省漳河灌區響水洞渡槽重建工程面臨溶洞、溶溝、溶槽等不良地質現象，影響渡槽拱座和排架基礎施工，針對上述問題，提出渡槽工程基礎優化處理方案，設計并構建了進出口拱座及相關排架。結果表明：優化方案可改善渡槽工程基礎部分地質不良的問題，縮減灌注樁373 m，縮減工期30 d，節省工程投資166萬元。研究成果可為類似工程基礎處理提供借鑒。

關鍵詞：渡槽； 巖溶溶洞； 基礎處理； 漳河灌區

中圖法分類號：TV223文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.013

文章編號：1006-0081（2024）S2-0043-05

0引言

巖溶可能造成巖石結構破壞、地表突然塌陷、地下水循環改變等對工程不利的問題［1］，給工程施工帶來巨大的困擾，需要根據溶洞的實際情況采取合理科學的施工技術，確保工程施工安全和運行安全［2-3］。湖北省漳河灌區響水洞渡槽重建工程面臨溶洞、溶槽等復雜的地質問題，給地基處理帶來困擾。本文結合響水洞渡槽工程區實際地質條件，提出工程基礎處理方案優化設計方案，為類似地質條件工程的基礎處理提供借鑒。

1工程概況

響水洞渡槽重建工程位于湖北省漳河灌區，屬漳河四干渠北干渠跨越仙居河的重要渠系建筑物，渡槽全長330 m，設計流量為7.98 m3/s，加大流量為9.58 m3/s，設計縱坡坡比1/1 000，渡槽和渠道級別為4級。

渡槽槽身、拱圈、排架、拱座等支撐結構為C40混凝土結構，槽身為簡支結構，共26跨，槽身橫斷面尺寸3.25 m×2.5 m（凈寬×凈高），槽頂設拉桿，間距1.75 m，側肋300 mm×250 mm，采用矩形型式，跨仙居河槽段采用100 m單跨空腹板拱結構，拱高25.0 m，寬5.0 m，厚2.0～3.0 m。拱座寬度14.0 m，長度16.0 m，高度10.0 m。排架有單排架和雙排架兩種類型，15 m以上擴大基礎排架采用雙肢雙排，排架柱直徑0.8 m。其余排架采用雙肢單排，排架柱直徑1.0 m，拱圈上部支承排架為雙肢單排，排架柱為矩形變截面，寬度0.80～2.04 m。渡槽縱斷面布置如圖1所示。

2工程地質條件

2.1地貌條件

工程區為剝蝕丘陵，河谷流水侵蝕地貌。兩岸山頂高程94～98 m。河床高程45 m左右，相對高差約50 m。渡槽所處河段河谷近東西向，河谷水面寬約20 m。河谷呈不對稱“V”形谷，右岸較陡，自然坡度約30°～50°，基巖裸露，植被較發育，左岸下部地形較平坦，屬仙居河一級堆積階地，階地寬30 m，上部自然邊坡較緩，坡度13°～18°，基巖偶見出露，植被發育。

2.2地層巖性

工程區巖土層主要為第四系松散堆積物及三疊系下統大冶組灰巖，各地層由新至老主要特征如下。

（1） 第四系全新統人工堆積填土（Qs4）。黃褐色，由黏土組成，含少量碎石，厚度1.0～3.0 m，分布于渡槽與渠道接合部兩側渠堤部位及渡槽墩基礎表面。

（2） 第四系全新統沖洪積堆積（Qa1+p14）。雜色砂礫石，礫石大小混雜，級配較好，礫石成分主要由灰巖組成，砂卵礫石層厚約1.2～5.0 m，分布于仙居河河床。

（3） 第四系上更新統殘積坡積堆積（Qe1+d13）。黃褐色黏土，可塑至硬塑狀態。厚約1.9～13.5 m。分布于渡槽出口和仙居河左岸。第四系上更新統黏土物理力學參數：比重2.73，含水率26.56%，濕密度1.94 g/cm3，干密度1.54 g/cm3，孔隙率0.789，飽和度90.6%，液限50.8%，塑限27%，塑性指數23.8，液性指數-0.03，壓縮系數0.24 MPa-1，壓縮模量（快剪）9.0 MPa，黏聚力c=65 Pa，摩擦角φ=15.6°。屬中壓縮性土。

（4） 三疊系下統大冶組（T1dy）：灰至深灰色灰巖，巖石裂縫不太發育，完整性一般，具溶蝕現象，溶隙中充填黏土。巖心呈柱狀，錘擊聲較清脆，呈弱風化。灰巖主要出露于渡槽進口至仙居河右岸，左岸偶見出露，厚度大于50 m，鉆孔未揭穿。根據本次巖石試驗成果和初設巖石試驗成果，三疊系下統大冶組（T1dy）灰巖物理力學參數：比重2.70，干密度2.69 g/cm3，飽和吸水率0.1%，飽和單軸抗壓強度45 MPa，單軸干抗壓強度60 MPa，縱波波速（濕）4 800 m/s。

2.3地質構造

工程區為單斜巖層，巖層產狀220°～235°∠21°～28°。未見斷層發育。工程區主要發育以下4組裂隙：① 走向325°，NW∠70°～80°；② 走向40°～65°，NW∠70°；③ 走向325°，SW∠21°；④ 走向0°，E∠80°。第一組和第二組裂隙最發育，其與巖層層面將巖石切割成菱形塊體，同時由于溶蝕作用，裂隙寬度變大，一般為10 cm左右，局部充填泥質，大部無充填。

2.4巖溶情況

工程區巖土層主要為第四系松散堆積物及三疊系下統大冶組灰巖，巖溶相對較發育，地表有溶洞、溶槽等巖溶發育。鉆孔16個，其中9個鉆孔揭示在河谷兩岸地表以下均有溶洞發育，洞徑約0.4～2.3 m，均充填黃色黏土。大部分溶洞分布高程55.18～84.69 m，各高程均有分布，溶洞分布高程無明顯規律，溶洞順層、順裂隙發育，規模不大，巖層傾向河流右岸偏上游，左岸與右岸巖層均為中厚層狀，兩岸裂隙發育特征基本相同，地形條件相似，左右岸地下水排泄條件好。因此，在地下水溶蝕作用下，左右岸溶洞溶槽發育特征基本類似。進口拱座溶溝溶槽現場圖片見圖2。

3工程基礎處理方案

3.1原方案

拱座基礎以小型爆破結合人工開鑿進行開挖，以避免大中型爆破作業破壞邊坡穩定和基巖的完整性。上游拱座基礎下部存在溶洞，需在灌注樁施工完成后再進行拱座基礎澆筑，并使灌注樁與基礎連成整體。下游側拱座基礎完整，直接在巖基澆筑基礎。渡槽排架基礎采用擴大基礎，3號單排架和24號雙排架基礎下部存在溶洞，需在灌注樁施工完成后再進行拱座基礎澆筑，并使灌注樁與排架擴大基礎連成整體。

3.2方案分析

原拱座基礎和排架基礎主要采用灌注樁工藝處理，目的是使用鋼筋混凝土灌注到預先鉆孔地層，形成堅固樁體，增加地基承載力和穩定性。灌注樁是工程中較為常用的基礎處理形式，能適應各類地質條件，具有承載力大、抗震能力高的優點，但在巖溶處理中采用灌注樁的工藝較復雜，施工難度增大：① 響水洞渡槽溶洞存在空洞部分，樁基成孔困難，溶洞內部空洞或滲漏嚴重時，為避免造成重大塌孔事故和成樁風險，需要采取鋼護筒跟進法施工，對實際樁長較長的樁基增設鋼護筒，施工難度較大；② 3號單排架和24號雙排架基礎位于地下水上方，屬于干作業施工，不適合樁基的機械成孔，若采用人工挖孔，施工風險較大；③ 灌注樁施工過程中可能因為土體潛蝕和崩解作用引起巖溶塌陷，從而造成施工安全事故。因此，灌注樁施工時除電擊和墜物打擊等安全影響因素外，施工工藝本身可能成為引起巖溶地基失穩的外因，存在較大的潛在風險因素。

3.3基礎處理優化思路

地基處理中擴大基礎是常見的處理方式，原理是將墩（臺）及上部結構傳來的荷載由其直接傳遞至較淺的支承地基的一種基礎形式［4］，一般采用明挖基礎的方法進行施工，故又稱之為明挖擴大基礎或淺基礎。正常工況下，擴大基礎能提高建筑物整體剛度，并改善建筑物建基面附近巖體的應力狀態，可提高建筑物整體穩定性。與灌注樁相比，擴大基礎具有埋深淺、結構形式簡單、施工方法簡便的優點，造價也較低。

3.4進口拱座基礎優化處理方案

進口拱座現場地基條件為建基面長16.00 m，寬14.00 m，設計高程53.36 m。現狀實際開挖高程53.11～53.21 m。根據地質勘察資料，建基面巖性為三疊系下統大冶組灰巖，灰至深灰色，隱晶質結構，中厚層構造，溶溝、溶槽較發育，溶槽中充填黃褐色可塑黏土。

進口拱座共布置10個地質先導孔，先導孔最小中心間距為2.5 m。結合基礎條件和先導孔地質勘察資料，進口拱座地基條件可初步判定如下：建基面共發育8條溶溝溶槽，其中建基面下發育2條溶槽，溶槽高程分別是50.53～50.83 m、51.56～51.86 m，溶槽分布高程無明顯規律，高程50.0 m以下巖體完整。基坑右側發育4條溶槽，左上游角落處發育1條溶槽，基坑中間靠下游處發育1條溶槽，溶槽以豎向為主，順層、順裂隙發育的規模不大，溶溝溶槽的總面積占比為16%。根據鉆孔取芯情況，進口拱座基礎的所有溶溝、溶槽相互獨立，并不連通。

依據勘探孔資料和開挖揭露情況，優化設計改用擴大基礎處理，具體處置方式如下。

以人工配合機械開挖的方式，首先將溶槽內充填黏土清除，清除高程至少達到50.53 m，然后將溶槽開口面擴大放坡；為避免過多挖除完整巖體，盡量將開挖坡度放陡，但不得陡于1∶0.5，保證溶槽開挖后整體呈倒楔形，然后溶槽內布置縱橫鋼筋，用混凝土回填至設計高程。采用渡槽工程基礎優化處理技術方案，地基承載力、抗滑性、穩定性等各項指標均滿足灌排工程設計標準要求，取消進口拱座原設計的20根灌注樁處理方案，減少了灌注樁373 m，縮短工期30 d，節省投資約166萬元。進口拱座溶溝溶槽處理如圖3所示。

3.5出口拱座基礎優化處理方案

響水洞渡槽出口拱座基礎為三疊系下統大冶組灰巖，在開挖至建基面后，發現基坑建基面存在2條形狀不規則的溶槽，溶槽中充填黃褐色可塑黏土，含鐵錳質結核。其中，基坑下游側發育有1條溶槽，基坑中部靠上游處發育1條溶槽，溶槽以豎向為主，順層、順裂隙發育，規模不大，最大深度2.0 m，最大寬度1.2 m，為“淺窄”類溶槽，溶槽總面積與建基面面積的比值為5.5%。

在出口拱座基坑建基面范圍內2條溶槽邊沿及可能發育方向補鉆地質孔，未發現相連通的新溶槽、溶洞。清除2條溶槽中的充填黏土，將溶槽面沖洗干凈。將突出的巖體挖除，使開口面形成倒本楔形，基坑回填C25混凝土，其上以鋼筋混凝土結構跨越該溶槽。出口拱座溶溝溶槽處理如圖4所示。

3.6排架基礎優化處理方案

響水洞渡槽排架基礎挖至建基面。上游排架基礎處理為巖石地基，下游部分排架基礎是半巖半土、土質地基。經現場檢驗，兩種基礎地基承載力滿足設計要求。其中，半巖半土的地基建基面分布有不規則的淺層溶槽，溶槽中充填黏土。

地質先導孔勘察結果表明：渡槽上游地質條件較好，溶洞少，下游溶洞較密集，但多為充填溶洞，溶洞埋藏較深，上部灰巖厚度6.6～8.5 m，厚度較大，承載力高，而排架基礎應力較小，可見溶洞對基礎承載力和穩定影響較小。

根據先導孔和排架基礎實際開挖情況，取消原設計方案中3號單排架和24號雙排架下共6根樁基礎，排架基礎調整為擴大基礎。

有關排架基礎處理基本原則：對于半巖半土的地基，對淺層溶槽1.5 m深度范圍以內，以開挖的方式將充填黏土和突出的巖體挖除，使其開口面形成倒楔形狀，并回填C25混凝土至設計建基面高程。排架基礎優化處理如圖5所示。

4結語

本文以湖北省漳河灌區響水洞渡槽工程基礎處理為例，結合先導孔資料和現場開挖情況，采取針對性的處理措施，優化了原設計方案，主要包括渡槽拱座和部分排架地基處理方式的調整。經驗算，渡槽拱座和排架地基承載力、偏心距、允許沉降量和沉降差、抗滑穩定和抗傾覆穩定均滿足灌排工程設計標準。在節約工期和工程投資的同時，工程任務和規模、工程安全、工期、生態環境、效益和運行等方面未發生改變。研究成果可為類似工程基礎優化處理提供借鑒。

參考文獻：

［1］畢樹峰.巖溶區高速鐵路樁基礎施工溶洞處理技術研究［J］.中外公路，2014，34（5）：200-202.

［2］閆福根，傅興安，蔡漢生，等.孤山航電樞紐工程壩基處理及滲控方案設計［J］.水利水電快報，2023，44（6）：48-52.

［3］胡蘭，呂國梁.南水北調中線工程大型渡槽樁基設計［J］.水利水電快報，2002，23（23）：23-24.

［4］陳家東，林明標，陳積瞻，等.海南牛路嶺灌區工程高大跨度拱式渡槽抗震性能分析［J］.水利水電快報，2022，43（9）：35-39，48.

（編輯：高小雲）