三仙湖水庫下壩調(diào)節(jié)泵站工程樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

馮 娟

(湖南建工集團(tuán)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(jié)合的綜合樞紐工程，泵站補(bǔ)水設(shè)計(jì)流量16 m3/s，排水流量為38 m3/s，裝機(jī)功率2 520 kW，泵站等別為Ⅲ等中型泵站。泵站設(shè)4臺水泵，其中2臺排水單向泵站，2臺抽排相結(jié)合的雙向泵站；原水閘拆除重建，與泵站結(jié)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(shè)場地位于三仙湖下壩右壩端，屬?zèng)_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(fā)育。工程區(qū)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(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4al+l)、粉質(zhì)黏土(Q4al+l)、壤土(Q4al+l)、細(xì)砂(Q4al+l)、粗砂(Q3al)、圓礫(Q3al)、粉質(zhì)黏土(Q3al)、粗砂(Q3al)。各層物理力學(xué)性狀差異較大，建議采用復(fù)合地基基礎(chǔ)形式，復(fù)合樁基應(yīng)穿過上部軟弱土層，達(dá)到粗砂層或圓礫層。工程區(qū)土體主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2 樁基原設(shè)計(jì)方案存在的問題

原設(shè)計(jì)采用樁徑80 cm的C30混凝土鉆孔灌注樁進(jìn)行地基處理，鉆孔灌注樁底高程統(tǒng)一為 2.00 m，以樁端深入粗砂層或圓礫層≥2.5 m為準(zhǔn)。在施工過程中，首先根據(jù)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行基坑開挖，當(dāng)基坑開挖至高程 29.00 m左右時(shí)，基坑中出現(xiàn)多處流沙現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，提出先采取井點(diǎn)降水措施，并指出樁基施工區(qū)地下水位高，下臥地層大部分為細(xì)砂層，原鉆孔灌注樁方案施工難度大，如果采取泥漿護(hù)壁施工，鉆孔灌注樁很難成樁。同時(shí)，由于基坑開挖工程實(shí)際施工進(jìn)度較計(jì)劃工期滯后2個(gè)月左右，如若將鉆孔灌注樁泥漿護(hù)壁施工方式改為埋設(shè)護(hù)筒施工方式，基本不可能在計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 樁基優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的提出

水泥粉噴樁：借助于粉噴樁機(jī)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(qiáng)制攪拌混合，并吸收周圍水分產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)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(dòng)小、噪聲低、加固效果良好等優(yōu)點(diǎn)，在淤泥土、黏土、砂土等地基加固中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁(簡稱PHC管樁)：具有單樁承載力高、樁身混凝土強(qiáng)度等級高、抗彎性能良好、能適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件、施工速度快、工期短、檢測方便、地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)、對環(huán)境污染小、成樁質(zhì)量可靠和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利工程，在軟土地基應(yīng)用亦有很多成功的經(jīng)驗(yàn)[4-5]。

鑒于上述兩種方法的優(yōu)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 水泥粉噴樁復(fù)合地基

本工程泵室基礎(chǔ)尺寸為35 m×26.7 m，閘室基礎(chǔ)尺寸為35 m×9 m，根據(jù)地質(zhì)鉆孔中揭示的工程區(qū)各土層狀況和實(shí)際施工情況，粉噴樁樁徑采用D=500 mm?？紤]到該泵閘室、外江側(cè)翼墻地基應(yīng)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(yán)格的控制，布置樁基時(shí)采用縱橫兩個(gè)方向等距離矩陣型的樁式，同時(shí)考慮洞庭湖區(qū)閘基穩(wěn)定和邊荷影響，在基礎(chǔ)輪廓范圍以外設(shè)置3排保護(hù)樁。根據(jù)《粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范》(TB 10113-1996)，原則上粉噴樁應(yīng)穿透軟弱土層到達(dá)強(qiáng)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(zhì)量很難保證。同時(shí)結(jié)合建筑物沉降要求，粉噴樁樁端應(yīng)深入細(xì)砂(Q4al+l)層≥0.5 m。

優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的水泥粉噴樁復(fù)合地基特征參數(shù)見表2。從表2中可知，最大基底應(yīng)力均小于復(fù)合地基承載力特征值的1.2倍，平均基底應(yīng)力均小于復(fù)合地基承載力特征值，均滿足規(guī)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(guī)范要求，表明此方案合理可行。

表2 水泥粉噴樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 PHC管樁設(shè)計(jì)

采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土PHC管樁(AB型)，混凝土強(qiáng)度等級采用C80，外徑400 mm，管壁厚95 mm，由PHC管樁承擔(dān)全部豎向及水平荷載。根據(jù)地勘報(bào)告及地質(zhì)鉆孔圖，樁基宜以粗砂層或圓礫層為持力層，設(shè)計(jì)樁底高程統(tǒng)一為1.00 m可滿足要求。由于防滲底板下采用剛性基礎(chǔ)時(shí)，樁沉降很小，而土體固結(jié)沉降相對較大，閘底板與地基土體有發(fā)生脫空的可能。同時(shí)，閘泵室基礎(chǔ)PHC管樁數(shù)量多，對原地層會(huì)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，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(chǔ)采取垂直防滲處理措施，避免底板與土脫空產(chǎn)生滲透破壞。從工程區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)和工程造價(jià)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(yōu)化設(shè)計(jì)得到的水泥粉噴樁復(fù)合地基特征參數(shù)見表3。從表3中可知，單樁水平承載力均小于設(shè)計(jì)承載力特征值，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，各個(gè)位置處的樁水平位移均小于規(guī)范要求的10 mm，表明此方案合理可行。

表3 PHC管樁優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

4 樁基設(shè)計(jì)變更方案比選

從工程量、安全性、工程造價(jià)、工期幾方面對兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析，結(jié)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(guī)范設(shè)計(jì)要求，粉噴樁比PHC管樁造價(jià)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(yán)格按照規(guī)范控制施工速度，不能過快，否則成樁質(zhì)量難以保證，并且只能成樁28 d后才能進(jìn)行檢測。因此從安全、總工期、造價(jià)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(yōu)化設(shè)計(jì)方案平面布置示意見圖1。

表4 兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對比

圖1 PHC管樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

5 結(jié) 語

針對三仙湖水庫下壩調(diào)節(jié)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(yōu)化設(shè)計(jì)方案以替換原有的鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)方案，并從工程量、安全性、工程造價(jià)和工期等多個(gè)方面進(jìn)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(chǔ)進(jìn)行施工。研究成果可為類似工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。