漢江雅口航運樞紐工程地基處理優(yōu)化設計

郭玉濤，李潤杰，黃智超

(1.中國葛洲壩集團市政工程有限公司,湖北 宜昌 443002;2.湖南省水利水電勘測設計規(guī)劃研究總院有限公司,湖南 長沙 410007)

0 引言

任何水工建筑物都是建造在一定的地層上的,承受建筑物荷載的地層稱為地基,當天然地基承載力不滿足要求或最大沉降量或最大沉降差達不到要求時,應采取措施進行地基處理。水利工程常用的幾種地基處理方法有:換土(砂)地基、鉆孔灌注樁、預制樁、水泥攪拌樁、高壓噴射灌漿、水泥粉煤灰碎石樁、強夯法、沉井、排水固結法、加筋法等[1-3],但是這些地基處理的方法均有其地層適用的局限性,同時功效低、成本高。本文通過漢江雅口航運樞紐工程地基處理優(yōu)化設計,引進了建筑業(yè)常用的長螺旋鉆孔壓灌樁地基處理技術,取得了良好的工程效果,為水利工程地基處理施工提供了新方法,同時也為各種工程項目之間相互借鑒施工技術提供了思路。

1 工程概況

1.1 工程簡介

雅口航運樞紐位于漢江中游丹江口—鐘祥河段、湖北省宜城市下游15.7 km處,上距丹江口水利樞紐203 km,下距河口446 km,是漢江干流湖北省內(nèi)梯級開發(fā)中的第6級,其上下游分別與崔家營梯級和碾盤山梯級銜接,距上游崔家營梯級約52.67 km,距下游碾盤山梯級約59.38 km。樞紐正常蓄水位55.22 m,相應庫容3.37億m3,裝機容量75 MW,航道等級為Ⅲ(2)級,設計通航船舶噸級為1 000 t。主要建筑物包括船閘、泄水閘、發(fā)電廠房、土石壩、壩頂交通橋、魚道等工程。工程開發(fā)任務以航運為主,結合發(fā)電,兼顧灌溉、旅游等綜合利用效益[4]。

1.2 工程地質(zhì)

壩址區(qū)河谷開闊,呈淺“U”形,河床寬淺,地形上左岸為河漫灘,其后緣接基巖岸坡,岸坡頂部為Ⅱ級階地;右岸為Ⅰ級階地,宜西堤位于Ⅰ級階地?；鶐r為新近系掇刀石組黏土巖夾泥灰?guī)r、粉(細)砂巖、砂礫巖透鏡體,成巖程度差、屬極軟類巖石。河床覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積堆積物,主要由砂卵礫石組成,堆積韻律呈上細下粗的總趨勢[5]。

1.3 建筑物建基面情況

1)泄水閘閘室及船閘部分導航墻基礎坐落于覆蓋層的砂礫石層上,局部分布有粉細砂夾層,工程性質(zhì)較差,根據(jù)建筑物結構進行受力計算,泄水閘閘室最大地基應力為300 kPa,最大沉降量19.9 cm;船閘部分導航墻最大地基應力為360 kPa,最大沉降量15.5 cm。天然地基不能滿足《水閘設計規(guī)范》及《船閘水工建筑物設計規(guī)范》[6]對建筑物正常運用要求,需通過地基處理方式以提高地基承載力并減少地基沉降。

2)安裝場和魚道工程坐落在回填料上,不滿足建筑物承載力要求,需進行地基處理。

2 建筑物地基處理原設計方案

2.1 碎石樁地基處理

泄水閘閘室、岸墻和翼墻均采用碎石樁復合地基處理方案,碎石樁樁徑0.8 m,間距2.0 m～2.4 m,樁長約8 m～12 m,碎石樁樁頂設置30 cm砂石褥墊層,褥墊層上層鋪設10 cm厚C15混凝土墊層,墊層超出基礎外緣1 m。級配砂石墊層中砂與碎石體積比為2∶1,最大粒徑不超過20 mm。

2.2 PHC樁地基處理

1)船閘上游導航墻Ⅰ型(主、輔),下游導航墻Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型(主、輔),下游靠船墩基礎處理采用PHC樁,樁基型號采用PHC-500(100)A-C80-6,樁徑0.5 m,樁間距為(1.5～2.0)m×(1.5～2.0)m,矩形布置樁,樁長為7 m～10 m(下游Ⅱ,Ⅲ型),樁頂設置30 cm厚碎石墊層,碎石墊層上層鋪設10 cm厚C15混凝土墊層,墊層超出基礎外緣1 m。

2)仿生態(tài)魚道箱涵、擋墻及出口閘室基礎處理,工程魚道基礎處理均采用PHC樁,樁基型號采用 PHC-500(100)A-C80-6,樁徑0.5 m,樁間距1.5 m×2 m,矩形布置,樁長8 m,樁頂設置30 cm厚水泥砂褥墊層。水泥砂褥墊層水泥摻量不小于10%,攤鋪后采用平板振搗器振搗密實,夯填度大于0.87,壓實度不低于0.9,滲透系數(shù)不大于10-5cm/s。

2.3 高壓旋噴樁地基處理

電站安裝場建基面以下采用高壓旋噴樁加固,旋噴樁直徑1.1 m,樁距、排距均為2.0 m,呈梅花形布置,樁體深入基巖2 m,樁頂設置30 cm厚水泥砂褥墊層。

3 地基處理優(yōu)化過程

3.1 碎石樁現(xiàn)場試驗

由于泄水閘建基面最先處理完成的,因此針對泄水閘原地基處理設計方案,現(xiàn)場分別進行了φ600 mm和φ800 mm沉管碎石樁試驗及φ800 mm 振沖碎石樁試驗。試驗過程中發(fā)現(xiàn),在試驗場地標高以下約6 m處,φ800 mm沉管碎石樁及φ800 mm振沖碎石樁沉管困難,φ600 mm沉管碎石樁采用鋼靴后較為艱難穿透夾層到達設計標高,試驗過程中設備電纜明顯發(fā)熱,鋼靴受損嚴重且試驗時間較長,原設計施工方案在現(xiàn)場無法實施。

3.2 長螺旋鉆孔壓灌樁現(xiàn)場試驗

結合碎石樁現(xiàn)場試驗實際情況,創(chuàng)造性的提出了長螺旋鉆孔壓灌樁地基處理方案,并補充了長螺旋鉆孔壓灌樁地基處理現(xiàn)場試驗項目,長螺旋鉆孔壓灌樁φ60 cm,樁體材料采用C15混凝土。試驗發(fā)現(xiàn),14根φ60 cm樁成樁過程順利,孔深11.35 m～12.50 m,入巖56 cm～90 cm,樁體平均充盈系數(shù)1.055,單孔成樁平均耗時24 min或46 min。樁基檢測表明,樁身完整性符合Ⅰ類樁要求,單樁承載力特征值1 020 kN,大于設計計算數(shù)值850 kN;復合地基承載力在1.2倍極限承載力作用下沉降為9.67 mm,小于建筑物沉降允許值5 cm。

長螺旋鉆孔壓灌樁試驗效果良好,施工速度較快,能夠滿足泄水閘地基處理設計所需達到的設計參數(shù),同時可以保證工程質(zhì)量及工期進度要求。

3.3 地基處理優(yōu)化設計

長螺旋鉆孔反饋出來的土層結構與地勘資料基本吻合,砂礫石層上部粒徑較小,下部粒徑較大,底部局部會有超過20 cm大塊粒徑,考慮到靜壓PHC樁遇到下部大粒徑砂時,礫石很難打入且PHC樁會有損壞,可能出現(xiàn)斷樁,無法達到設計要求;同時結合整個樞紐各建筑物地基處理方案的多樣性、地層結構的復雜性及工期節(jié)點要求,盡可能統(tǒng)一樞紐區(qū)建筑物地基處理方案,提出對泄水閘、船閘、電站安裝場、過魚設施地基處理方案進行優(yōu)化設計,并且新增了電站尾水渠右擋墻及二期混凝土縱向圍堰地基處理方案,統(tǒng)一優(yōu)化設計為長螺旋鉆孔壓灌樁復合地基處理方案。

地基處理方案確定后,召開了專家咨詢會進行評估確認,與會專家和各方代表根據(jù)現(xiàn)場進行的三種地基處理方案試驗和長螺旋鉆孔壓灌樁單樁承載力及復合地基承載力試驗成果,同意采用長螺旋鉆孔壓灌樁復合地基處理方案。

4 長螺旋鉆孔壓灌樁地基處理方案

4.1 優(yōu)化設計工藝簡介

長螺旋鉆孔壓灌樁技術是采用長螺旋鉆機鉆孔至設計標高,然后利用混凝土泵將流態(tài)混凝土從鉆頭底部活門壓入孔內(nèi),邊壓灌混凝土邊提升鉆頭直至設計樁頂高程以上50 cm處為止的一種新型樁基礎施工工藝[7-8]。

4.2 各部位優(yōu)化方案

1)泄水閘閘室、岸墻和翼墻樁間距2.4 m,梅花形布置,樁長約7.5 m～13.5 m,樁底至基巖面,樁頂設置水泥砂褥墊層,厚度為30 cm,墊層超出基礎外緣1 m。水泥砂褥墊層水泥摻量不小于10%,攤鋪后采用平板振搗器振搗密實,夯填度大于0.87,壓實度不低于0.9,滲透系數(shù)不大于10-5cm/s。

2)船閘上游導航墻Ⅰ型(主、輔),下游導航墻Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型(主、輔),下游靠船墩樁間距(2.0～3.0)m×(2.0～2.4)m,矩形布置,樁底入基巖面,樁長約8 m～17.5 m,樁頂設置30 cm厚碎石褥墊層,褥墊層上層鋪設10 cm厚C15混凝土墊層。級配砂石墊層中砂與碎石體積比為2∶1,最大粒徑不超過20 mm。

3)電站安裝場樁間距2.4 m,矩形布置,樁底深入至細砂巖巖面以下0.5 m,樁長約15.5 m,樁頂設置30 cm厚水泥砂褥墊層。

4)仿生態(tài)魚道箱涵、擋墻及出口閘室,工程魚道均采用樁間距2 m,矩形布置,樁底深入至砂礫石以下1 m,樁長約8 m～12 m樁頂設置30 cm厚水泥砂褥墊層。

5)電站尾水渠右擋墻樁間距(1.5～2.2)m×(2.0～2.2)m,矩形布置,樁底深入至砂礫石層,樁長6 m～8 m,樁頂設置30 cm厚水泥砂褥墊層。

6)二期混凝土縱向圍堰樁間距2.4 m,矩形布置,樁底至基巖面,樁長約10.0 m～10.2 m,樁頂設置30 cm厚水泥砂褥墊層。

5 地基處理優(yōu)化設計驗算

5.1 計算方法

1)單樁承載力特征值:《復合地基技術規(guī)范》[9]要求剛性樁的豎向抗壓承載力特征值應通過單樁豎向抗壓荷載試驗確定,此處取現(xiàn)場地基處理試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)。

2)復合地基承載力特征值:根據(jù)規(guī)范中復合地基承載力特征值計算公式5.2.1-2,結合現(xiàn)場實際情況將公式優(yōu)化為式(1):

(1)

其中,fsk為樁間土承載力特征值,kPa;m為復合地基置換率;Ra為樁體豎向承載力特征值,kN;Aa為樁體橫截面積,m2;λ為樁間土承載力發(fā)揮度,取值0.9。

3)復合地基沉降計算:根據(jù)規(guī)范復合地基的沉降由墊層壓縮變形量、加固區(qū)復合土層壓縮變形量(s1)、加固區(qū)下臥土層壓縮變形量(s2)組成。其中墊層壓縮變形量較小,且在施工期已基本完成,可忽略不計,本項目復合地基樁體長度入巖,為剛性樁,故加固區(qū)下臥土層的壓縮變形量也不考慮,因此本項目復合地基沉降只為加固區(qū)的變形量s1,即s=s1。剛性復合地基沉降參照規(guī)范計算公式5.3.2-3,公式如式(2)所示:

(2)

其中,Q為剛性樁樁頂附加荷載,kN;l為剛性樁樁長,mm;Ep為樁體壓縮模量,kPa;Ap為單樁截面積,m2;Ψp為剛性樁樁體壓縮經(jīng)驗系數(shù)。

5.2 計算成果

根據(jù)優(yōu)化后的地基處理方案進行復合地基承載力及沉降計算,計算成果如表1所示,結果表明優(yōu)化后的地基處理方案均滿足設計要求。

表1 地基處理優(yōu)化設計計算成果表

6 長螺旋鉆孔壓灌樁地基處理優(yōu)點

6.1 工藝優(yōu)點

1)施工效率高:新型的長螺旋鉆機是多功能工程鉆機設備,整體成樁的機械化程度高可360°回轉,移動靈活,定位迅捷精準,動力大,操作簡單,成孔迅速;在雅口航運樞紐地基處理過程中,單孔最快成樁時間為15 min左右,每臺樁基每天可成樁40根～50根。

2)承載力高:本工程長螺旋鉆孔壓灌樁樁底深入基巖面,地基處理后屬于剛性樁復合地基,樁體強度和摩阻力共同發(fā)揮作用,可以很好的發(fā)揮樁體和樁間土的承載效應。雅口一期泄水閘地基處理完成后,分別檢測了4個點的復合地基承載力,按規(guī)范要求2倍的設計承載力進行加載,在最大承載力的作用下,復合地基最大沉降為16.22 mm,小于建筑物允許沉降值3 cm,滿足建筑物沉降要求。

3)環(huán)保性能好:長螺旋鉆孔壓灌樁為干作業(yè)成樁,通過長螺旋鉆具的螺旋刀片切削土體向上運送到孔外,排土成樁,不需要泥漿護壁,所以成樁過程中沒有泥漿污染,低噪聲,低振動,擠土效應小,對鄰近的構筑物基礎無不良影響。

4)經(jīng)濟效益高:長螺旋鉆孔壓灌樁成樁速度快,承載力高,樁徑變化范圍大,適用范圍廣,綜合成本與其他水利工程地基處理樁型相比較為低廉,有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

6.2 實際應用效果良好

泄水閘、船閘、電站安裝場主要通過基巖變位計進行沉降監(jiān)測,過魚設施、電站尾水右擋墻、二期混凝土縱向圍堰主要通過頂部位移監(jiān)測點進行沉降監(jiān)測,監(jiān)測發(fā)現(xiàn)各部位沉降均勻,運行情況良好,具體情況如下:

1)泄水閘各部位基礎沉降較為穩(wěn)定并逐漸趨緩,屬于均勻沉降,但尚未完全收斂;最大沉降位于15聯(lián)中墩,沉降量為12.13 mm(15聯(lián)中墩較其他閘墩尺寸,上部負荷更大)。一期、二期泄水閘分別于2019年12月、2022年7月開始有水運行,截止目前泄水閘各部位運行情況良好。

2)船閘上閘首和閘室9號底板部位的基礎沉降收斂較快,基本趨于穩(wěn)定,2021年汛期對上閘首的基礎沉降收斂過程有小幅擾動。2019年12月船閘開始試通航,截止目前已累計服務船舶1 500余艘。

3)電站安裝場基礎沉降基本收斂,變形以沉降為主,各部位沉降較為均勻。電站安裝場于2021年9月份開始進行機組拼裝及安裝工作,截止目前所有機組已經(jīng)全部安裝完成,運行情況良好。

4)仿生態(tài)魚道、工程魚道于2021年12月全部施工完成,由于下游碾盤山水利水電樞紐工程蓄水水位暫未達到設計要求,一直未投入使用,但是根據(jù)位移觀測點的觀測數(shù)據(jù)可知其沉降較為均勻,無質(zhì)量問題。

5)電站尾水右擋墻、二期混凝土縱向圍堰于2019年12月開始有水運行,根據(jù)位移觀測點的觀測數(shù)據(jù)可知其沉降較為均勻,無質(zhì)量問題。

6.3 推廣應用至其他工程

長螺旋鉆孔壓灌樁復合地基在雅口航運樞紐工程中取得的良好效果,為其他水利工程的地基處理施工提供了參考,目前已知參考雅口工程應用長螺旋鉆孔壓灌樁復合地基的水利水電工程項目有湖北省碾盤山水利水電樞紐工程、湖南省株洲航電樞紐(空洲水電站)擴機工程,而且都取得了不錯的應用效果。

7 結語

本文通過漢江雅口航運樞紐工程地基處理試驗情況,引進了建筑業(yè)常用的長螺旋鉆孔壓灌樁地基處理技術,取得了良好的工程效果,相較于傳統(tǒng)的水利工程地基處理方式,其具有施工效率高、承載力高、環(huán)保性能好、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點?？梢灶A見,在不久的將來,長螺旋鉆孔壓灌樁地基處理技術在水利工程中的應用一定會引起多方面的重視。