北溪分洪橋閘重建工程地基處理優(yōu)化設(shè)計

涂 超

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510635）

1 工程概況

潮州市北溪分洪橋閘位于潮州古城東南約3 km 的韓江下游第一支流北溪入口處,潮州八景之一的鳳凰塔旁,初建于1957 年,是韓江下游用于控洪、排澇、交通及灌溉等綜合利用的大（2）型水閘。根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查并結(jié)合透地雷達探測資料,自2006 年潮州供水樞紐運行后,北溪分洪橋閘保持在常年高水位狀態(tài)下運行,閘前粘土鋪蓋已經(jīng)失效,堰體外包混凝土體已經(jīng)破碎破壞,漿砌石體滿布孔隙空洞。消力池中排水孔多數(shù)被泥沙填塞,無水流出,導(dǎo)滲設(shè)施基本失效。閘前水直接從堰體前進入,從堰體后出滲,滲徑明顯縮短,防滲體系的整體性和有效性不足,水閘存在滲透破壞的風(fēng)險。2019年9 月北溪分洪橋閘下游堰體及消力池底板出現(xiàn)冒水安全隱患,2020 年1 月經(jīng)安全鑒定評定為“四類閘”,需拆除重建。

北溪分洪橋閘采用原址重建,主要建筑物級別為2 級,次要建筑物級別為3 級。其洪水標(biāo)準(zhǔn)按30 年一遇洪水設(shè)計,100 年一遇洪水校核。重建水閘共5 孔,單孔凈寬15 m,閘孔總凈寬75 m,順?biāo)鞣较蜷L24 m。保留右岸電站引水箱涵,箱涵后設(shè)置電站引水閘,共1 孔,單孔凈寬4.0 m。下游一級消力池長34.2 m,二級消力池長30.8 m,海漫長45 m。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)本工程地質(zhì)勘測資料,工程場地為”U”型谷,水閘位于北溪河入口,兩側(cè)為低丘陵山體,基巖為凝灰?guī)r,巖面自兩側(cè)向中間傾斜。閘址區(qū)地層主要有：第四系人工填筑層（分為①-1 填石、①-2 人工填土）、第四系海相沉積層（②-1泥質(zhì)粉細砂及②-2 淤泥層）、第四系沖積層（③-1 中粗砂、③-2 粘土層、③-3 淤泥質(zhì)土、③-4 粘土層）,基巖為侏羅系上統(tǒng)兜嶺群凝灰?guī)r。其中,③-1 中粗砂層在工程區(qū)閘址、消力池、上游鋪蓋及左右兩岸地基廣泛、連續(xù)分布,揭露厚度為2.30 m～17.30 m,平均厚度為9.07 m,滲透系數(shù)3.32×10-2cm/s,該層與韓江直接連通,是主要滲漏通道,易產(chǎn)生滲透破壞,需對其進行防滲處理。

本工程處于地震基本烈度Ⅷ度區(qū),砂層液化與軟土震陷對閘基穩(wěn)定有較大影響,根據(jù)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判定,③-1中粗砂層需進行抗液化處理,②-2 淤泥層、③-3 淤泥質(zhì)土層需進行抗震陷處理。

3 原設(shè)計基礎(chǔ)處理方案

3.1 原設(shè)計閘基防滲處理措施

防滲措施主要有水平防滲、垂直防滲和水平垂直相結(jié)合的防滲[1],由于本水閘建基面土體透水性強,故考慮采用水平垂直相結(jié)合的防滲措施,在水閘上游設(shè)20 m 長的C25 鋼筋混凝土鋪蓋,同時在閘室底板上游齒墻下設(shè)垂直混凝土防滲墻,防滲墻厚400 mm,墻底伸入相對不透水層全風(fēng)化凝灰?guī)r層1.5 m,缺失全風(fēng)化層的進入強風(fēng)化層1.5 m。

3.2 原設(shè)計抗地震液化處理措施

為防止基礎(chǔ)地震液化,結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)條件,選用混凝土圍封墻結(jié)合上游混凝土防滲墻對閘室至二級消力池區(qū)域進行圍封,閘室上游為混凝土防滲墻,閘室下游、閘底板分縫處、一級消力池、二級消力池末斷以及閘室上游至一級消力池兩側(cè)均布置混凝土圍封墻,圍封墻厚度400 mm,墻底伸入相對不透水層全風(fēng)化凝灰?guī)r層1.5 m,缺失全風(fēng)化層的進入強風(fēng)化層1.5 m。同時對下游消能設(shè)施段②-2 淤泥層、③-3 淤泥質(zhì)土層采用換填砂碎石處理。

4 地基處理優(yōu)化方案

4.1 地基處理變更緣由

本工程閘室防滲圍封墻離右岸鳳凰塔文物最近只有10 m,防滲圍封墻墻底需入巖層,需采用沖擊鉆挖掘槽孔,沖擊振動可能對鳳凰塔穩(wěn)定不利,施工過程中避免對鳳凰塔文物產(chǎn)生影響是本工程重點。此外,本工程防滲墻圍封墻共計7195.6 m2,墻厚400 mm,每3 m 一個槽段,按照15 m～20 m 的槽身,大約140～150 個槽孔,每個槽段需4 個主孔,3 個副孔。上部地層可采用液壓抓斗成槽,下部巖基需采用沖孔鉆成槽孔。根據(jù)現(xiàn)場施工條件及混凝土連續(xù)墻施工技術(shù)流程,完成本工程防滲墻及圍封墻施工至少需要140 天,且工程區(qū)上部地層主要為中粗砂層,且厚度較深,施工過程中易塌孔,塌孔后需回填石渣糾偏,施工工期無法得到保證,綜合考慮工程施工導(dǎo)截流等工程布置,可能導(dǎo)致無法達到汛前的總工期要求,需對原設(shè)計地基處理方案進行變更。

4.2 地基處理變更方案

考慮到施工過程中需確保不對文物產(chǎn)生影響及施工工期較緊張等因素,同時減少施工過程中出現(xiàn)塌孔等施工問題影響工程進度。經(jīng)討論,咬合式旋挖鉆孔灌注樁與連排水泥攪拌樁可解決上述問題。咬合式旋挖鉆孔灌注樁為混凝土咬合式排樁、旋挖機鉆孔,旋挖鉆孔可通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖土,并直接將其裝入鉆斗內(nèi),儀表自動顯示筒滿時,鉆斗底部關(guān)閉,然后再由鉆機提升裝置和伸縮鉆桿將鉆斗提出孔外卸土,這樣循環(huán)往復(fù),不斷地取土卸土,直至鉆至設(shè)計深度。施工過程中操作人員可通過顯示器監(jiān)測鉆孔的實際工作位置、每次進尺位置及孔深位置,從而操作鉆孔作業(yè),施工簡便高效且施工過程中對臨近建筑物的擾動較小,同時,針對厚砂層鉆孔過程中容易塌孔問題,可采用埋設(shè)剛護筒措施進行效處理[2]。

水泥攪拌樁是將通過水泥或其他原材料為固化劑結(jié)合深層攪拌技術(shù)來實現(xiàn)的,將現(xiàn)場土壤和深層地基中的固化劑混合成水泥形狀的圓柱體[3],攪拌時無側(cè)向擠出,且無振動,對鄰近建筑物影響較小[4],施工速度較快,且造價相對便宜。

以上兩種地基處理措施的技術(shù)特點均能解決本工程目前存在的問題,具體設(shè)計方案經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)比選后確定。

方案一：將混凝土防滲墻調(diào)整為直徑800 mm、間距0.6 m砼咬合式排樁、旋挖鉆機造孔成樁,灌注樁樁底進入全風(fēng)化層1.5 m,缺失全風(fēng)化層的進入強風(fēng)化層1.5 m；將混凝土圍封墻調(diào)整為直徑650 mm、間距0.45 m 單排三軸連排水泥攪拌樁,水泥攪拌樁樁底進入全風(fēng)化層1.5 m,缺失全風(fēng)化層的至強風(fēng)化層層頂；增加消力池縱向圍封墻3 道,減少圍封分區(qū)面積,提高安全性。

方案二：將混凝土防滲墻調(diào)整為直徑650 mm、間距0.45 m 雙排三軸連排水泥攪拌樁、將混凝土圍封調(diào)整為直徑650 mm、間距0.45 m 單排三軸連排水泥攪拌樁,水泥攪拌樁樁底進入全風(fēng)化層1.5 m,缺失全風(fēng)化層的至強風(fēng)化層層頂；增加消力池縱向圍封墻3道,減少圍封分區(qū)面積,提高安全性。水泥攪拌樁地基處理縱橫向平面布置與方案一一致。

4.3 方案比選

4.3.1 效果分析

原設(shè)計方案與以上兩種方案均為在閘室底板上游齒墻下設(shè)垂直防滲墻,伸入相對不透水層。形成墻體后均能實現(xiàn)防滲功能。 方案二水泥攪拌樁樁底不能進入強風(fēng)化層,僅能到強風(fēng)化層層頂,閘基防滲效果相對較差。方案一和方案二選用單排三軸連排水泥攪拌樁替換混凝土圍封墻,同時增加消力池縱向圍封墻3 道,減少圍封分區(qū)面積,提高安全性,形成墻體后能實現(xiàn)抗地震液化功能。

4.3.2 工程造價

結(jié)合本工程防滲墻及圍封墻的布置方案及地層分布情況,對三種方案工程量及工程投資進行計算,原設(shè)計防滲墻及圍封墻（厚400 mm）共計7195.6 m2,工程總投資約474 萬元；方案一旋挖鉆孔灌注樁防滲墻共計2917 m、三軸水泥攪拌樁共計5423 m,工程總投資約530 萬元；方案二三軸水泥攪拌樁防滲墻及圍封墻共計8002 m,工程總投資419 萬元,方案一較原設(shè)計方案增加投資56 萬元,方案二較原設(shè)計方案投資減少55 萬元。方案投資對比見表1。

表1 投資對比表

4.3.3 施工質(zhì)量

砼咬合式排樁和水泥攪拌樁方案工程施工過程中振動均較小,對文物的安全影響較小。砼咬合式排樁防滲墻整體性較好,樁體質(zhì)量檢測結(jié)果更可靠,樁底能進入強風(fēng)化層,對閘基防滲效果更好。水泥攪拌樁整體性較砼咬合式排樁差,通過增加咬合排數(shù)和增加水泥攪拌樁水泥含量可提高整體質(zhì)量,但施工過程中樁體整體的質(zhì)量存在差異,質(zhì)量檢測反映結(jié)果可能不具有代表性,且水泥攪拌樁樁底不能進入強風(fēng)化層,僅能到強風(fēng)化層層頂,對閘基防滲不利。

4.3.4 推薦方案

通過對各方案效果分析、工程造價和施工質(zhì)量三個方面的比較,方案二雖造價更低,但方案一的整體性更好,施工質(zhì)量更容易把握。北溪分洪橋閘作為潮州市重點水利工程,考慮到北溪分洪橋閘舊閘因滲透問題出現(xiàn)多次險情,閘基對防滲要求較高,防滲處理是本次重建的重點部位,故本次推薦方案一。

5 討論

通過對本工程中三種地基處理方案的對比分析,混凝土防滲墻價格適宜,施工簡便,防滲效果好,是閘基防滲處理的首選方案[5],受本工程施工環(huán)境及施工進度影響而變更；旋挖鉆孔灌注樁施工速度快、對周圍建筑物影響較小,對地質(zhì)條件適應(yīng)行好,但價格相對較高；水泥攪拌樁在水利工程地基處理中應(yīng)用廣泛,便于施工,且價格較低,但其施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)整體性不易把控。水閘得地基處理的措施有很多種,如何去選擇需綜合考慮工程現(xiàn)場地質(zhì)條件、施工環(huán)境、工程投資等多種因素,也需要工程設(shè)計人員對前沿技術(shù)的了解以及對過往工程經(jīng)驗的總結(jié)。

6 結(jié)語

潮州市北溪分洪橋閘重建工程地基處理方案變更后,閘基防滲墻圍封墻已按施工總工期進度要求順利完成,各項檢測指標(biāo)滿足要求,水閘右岸鳳凰塔未發(fā)現(xiàn)受損。目前工程尚在建設(shè)中,閘基防滲及抗液化功能效果有待時間檢驗。