某水閘地基處理方案及滲流穩(wěn)定性分析

馮光亮

(新疆峻特設(shè)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(shè)施,對區(qū)域水資源調(diào)度、防洪等具有十分重要的作用。水閘工程閘址區(qū)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(shè)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(shè)施常見的破壞形式,對工程安全影響較大,因此在工程設(shè)計階段,不可忽略滲流的影響。本文結(jié)合某水閘工程實際情況,對水閘地基處理方案及滲流穩(wěn)定性進行分析,研究結(jié)果可為類似工程提供參考。

2 工程概況

水閘由內(nèi)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?qū)挾葹?1.6m,因此采用箱涵整體式布置,將5孔分成2孔一聯(lián)與3孔一聯(lián)箱涵,對其下部進行基礎(chǔ)處理。閘墩上部設(shè)檢修平臺、啟閉工作室等。

3 地基處理方案

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

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

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件、環(huán)境條件及結(jié)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(yīng)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(zhì)土挖除,換以中粗砂。由于閘底板以下的淤泥質(zhì)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(jīng)基本完成的固結(jié)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(yōu)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(chǎn)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(yīng)力混凝土管樁方案:預應(yīng)力混凝土管樁是體現(xiàn)當代混凝土技術(shù)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(yōu)點有:單樁承載力高;運輸?shù)跹b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(jù)工程總體布置,并結(jié)合閘址工程地質(zhì)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(shè)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(cè)翼墻均需進行基礎(chǔ)處理。根據(jù)地基適應(yīng)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(chǔ)平面間距呈1.5m×1.5m的方形布置,閘室基礎(chǔ)兩側(cè)各10m范圍內(nèi)呈3.0m×3.0m的方形布置。沿刺墻所在橫斷面基礎(chǔ)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(tǒng)。閘室左側(cè)邊坡按1∶1.5m開挖回填,右側(cè)靠近新泵站,邊坡按1∶1.0開挖回填。經(jīng)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(wěn)定性分析

4.1 基本情況

防滲長度按《水閘設(shè)計規(guī)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(chǔ)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(shù)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(yīng)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(shè)止水。計算土層滲透系數(shù)見表1。

表1 計算土層的滲透系數(shù) /cm·s-1

4.2 工況組合及計算主要步驟

根據(jù)可能出現(xiàn)的水位情況,選擇以下2種組合工況進行穩(wěn)定滲流計算:

①工況1(設(shè)計工況):外河水位13.17m,內(nèi)涌水位7.5m。

②工況2(校核工況):外河水位13.81m,內(nèi)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(shù)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(jīng)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(shè)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(shè)計工況下滲流計算表

表3 設(shè)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(shù)法計算圖(單位:cm)

4.2.3 滲透坡降

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)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(shù)法進行滲流計算結(jié)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(jié)果可知,滲流坡降值均小于規(guī)范允許值,滿足規(guī)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(cè)為長5m鋼筋混凝土刺墻,底部以下為長10m連續(xù)粉噴樁刺墻。即沿刺墻所在橫斷面的地基基礎(chǔ)采用單排粉噴樁,樁之間搭接15cm形成厚40cm豎直連續(xù)防滲墻。此外,分別在箱涵的第2、第3節(jié)修建厚0.5m截水環(huán)。由于刺墻、截水環(huán)都是防滲加強措施,故無需再進行防滲計算。

5 結(jié) 論

1)水閘工程部分區(qū)域位于承載力較低的軟土層,無法滿足設(shè)計要求。根據(jù)類似工程經(jīng)驗,選取換填砂墊層、粉噴樁、預應(yīng)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(yōu)缺點,最終選取粉噴樁作為推薦方案,其主要優(yōu)勢為造價低。

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