邓楼泵站渠道淤泥层处理措施探讨

杨国瑞，姜荟锦，赵 琳

（山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

邓楼泵站是南水北调东线工程的第12级抽水梯级泵站，位于山东省梁山县梁济运河和东平湖新湖区南大堤相交处。一期设计调水流量为100 m3/s，设计选用4台机械全调节式3100ZLQ-4型立式轴流泵，泵站总装机容量8 960 kW。

邓楼泵站场区位于汶、泗河冲洪积扇下游与黄泛冲积平原交互处。地势较为平坦开阔，地面高程38.20～40.86 m。在勘探深度60.0 m范围内，顶部沉积了厚度3～6 m的第四系全新统黄泛冲积堆积的砂壤土夹裂隙黏土及软黏土薄层；中上部沉积了厚度4～7 m为第四系全新统冲积湖积堆积的砂壤土、淤泥层，常夹有粉砂、粉细砂薄层，局部夹淤泥质壤土层；中下部为汶、泗河第四系上更新统冲积洪积堆积的壤土、砂壤土、黏土及砾质粗砂、中细砂层，底部为硬塑状黏土。其中③层淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，软塑～流塑状态，手感光滑细腻。该层分布于整个场区，层厚1.20～3.80 m，层底高程32.15～34.65 m，抗剪强度低，对泵站引、出水渠边坡稳定极为不利。

1 泵站引、出水渠地层岩性

泵站引、出水渠南起梁济运河，穿越东平湖南围堤，北入柳长河，全长901.33 m。勘察深度15.00 m内，揭露地层除表层为耕植土、壤土夹裂隙黏土薄层外，主要为第四系全新统冲积堆积的砂壤土、粉细砂、淤泥层，全新统冲积湖积堆积的砂壤土、黏土层，第四系上更新统冲积洪积堆积的壤土，分述如下：

素填土（Qr）：层厚 3.20～7.30 m，层底高程 39.81～40.21 m。 ①层砂壤土（Q4al）：层厚 1.10～2.60 m，层底高程 37.31～37.75 m。①-1 层轻壤土（Q4al）：层厚 0.70～2.00 m，层底高程 37.95～39.81 m。②层粉细砂（Q4al）：层厚 0.90～4.50 m，层底高程 33.57～36.85 m。③层淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，软塑～流塑状态，手感光滑细腻。层厚1.30～2.20 m，层底高程33.41～34.65 m。④层黏土（Q4al+l）：层厚 1.30～5.90 m，层底高程 27.30～30.57 m。④-1 砂壤土（Q4al+l）：层厚 0.70～1.30 m，层底高程 31.25～33.95 m。⑤层壤土（Q3al+pl）：该层局部未揭穿，最大揭露厚度为5.00 m。⑥层黏土（Q3al+pl）：该层局部未揭穿，最大揭露厚度为1.30 m。

2 初设阶段泵站引、出水渠设计

邓楼泵站上下游分别与梁济运河、柳长河相衔接，泵站引水渠、出水渠断面设计参考梁济运河、柳长河设计断面。针对淤泥软弱层河道断面采用换填水泥土及放缓坡比（1∶4）加固处理方案。淤泥层的黏聚力、内摩擦角依据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386—2007），针对施工开挖黏性土边坡抗剪强度指标宜采用三轴固结不排水剪（CU指标）。

初设阶段该淤泥层抗剪强度指标采用三轴固结不排水（CU）指标：黏聚力 c=14.22 kPa，内摩擦角 Φ=9.1°计算，①引水渠完建期边坡稳定安全系数k=2.084 0，②闸前出水渠完建期边坡稳定安全系数k=1.893 8，③闸后出水渠完建期边坡稳定安全系数k=1.923 4，设计中的引水渠、出水渠断面边坡稳定满足规范要求。

3 施工图阶段泵站引、出水渠设计

在施工图设计过程中，考虑到该地层年代较新，分布广，长期处于地下水位以下，淤泥层底部为黏土层，顶部为粉细砂层，无临空面，排水条件极差，难以达到固结状态，且不确定因素多，稳定计算指标完全采用固结不排水指标，未能真实反映该淤泥层的实际情况，计算结果也不安全。

使用河海大学Slope计算软件进行边坡稳定分析，若该淤泥层抗剪强度指标采用不固结不排水（UU）指标进行渠道边坡稳定计算，黏聚力c=3.48 kPa，内摩擦角Φ=2.5°，采用有效应力法，因存在软弱夹层，采用推力传递法计算，计算得引水渠完建期Min-Fs3=0.772 3；闸前出水渠完建期MinFs3=0.730 4；闸后出水渠完建期MinFs3=0.760 7。由计算结果可见，边坡不满足稳定要求，需采取相应的加固措施。

为了慎重起见，待施工中，首先进行试验段开挖，依据试验段现状实际情况再作进一步计算分析。

4 泵站场区试验段开挖情况

2010年4月15日，对邓楼泵站主厂房基坑开挖部分③层淤泥进行了现场勘验及再次取样试验。现场发现③层淤泥（Q4al+l）：淡灰棕色，软塑状态，手感光滑细腻，层厚1.70～3.00 m，该层淤泥与②层粉细砂之间，通过基坑开挖临空面向基坑内不断地渗流泥土，已经发生流土破坏，粉细砂层及淤泥层普遍发生坍塌。

对③层淤泥土现场取样再次进行试验，其力学指标见表1。

淤泥具有以下特性：1）触变性特征。即在饱水条件下当原状土受到震动以后，破坏了结构连接，降低了土的强度或使土变成稀释状态。2）流变性特征。即在剪应力作用下，土体会发生缓慢而长期的剪切变形。3）高压缩性。4）弱透水性。

表1 ③层淤泥力学指标表

依据工程实际情况，认为采用现场取样所做的直接快剪（Q）指标能更好地符合土样实际。该淤泥层抗剪强度指标采用直接快剪（Q）指标，黏聚力c=8.0 kPa，内摩擦角Φ=2.7°，使用河海大学Slope计算软件对边坡进行稳定复核，采用有效应力法、推力传递法计算，引水渠边坡稳定安全系数k=1.169 4，闸前出水渠边坡稳定安全系数k=1.084 6，闸后出水渠边坡稳定安全系数k=1.092 5。

由计算可见，引水渠、出水渠抗滑稳定安全系数虽大于1，但均小于1.3，不满足规范要求。泵站管理区场区需要回填土3.45 m高，填筑时需机械压实，渠道两岸场区道路有行车功能，这都是影响渠道边坡稳定的不利条件。引水渠、出水渠渠道边坡需加固处理。

5 引、出水渠淤泥层加固处理方案

淤泥层处理方案有多种，如堆载及真空预压排水固结、水泥土搅拌、砂石桩、石灰桩、劈裂注浆、高喷、软弱土置换等，综合以上加固处理方案，结合本工程实际情况选用水泥土搅拌桩、砂桩、旋喷桩及软弱土置换4种加固方案进行比选，4种加固方案工程布置如下：

1）水泥土搅拌桩：渠道两侧边坡布置搅拌桩2排，桩径0.5 m，桩距0.8 m，搅拌桩深入淤泥层底高程以下不小于0.5 m。水泥掺量为20%，水泥土抗压强度不小于2 MPa。水泥土搅拌桩施工完成，水泥土达到相应强度后方可进行渠道开挖，开挖后淤泥层坡面20 cm换填粗砂，防止护坡结构冻胀破坏。

2）振冲砂桩：桩径0.6 m，每侧6排，桩距1.5 m，梅花形布置。

3）高压旋喷灌浆：每侧2排，桩距1.0 m。

4）水泥土换填：淤泥层分布范围（约2.5 m）内，垂直厚度800 mm范围内换填水泥土及中粗砂。4种加固方案工程量及投资比较见表2。

表2 处理方案及投资比较表

4种加固处理方案优缺点：

1）振冲砂桩：能改善淤泥层的排水条件，加速淤泥层固结，从而提高淤泥的力学指标，但需加固的范围较大，工程量及投资较大，只有上方②层粉细砂层有排水条件，固结时间长。

2）高压旋喷桩：可仅对淤泥层处高喷灌浆，以上部分只钻孔不灌浆，但旋喷桩处理不均匀，连续性差，易出现薄弱环节，且定额单价高，投资大。

3）水泥土搅拌：桩桩身具有较强的抗剪强度（C＞100 kPa），处理淤泥层有较成熟的技术和成功的经验，且造价低，故采用水泥土搅拌桩（湿法）进行渠道边坡处理，利用桩身抗剪，阻止土体滑动，保持边坡稳定。

4）水泥土换填：水泥土具有较强的抗剪强度（C＞100 kPa），换填水泥土方案即利用水泥土较强的抗剪强度，阻止土体滑动，保持边坡稳定。该方案不仅施工简单，且投资最省。

综合以上经济与技术两个方面的比选，设计推荐换填水泥土方案。

采用水泥土换填后，水泥土黏聚力c取50 kPa，内摩擦角Φ取20°，使用Slope软件，采用有效应力法、推力传递法计算，边坡稳定满足规范要求。

6 工程加固效果

现场试验段开挖发现③层淤泥 （Q4al+l）：淡灰棕色，软塑状态，手感光滑细腻，层厚1.70～3.00 m，该层淤泥与②层粉细砂之间，通过基坑开挖临空面向基坑内不断地渗流泥土，已经发生流土破坏，粉细砂层及淤泥层普遍发生坍塌。采用水泥土换填工程加固后，渠道边坡稳定及工程安全性良好，工程效果显著。

7 结论

针对邓楼泵站引、出水渠③层淤泥问题，通过现场试验段开挖，结合现场情况及各种试验指标，经综合分析判定采用的直接快剪（Q）指标，更好地代表了土样实际。通过水泥土搅拌桩、振冲砂桩、高压旋喷灌浆及水泥土换填四个方案的技术经济比选，最终选定的水泥土换填加固方案从根本上解决了邓楼泵站引、出水渠③层淤泥软化失稳问题，且大大节省工程投资，社会效益及经济效益显著，值得类似工程借鉴参考。