雁洲水闸淤泥地基处理

郭红亮，朱世洪，龚春蕾

(1．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010;2．湖北省南水北调管理局，湖北 武汉 430062)

雁洲水闸位于广州市番禺区市桥水道河口，是市桥河流域综合治理工程的关键性控制骨干工程，主要任务是防洪(潮)、排涝和改善城市水环境，工程规模为Ⅱ等大(2)型．水闸设计流量1 056 m3/s，共9 孔，单孔净宽16 m，闸孔总净宽144 m．

雁洲水闸采用平底宽顶堰整体式结构，上设胸墙，每个闸室自成一联，闸墩厚1． 4 m，闸室宽18．8 m，水闸总宽169．2 m． 闸室底板顺水流向长25．0 m，底板顶高程－4．0 m，建基面高程－5．8 m，闸室底板上、下游端设有齿墙，深1．0 m，宽1．5 m．闸顶高程4．7 m，闸墩高8．7 m，水闸顶部从上游至下游依次布置有交通桥、箱型结构胸墙和下游景观平台．

1 工程地质条件

1．1 区域地形地貌及地震

市桥河主泓偏左，河底高程一般为－5． 73 ～－4．16 m，水面宽210 ～275 m． 工程所在市桥河一带为珠江三角洲淤积、冲积平原地貌，系海陆交互相沉积平原，地形低缓平坦，堤内地面高程一般为0．5 ～1．5 m．区域构造环境相对稳定，地震动峰值加速度0．10g，地震基本烈度为Ⅶ度，地震动反应谱特征周期为0．65 s．

1．2 闸址区地层特性

闸址区基岩埋深约在20 m 以上，其上覆盖层从上到下主要为第四系人工堆积层(Qml)、海陆交互相沉积层(Qmc)、残积层(Qel)． 闸址河床地层从上至下分布为:Qmc淤泥厚3．5 ～8．1 m，上部夹一层厚约1．4 m 的砂壤土;Qmc砂壤土厚度一般为2．0 ～4．3 m;Qel黏土或粉质黏土，厚5．7 ～6．3 m;强风化泥质粉砂岩、泥岩，厚3．3 ～5．8 m;弱风化泥岩、泥质粉砂岩，顶板埋深20 m 左右． 闸址区土体物理力学参数见表1．

表1 闸址区土体物理力学性质参数表

续表

1．3 主要工程地质问题

1．3．1 软土地基

闸址区第四系海陆交互相沉积(Qmc)的淤泥土埋深较浅，在河道、沟渠、渊塘等表部直接出露．淤泥土天然含水量高，一般为30．3% ～78．6%，液限一般为26．2% ～63．0%;孔隙比大，为1．02 ～2．32;压缩系数一般为0．557 ～2．592 MPa－1，具有高压缩性．

淤泥土野外现场十字板剪切强度小于40 kPa，一般在8 ～24 kPa，静力触探的比贯入阻力平均值等于0．236 MPa，土体强度很低．

淤泥土层厚度较大，存在土体强度及承载力低、压缩变形大、地震条件下可能产生震陷变形等问题．

1．3．2 饱和砂土液化

第四系上部海陆交互相沉积(Qmc)分布有两层砂性土层:①夹于淤泥土中的砂壤土－1，厚2．0 ～3．6 m，埋深1． 8 ～6． 5 m;②淤泥土下部的砂壤土－2，厚度一般为1．0 ～5．8 m，最厚6．3 m，埋深5．5 ～13．0 m．两层均为饱和砂性土． 闸址区地震基本烈度为Ⅶ度，处于抗震不利地段．两层砂壤土黏粒含量分别为7． 5%、15． 6%，黏粒含量均小于16．0%，初判为液化土． 复判采用标准贯入锤击数法、液性指数复判法和相对密度法综合进行，复判结果表明两层砂性土存在震动液化问题．

2 地基处理

2．1 地基处理的目的

2．1．1 提高地基承载力

水闸基底应力计算结果显示:完建期基底应力最大，平均值为82．47 kPa;其他工况(挡潮工况、泄水运用工况、检修工况)下的基底平均应力也大于淤泥地基的允许承载力50 kPa，天然地基承载力不满足要求，需要通过地基处理来提高地基承载力．

2．1．2 减小沉降量

水闸地基的沉降量采用分层总和法计算，结果显示:完建期沉降量达40．8 cm，正常运行工况的沉降量也达到了30． 1 cm，均大于《水闸设计规范》(SL 265—2001)规定的水闸允许沉降量15 cm． 因此天然地基存在沉降量过大的问题，需要进行处理来减小沉降量．

2．1．3 消除地震条件下的砂土液化和震陷

在Ⅶ度地震条件下，闸基下海陆交互相沉积(Qmc)层中分布的两层饱和砂性土层可能产生震动液化，需要采取地基处理措施来消除液化潜势． 同时，淤泥软土层厚度大、强度低，根据文献［1］，Ⅶ度地震条件下，当承载力特征值小于80 kPa时，还可能产生震陷变形，需要采取地基处理措施进行预防．

2．1．4 提高闸室抗滑稳定安全系数

闸室抗滑稳定安全系数分为以下两种情况进行计算．

1)不考虑齿槽作用，闸室沿建基面滑动．

抗滑稳定安全系数计算公式［2］为:

式中:KC为闸室的抗滑稳定安全系数;∑G 为作用在闸室上的全部竖向荷载，kN;A 为闸室基底面的面积，m2;∑H 为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN;0 为闸室基底面与地基之间的摩擦角，取淤泥土固结快剪内摩擦角的90%，(°);C0为闸室基底面与地基之间的黏结力，取淤泥土固结快剪黏结力的0．25 倍，kPa．

由于淤泥土抗剪强度很小，固结快剪内摩擦角为7°，黏结力为3．4 kPa，相应地0 仅为6．3°，C0为0．85 kPa．由式(1)计算可得:设计挡潮工况下(抗滑稳定控制工况)，闸室的抗滑稳定安全系数仅为0．73，远小于安全系数的允许值1．30．折算的综合摩擦系数仅为0．18，较一般地基上的摩擦系数小得多．

2)考虑齿槽作用，沿齿墙底部连同闸室与齿墙间土体一起滑动．

抗滑稳定安全系数的计算公式［3］为:

式中:KC为闸室的抗滑稳定安全系数;∑G 为作用在滑动面上的全部竖向荷载，包括齿墙间土体的浮重，kN;A 为闸室基底面的面积，m2;∑H 为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN;为地基土的摩擦角，取淤泥土固结快剪内摩擦角7°;C 为地基土的黏结力，取淤泥土固结快剪黏结力3．4 kPa．

由式(2)计算的结果表明，设计挡潮工况下闸室的抗滑稳定安全系数为1．03，小于安全系数的允许值1．30．

由计算结果可知，无论考虑齿槽作用与否，闸室抗滑稳定安全系数都不能满足《水闸设计规范》(SL 265—2001)的要求． 闸室抗滑稳定安全系数虽然可以采取诸如增大闸室结构尺寸等其他措施来提高，但最优方案是能结合地基处理一并进行的措施．

2．2 地基处理方案比选

比较深层水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩(桩径1 m)和预应力混凝土管桩(PHC －B500 －125)3 种地基处理方案［4－6］． 钻孔灌注桩和预应力混凝土管桩两种刚性桩方案，因桩基和桩间土体一般存在沉降差，闸室底板与建基面之间可能出现脱空，故一般不考虑桩间土体承担荷载，全部竖向荷载和水平荷载由桩体承担，总荷载较大．而采用深层水泥土搅拌桩方案处理后的地基为复合地基，不存在脱空问题，桩间土与水泥土桩体一起承担竖向荷载．同时，处理后的复合地基由于水泥土的改性作用，力学强度得到了提高，抗滑能力也有较大提高．采用钻孔灌注桩和预应力混凝土管桩方案时，还需要在闸底板前后端以水泥土搅拌桩进行围封，以避免闸室底板可能与建基面脱空带来的接触冲刷，其防渗的可靠性显然低于水泥土搅拌桩方案．此外，地基处理造价也以水泥土搅拌桩方案最低，因此选择水泥土搅拌桩方案进行水闸地基处理．

3 水泥土搅拌桩设计

3．1 搅拌桩布置

由于水闸地基土体强度低，因此采用大直径搅拌桩提高工效，搅拌桩直径为600 mm．搅拌桩桩长根据控制闸基沉降量、抗液化和震陷的要求确定．按控制闸基沉降量不超过15 cm 的要求，桩长不应小于11．2 m;水闸地基下可液化砂层深度在10 m 以内，为达到抗液化的目的，搅拌桩应进入的非液化层深度按2 m 考虑，桩长应不小于12．0 m;按抗震陷要求，桩长应超过淤泥深度，桩长不小于8．4 m． 综合考虑取搅拌桩桩长为12．0 m．

搅拌桩按照抗液化和震陷要求采取格栅式布置，桩间套接15 cm，格栅间距取为4 m 左右．同时，格栅布置还要兼顾闸室底板受力特点，与闸室结构相对应，分块尺寸为25．0 m ×18．8 m(顺水流向×横流向)，每个分块内顺水流向布置6 排，排间距4．50 m和4．95 m;横流向布置5 排，其中在闸墩对应位置各布置1 排，底板下布置3 排，排间距4．05 m．这种布置方式主要是依据弹性地基梁下基底反力分布规律，有利于减小水闸底板闸孔中部的负弯矩．每个格栅内还布置有4 根单桩，以调整地基的均匀性．单个闸室总共布置搅拌桩581 根，置换率约30．2%．搅拌桩布置如图1 所示．

图1 单孔水闸闸基搅拌桩布置图(单位:cm)

与一般承受竖向荷载为主的搅拌桩地基处理不同，水闸闸基防渗十分关键，同时基底应力相对也较小．因此在桩顶和基础之间不设置级配碎石、粗砂等粒性材料褥垫层，而将闸基直接落在搅拌桩桩顶．

3．2 复合地基承载力及沉降量计算

选定地基处理方案前，为确定水泥土搅拌桩对淤泥地基的适用性以及获得相关设计参数，专门进行了室内配合比试验．试验土样取自闸基部位，土样pH 值大于7．0，呈碱性，表明地基土层对混凝土不具有泛酸性腐蚀;SO2－4含量395 ～408 mg/kg，对混凝土不具有硫酸盐腐蚀性;有机质含量2． 40% ～2．46%．试验水泥品种及强度等级分别为32．5R 复合硅酸盐水泥及42．5R 普通水泥，水灰比为0．55，水泥掺量分别为15%、18%及21%，外加剂选择三乙醇胺，试验龄期分别为7、14、28、90 d．水泥土室内配合比无侧限抗压强度结果见表2．

室内配合比试验表明，水泥土无侧限抗压强度较大，随龄期增长而增大，随水泥掺量增大而增大，也随水泥强度等级的提高而增大，表明雁洲淤泥地基适用于以水泥作为固化剂．

根据试验结果，水泥土无侧限抗压设计强度值fcu取为1．30 MPa(取28 d 龄期强度主要是考虑到水闸还需承担水平荷载)，建议采用42．5R 强度等级的水泥，掺量不小于18%． 具体配合比则应根据现场生产性试验确定．

单桩承载力取为按桩身材料强度(桩身强度折减系数η 取0．25)确定的单桩承载力、由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力两者中的小值，根据计算结果，按桩身强度所确定的单桩承载力为91．9 kN，远小于按桩周土和桩端土抗力确定的单桩承载力232．85 kN．因此，单桩承载力取91．9 kN．

处理后的复合地基承载力特征值的计算公式［7］为:

式中:fspk为处理后的复合地基承载力特征值，kPa;m为面积置换率，为30． 2%;Ra为单桩承载力，为91．9 kN;Ap为单桩的截面积，m2;β 为桩间土承载力折减系数，取为0．2;fsk为处理后桩间土承载力特征值，取为淤泥地基承载力50 kPa．

经计算，复合地基承载力特征值为105．1 kPa，满足水闸对地基承载力的要求．

水泥搅拌桩复合地基沉降量包括桩长深度内的复合土层压缩变形和桩端下未加固土层的压缩变形．计算时搅拌桩的压缩模量取130 MPa，经计算，复合土层压缩变形量为1．8 cm，桩端下未加固土层的压缩变形量为2． 5 cm，复合地基总沉降量为4．3 cm，满足《水闸设计规范》(SL 265—2001)对沉降量的控制要求．

3．3 复合地基上水闸抗滑稳定计算

水泥土搅拌桩地基处理主要是提高地基竖向承载能力和减小沉降量，在工业与民用建筑行业应用较多，现有关于水泥土搅拌桩的设计规范也是针对建筑行业的．近十多年来搅拌桩在水利工程中也有应用，主要解决的还是地基竖向承载能力和沉降问题，用于提高地基抗滑能力的应用尚不多见．闸室抗滑稳定仍分为两种情况进行计算．

1)不考虑齿槽作用，闸室沿建基面滑动．

闸基抗滑稳定安全系数分解为由水泥土和桩间土分别提供的两部分安全系数，采用式(1)计算．作用于桩顶和桩间土上的竖向荷载根据水泥土和桩间土的应力比确定．根据实际工程经验，承受竖向荷载时桩土应力比，一般情况下可达3 ～6，桩间土越软弱应力比越高． 雁洲水闸为淤泥地基，偏于保守考虑，取桩土应力比为3． 按搅拌桩置换率30．2%计算，则桩体承载竖向荷载比例为56．5%，桩间土承担比例为43．5%．

参考其他工程经验［5］，取搅拌桩桩身内摩擦角1为20°，搅拌桩桩身黏结力c1则参考《广东省海堤工程设计导则(试行)》中的公式计算，即:

代入相关参数计算得:c1=114 kPa． 同样，闸室基础底面与搅拌桩之间的内摩擦角取为搅拌桩桩身内摩擦角1的0．9 倍，黏结力取为搅拌桩桩身黏结力c1的0．25 倍，闸室基础底面与桩间土之间的内摩擦角及黏结力取值同处理前． 由式(1)计算的结果表明，设计挡潮工况下的抗滑稳定安全系数为2．66，抗滑稳定安全系数得到了大幅提高，水闸抗滑稳定安全系数满足不小于1．30 的要求．

2)考虑齿槽作用，沿齿墙底部连同闸室与齿墙间土体一起滑动．

复合地基上水闸抗滑稳定安全系数采用式(2)计算，对于复合地基的内摩擦角和黏结力指标，参考《地基处理手册》，采用下面公式计算:

式中:c 为处理后的复合地基的黏结力，kPa;φ 为处理后的复合地基的内摩擦角，(°);m 为搅拌桩置换率;c1为搅拌桩桩身黏结力，取114 kPa;1为搅拌桩桩身内摩擦角，取20°;c2为淤泥土层的黏结力，取3．4 kPa;2为淤泥土层内摩擦角，取7°．

经计算，复合地基的黏结力为36．8 kPa，内摩擦角为11．07°．

由式(2)计算得到设计挡潮工况下的抗滑稳定安全系数为4．41，大于允许值1．30．可见，无论考虑齿槽作用与否，处理后闸室抗滑稳定安全系数都能满足《水闸设计规范》(SL 265—2001)的要求．

4 施工工艺

根据搅拌桩设计指标，在施工前进行了室内配合比试验和现场生产性试验，确定采用台泥牌42．5R普通硅酸盐水泥，水泥掺量为21%，水灰比0．55;外加剂为三乙醇胺，掺量0．05%．施工机械采用SP－5 和PH －5B 型桩机，施工工艺为四喷四搅即两沉两升．桩头40 cm 需挖除．

施工完成后，采用开挖检查、动力触探、钻孔取芯以及复合地基承载能力试验等多种方法进行搅拌桩质量检测，全部合格．

5 结 语

1)雁洲水闸坐落在深厚淤泥地基上，主要工程地质问题是:软土地基土体强度及承载能力低、压缩变形大，地震条件下可能产生震陷变形，淤泥下及其内夹砂壤土层还存在饱和砂土的震动液化．

2)地基处理的目的为提高地基承载力、减小沉降量、消除地震条件下的饱和砂土的液化和震陷，同时提高闸室抗滑稳定安全系数．

3)比较了深层水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩和预应力混凝土管桩3 种地基处理方案． 其中水泥土搅拌桩方案能形成复合地基，桩间土与水泥土桩体一起承担荷载，闸室底板与建基面之间不出现脱空，能防止脱空带来的接触冲刷． 同时复合地基力学强度提高了，闸基的抗滑稳定能力也得到大幅度提高，地基处理造价最低，因而确定为最终方案．

4)搅拌桩桩长12 m，桩径600 mm，按照抗液化和震陷要求采用格栅式布置，桩间套接15 cm，格栅间距4 m 左右．格栅布置还兼顾了上部闸室底板受力的特点．格栅式布置的搅拌桩置换率为30．2%．计算结果表明，搅拌桩处理后的地基承载力、沉降量以及闸室抗滑稳定等都能满足要求．

5)雁洲水闸建成后，经过多年运用，情况良好．用搅拌桩处理水闸的深厚淤泥地基，可提高地基承载力、减小沉降量，尤其是提高水闸抗滑稳定安全系数，可供类似工程参考．

［1］建设部综合勘察研究设计院． 岩土工程勘察规范:GB 50021—2001［S］． 北京:中国建筑工业出版社，2002．

［2］江苏省水利勘测设计研究院．水闸设计规范:SL 265—2001［S］．北京:中国水利水电出版社，2001．

［3］张光斗，王光纶．水工建筑物［M］．北京:水利电力出版社，1992．

［4］刘尚蔚，赵九洲．淤泥质软土地基处理及渗流稳定分析［J］．华北水利水电学院学报，2012，33(1):115 －118．

［5］《地基处理手册》(第二版)编写委员会．地基处理手册［M］．2 版．北京:中国建筑工业出版社，2000．

［6］陈宝华，张世儒． 水闸［M］． 北京:中国水利水电出版社，2003．

［7］中国建筑科学研究院． 建筑地基处理技术规范:JGJ 29—2002［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．