花园湖退洪闸地基处理设计与效果分析

刘美义，马东亮，钟恒昌，王东栋

(中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概况

花园湖退洪闸位于淮河干流花园湖行洪区下口门处，与花园湖进洪闸、行洪区共同组成行洪通道，以满足花园湖分淮河洪水3500m3/s的设计要求。该闸设计挡水位淮河侧20.24m，湖区侧14m，共27孔，每孔净宽12m，总净宽324m，闸底板顶高程14m。闸室采用分离式底板结构，大底板宽6.3m，小底板宽7.46m，顺水流方向长18m。工程为Ⅱ等大(二)型，闸室及岸、翼墙等主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为100年一遇。闸区地震动峰值加速度为0.15g，相应地震基本烈度为7度，按照7度抗震设防。

2 地质条件及地基问题

2.1 场地岩土工程地质条件

根据勘探资料，闸底板以下勘探深度内揭露地层为：

②层轻粉质砂壤土(Q4al)：黄色，稍湿，呈软可塑状态或稍密状态，夹中粉质砂壤土和细砂，区内广泛分布，层底高程5.35～12.08m，层厚3m左右。

③层轻粉质夹砂壤土(Q4al)：灰色，湿，软塑或松散状态，局部流塑状态，夹有淤泥或淤泥透镜体，岩性较杂，夹层、互层及层厚无规律，同层现场标贯试验离散性较大。层底高程为1.85～8.40m，层厚为4.5m。

③-1淤泥质重粉质壤土(Q4al)，灰、灰褐色，软至流塑状态，夹有轻粉质壤土、粉土薄层，层底高程-3.26～7.69m，层厚3～5m。

⑤粉质黏土(Q3al)，灰色，呈可塑状态，局部夹有轻粉质壤土层。层底高程-8.15～4.20m，闸址区分布广泛，层厚1～2m。

⑥-1层中粉质壤土(Q3al)，灰色，软塑状态，夹轻粉质土，该层为⑤层重粉质壤土渐变为砂壤土或细砂层的过渡层，自上而下，粉土、砂土的含量渐增多。层底高程-9.70～0.44m，厚度为3～7m。

⑥-2层细砂或砂壤土(Q3al)，灰色，饱和，稍密至中密状态，局部夹有轻粉质砂壤土，层底高程-10.88～-2.55m。

⑧层中粉质壤土(Q2al)，黄色，夹粗砂、粉土层，局部分布，层厚较薄，层底高程-10.30～6.20m。

⑩层含砾中粗砂层(Q2al)，以中粗砂为主，局部为细砂和碎石，中密至密实状态，局部分布，层底高程-13.18～-10.27m，层厚1～4m。

闸基各层土物理力学参数及水文参数见表1。

2.2 地基存在的问题

闸底板底高程12.20m，闸基存在以下问题：

(1)地基土易发生渗流变形。闸底板坐在砂壤土，渗透系数A×10-4cm/s，允许水力比降为0.20～0.35。闸基地层在上下游水头作用下易发生流土型渗透破坏。

(2)地基土层强度不满足设计承载力要求。闸室大底板、岸墙压应力约为170kPa，远超过持力层及下卧层地基承载力允许值，天然地基承载力不满足设计要求。

(3)地基土易发生地震液化。郯庐断裂带从闸址区附近通过，场区为抗震不利地段，场地类别为Ⅲ类。闸基②、③层平均液化指数6.3～19，属中等～严重液化；③-1层淤泥质壤土IP=1.0>0.75，N63.5=2.3≤4击，具有震陷的可能性。

3 地基处理设计

本闸存在以下特点：工程闸室段长，工程量大，合理的结构布置和地基处理形式具有显著的经济效益；闸室采用分离式底板，地基处理设计方案既要兼顾上部结构的协同受力，又要考虑地基容易发生渗透破坏和地震液化的特点。闸室大底板既要承受竖向承载力，还需要承担较大水平力。设计提出水泥土搅拌桩复合地基+防渗墙、排水固结预压+防渗墙、钢筋混凝土灌注桩+围封、水泥粉煤灰碎石桩+防渗墙、沉井基础5个方案进行比选。各方案优缺点和可比投资见表2。

综合考虑上部结构布置、防渗防液化处理效

表1 闸基各层土物理力学参数及水文参数

表2 地基处理设计方案技术经济比选

表3 闸室段防液化围封墙设计方案比选

图1 闸基渗流计算成果(有截渗墙)

果、地质条件的适应性等，闸室地基处理采用灌注桩基础(大底板)+CFG桩(小底板)+围封方案。

灌注桩进入全风化岩石层0.5m，竖向承载力按照端承桩设计。但由于闸基土体密度密实度低、土体颗粒间黏结力小，饱和砂土在地震惯性力作用下发生液化而失去侧向抗力，灌注桩不能承担水平力，同时地震作用下产生的孔隙水压力不能及时消散易造成地基喷砂冒水现象，因此对闸基进行围封成为防止砂土层液化变形的优先方法。另外，闸基砂壤土容易产生渗流变形，防渗设施采用铺盖和垂直防渗墙(围封墙)相结合的布置形式。闸室段防液化围封墙设计方案比选见表3。

闸室大底板和岸墙基础既要竖向承载力大，还需要承担较大水平力，即每块大底板下布置12根直径1.1m灌注桩，每侧岸墙下布置20根直径1.1m灌注桩，桩端嵌入全风化岩石0.50m；小底板下采用21根CFG桩，桩端进入⑥-2层1.0m。振动沉模板墙板桩厚度20cm，深度11.50m，墙体进入非液化土层1.0m。

4 效果分析

对闸室段灌注桩抽检单桩竖向极限承载力检测值为5800kN，其特征值取2900kN，大于设计单桩竖向承载力特征值2300kN；单桩水平极限承载力检测值为546kN，单桩水平力承载力特征值大于270kN。检测结果显示灌注桩基础满足设计要求。抽检6根桩进行低应变完整性检测，检测显示桩底谐振峰排列基本等间距，检测波形分析闸室桩基判定为Ⅰ类桩，桩身完整，为优质桩。

按照设计挡水工况对有闸基设置围封墙后采用河海大学土木工程学院工程力学系研究所研制的“AutoBANK-水工结构有限元分析系统”进行。渗流计算流网及水力坡降数值图详如图1所示。

计算结果为水平段渗流坡降值0.05，小于允许值0.15；出口渗流坡降值0.15，小于允许值0.3，闸基围封后有效降低了渗流坡降。由此可见，砂性土地基水平防渗体必须与垂直防渗体结合使用才能取得最佳效果。振动沉模板墙开挖后进行检查，发现板墙连续、墙面平整、厚度均匀、无接缝、无断板和纵横向开叉缺陷，完整性好。通过现场试验和取样室内试块检测，试验结果见表4，结果显示各项指标均满足设计要求。

地震液化围封效果可采用场地地震液化数值模型分析或实验室模拟地震试验法验证，由于这些试验技术复杂和工程费用较高，本工程未开展相关研究工作，根据类似工程经验，本工程采用桩基础+混凝土板墙围封能够满足闸基抗液化要求。

表4 混凝土振动沉模板墙设计参数与检测值对比

5 结语

本闸地层由砂壤土、淤泥、细砂等多层地基组成，这种互层地基呈现出水利工程地基设计的复杂特点。设计过程中抓住了地基抗液化这一矛盾的主要方面，兼顾防渗、地基变形等问题的次要方面，确定了闸室大底板灌注柱深基础、闸室小底板CFG桩+防液化围封的地基处理设计方案。振动沉模防渗板墙施工运用大功率、高频率振动锤将H形空腹钢模板振动沉入土体至设计深度，对地基振动干扰小，适应了本闸地基特点；灌注桩、CFG桩施工浆液压力低，不影响振动沉模施工质量。工序安排上灌注桩、振动沉模从闸室两端分别进站施工，CFG在两工艺间隙施工，三种施工工序合理安排，减少了互相干扰，缩短了施工导流工期。目前水闸已建成挡水，工程运行情况良好。