水利工程中小型泵站地基处理

李春保 吴明白 杨保恩 贺淑全

一、基本资料

某小型泵站选型采用4 台20 吋轴流泵，单台电机功率为55kW，总装机功率为220kW，灌排结合泵站，根据地质勘探，地基分层情况如下，高程系采用废黄河高程。土层特性参数表见表1。

现状自然地面为3.60m，根据结构布置，泵站底板底高程为-1.60m，位于第三层淤泥质粉质黏土上，根据结构计算，需要地基承载力为82kPa，开挖深度5.20m，地基承载力不满足要求；同时又属于深基坑开挖，故地基处理和基坑开挖需同时进行。

二、地基的主要问题

根据《泵站设计规范》（GB50265-2010）和大量水利工程建设的实际经验，泵站地基处理概括起来主要有四个问题：（1）强度和稳定性问题；（2）压缩及不均匀沉降问题；（3）地基的渗漏量超过容许值时，会发生水量损失导致发生事故；（4）施工中动力荷载可能引起地基土边坡的失稳等危害。

根据上述四个方面的问题，结合本案例的实际情况，需要重点解决地基强度和稳定性问题来满足泵站的稳定，同时还要保证施工安全。

三、水利工程建设中常见的地基处理技术及选择

地基处理的方法有很多，工程中常采取措施使土中孔隙减少，土颗粒之间靠近，密度加大，土的承载力提高；另一类方法是在地基中掺加各种物料，通过物理化学作用把土颗粒胶结在一起，使地基承载力提高，刚度加大，变形减小。具体的处理方法有10 种：换填地基法，夯实地基法，预压地基，振冲地基，砂桩、碎石桩和水泥粉煤灰碎石桩，土桩和灰土桩，深层搅拌桩，柱锤冲扩桩，高压喷射注浆桩，桩基础。

根据布置，泵站底板底高程为-1.60m，位于第三层土上，底板距第四层尚有7.10m，故换填法、夯实地基法、柱锤冲扩桩不适合，由于小型泵站工程通常是上一年汛后施工，第二年汛前完工，工期较短，故预压地基法不适合；由于该工程地基土层大部分为黏土，渗透系数小，故振动地基处理和砂桩、碎石桩和水泥粉煤灰碎石桩不适合。由于泵站地基处及以上土层含水量均达到30%以上，故土桩和灰土桩地基处理方法不适合。同时该工程投资额较小，造价较低，故高压喷射注浆桩和桩基础不适合。据此，最终选择水泥土深层搅拌桩地基处理方法。

四、水泥土搅拌桩的设计

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）术语解释，水泥土搅拌桩地基处理方法：以水泥作为固化剂的主要材料，通过深层搅拌机械，将固化剂和地基土强制搅拌形成竖向增强体的复合地基。

根据泵站的布置，水泥土搅拌桩的位置初步拟定位于第三层和第四层土层中。

单桩承载力特征值应满足《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中7.3.3 规定。

式中：

表1 某小型泵站地基土层参数表

fcu—与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，边长为70.7mm 的立方体在标准养护条件下90d 龄期的立方体抗压强度平均值（kPa），根据本规范条文说明，取为1.5MPa；

η—桩身强度折减系数，该工程取0.25；

Ap—桩的截面积。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中7.1.5 条，增强体单桩竖向承载力特征值可按下式估算：

式中：

μp—桩的周长（m）;

qsi—桩周第i 层土的侧阻力特征值（kPa），根据地质资料显示，第三层的侧阻力为20kPa，第四层的侧阻力为40kPa;

lpi—桩长范围内第i 层土的厚度（m）；

αp—桩端端阻力发挥系数，根据规范7.3.3 条取为0.5；

qp—桩端端阻力特征值（kPa），根据地质资料显示，第三层的端阻力为50kPa，第四层的端阻力为40kPa。

根据公式（1）（2），初步拟定桩底高程为-10.0m，桩长为8.4m，桩径为600mm，两个公式中计算出的承载力取最小值，计算出单桩承载力为106kPa。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中7.1.5条，有粘结强度增强体复合地基应按下式计算：

式中：

λ—单桩承载力发挥系数，根据规范说明，取1.0；

Ra—单桩竖向承载力特征值（kN）；

Ap—桩的截面积（m2）；

β—桩间土承载力发挥系数，根据规范取0.3；

fsk—处理后桩间土承载力特征值（kPa），根据地质资料为50kPa；

m—面积置换率。

初步拟定为桩间距为1m，根据计算复合地基承载力为115kPa，大于需要的地基承载力82kPa，符合要求。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中7.3.1 条规定，拟定水泥掺入量不低于15%。

综上所述，该工程地基处理为15%的水泥土深层搅拌桩，桩径为800mm，桩间距为1.0m，桩长为8.4m。

五、基坑支护设计

开挖基坑时，如地质条件及周围环境许可，采用放坡开挖时较经济的，考虑到开挖的土均为淤泥质黏土，含水量高，承载力低，同时工程基坑开挖深度达到5.2m，根据相关规范，属于深基坑开挖，故必须进行基坑支护，以保证施工的顺利和安全。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）中强制性条文3.1.2 规定，基坑支护应满足下列功能要求：（1）保证基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路的安全和正常使用；（2）保证主体地下结构的施工空间。同时根据规程的3.1.3 条规定，支护结构的安全等级为三级。

基坑支护结构的主要作用是支撑土壁。目前水利工程的基坑支护根据受力状态主要分为三大类，第一类是横撑式支撑，第二类是重力式支护结构，第三类是板式支护结构。该工程属于深基坑，泵站工程基坑工作面很大，故该工程采用第三类板式支护结构。

板式支护结构有槽钢、钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩及地下连续墙等结构，根据土层情况，该工程采用钻孔灌注桩结构。

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）中“支挡式结构”的规定，钻孔灌注桩采用桩径800mm、间距1.6m、长度10m 的C30 钢筋混凝土，同时为使所有钻孔灌注桩连在一起，在桩顶部设置混凝土冠梁，冠梁尺寸为1000mm×1000mm。

基坑支护的同时，必须处理好地下水的控制，否则基坑支护必然会出现不安全的因素。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）中7.1.1 条，“地下水控制应根据工程地质和水文地质条件、基坑周边环境要求及支护结构形式选用截水、降水、集水明排方法或其他组合”。

地下水控制包括截水和排水，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）中7.2.1 条的规定，同时结合该工程地基处理采用水泥土深层搅拌桩，为施工方便，截水采用直径为500mm 的水泥土搅拌桩，长度与钻孔灌注桩相同。

基坑里的积水采用明排法，由于地基土层为黏土，渗透系数较小，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）中7.3.1 条的规定，在基坑周边采用真空井点进行降水。

综上所述，该工程基坑支护采用的方法为：第一排为桩径800m 的钻孔灌注桩，间距为1.6m，桩后采用500mm 的12%水泥土搅拌桩作为截渗桩，桩长均为8.4m。同时严格控制排水，采用明排水先排除基坑内积水，同时采用轻型井点降低基坑周边的地下水位，保证为基坑创造一个干燥的施工环境，保证施工安全。

六、结语

水利工程中遇到软土地基是常见情况，水利工程下的地基是否坚固，结构强度是否足够高，都影响着工程整体的质量和运行的安全性、稳定性；在处理地基的同时，必须处理好基坑开挖的问题，否则无法进行正常的施工。故在设计时，必须对地基处理和基坑支护统筹考虑，才能保证施工进度和安全■