河闸枢纽工程浅孔闸振冲碎石桩设计分析与研究——以盘锦市双台子河闸枢纽为例

刘凤艳

(辽宁省盘锦市盘山县农业事业水利服务中心，辽宁 盘锦 124100)

0 引 言

水利水电工程施工通常会遇到特殊地质情况，特别是河闸枢纽工程，软黏土地质强度较低，容易变形，影响后期工程稳定性。振冲碎石桩的应用能够缓解上述问题，有利于提高天然地基的承载力，防止受地震作用的影响避免地基液化。通过对盘锦双台子河闸枢纽工程的施工条件分析，最终决定采用振冲碎石桩施工方案，技术应用效果十分理想。

1 工程施工概况与地质条件分析

1.1 工程概况

盘锦双台子河闸枢纽工程位于盘锦市的东郊，工程从1968年开始建造，为Ⅰ等河闸枢纽工程。浅孔闸、深孔扎、进水闸、船闸等部分建筑物级别均已达到Ⅰ级，按照100a一遇即P=1%进行防洪标准的洪水设计，200a一遇即P=0.5%的洪水校核，盘锦双台子河闸枢纽工程的水闸设计洪水位是8.1m，泄洪量是每秒5000m3；校核洪水位是9.08m，泄量是每秒6800m3；该河闸枢纽工程的正常蓄水位是4.3m。作为辽河下游防洪体系的一部分，双台子河闸枢纽工程的建设关系到整个盘锦市的经济开发与建设[1]。

1.2 地质条件

双台子河闸枢纽工程中的浅孔闸位于左岸河漫滩处，高程最低6m，最高6.5m，多数为坑塘，目前被当地居民用来作为鱼塘，塘堤的高程在6.3m左右，坑底处的高程为3.4m，深度不超过3m。坑塘周围是原河闸的围堤，高度4.5,顶部高程最高8.5m。分析当地的地质条件，主要情况如下：①双台子河闸枢纽工程处的地质条件比较复杂，地基土壤中含有素填土、粉质黏土以及粉砂，地基上部承载力不高且土质不够均匀，整体上稳定程度不足。②地基土中的粉质黏土层微透水，粉土层和粉细砂层分别为弱透水和中等透水。③地表与地下水属于硫酸重碳酸钾纳钙型水，水的酸碱度为中性偏弱碱性，在施工时对混凝土有着一定腐蚀性影响。④施工场地内的土壤类型是中软场地土，属于Ⅲ类场地，经检测分析得知，饱和粉土与粉砂带有一定液化问题。双台子河闸基的持力层存在厚层黏性土，这种土壤压缩性较强，其中的淤泥质粉质黏土属于高压缩性，施工后闸基容易发生不均匀的沉降现象，所产生的剪应力在一定程度上会引发土体蠕动或液流。因此，针对该工程的浅孔闸基础，应采用桩基础，要求桩尖穿过最大液化深度并进入密实的砂层内部[2]。

2 浅孔闸地基处理方案设计

首先，混凝土灌注桩。优点是技术成熟，施工噪声小，可在多种地基中使用；缺点是施工质量对桩基承载力存在影响，混凝土质量难以控制，造价较高。其次，深层水泥搅拌桩。优点是可以改善地基土壤条件，提升其承载力，降低沉降量，提高地基的抗振动液化能力，工期短，无污染；缺点是工程造价较高。最后，振冲碎石桩。优点是桩体间挤密效果良好，可形成复合地基，提升地基承载力，并为地基带来排水通道，提升地基排渗能力，消除地基液化可能性，且造价较低；缺点是需额外采购碎石。综合比较分析得知，针对本项目的浅孔闸基础处理，决定采用振冲碎石桩施工方案。图1为水利水电施工现场的振冲碎石桩施工设备准确情况，表1为碎石桩地基处理区域的振冲碎石桩布置情况。

图1 振冲碎石桩施工设备

表1 振冲碎石桩布置形式

3 河闸枢纽工程浅孔闸振冲碎石桩设计

3.1 振冲碎石桩作用机理

振冲碎石桩技术的应用能够为浅孔闸施工带来较强的结构挤密效果。向孔内灌入碎石并进行振冲时，碎石和土体能够紧密结合，提高土体挤密效果。受碎石的影响，土体结构荷载力不断提升。碎石桩应用于软土地基中可以起到排水沙井的作用，尽快将地基中的水分排出，减少地基沉降时间，使河闸枢纽工程的土体结构尽快稳定，为接下来的振冲碎石桩和浅孔闸工程施工奠定基础。振冲碎石桩挤密方法就是应用振动和冲击的方法在松软地基内成孔，再将碎石挤入孔内，形成由碎石材料构成的密实桩体。

3.2 浅孔闸振冲碎石桩施工设计

结合盘锦双台子河闸枢纽工程浅孔闸的地质勘察信息，选择钻孔整理相关参数，具体情况如表2所示。

表2 浅孔闸振冲碎石桩地质参数

关于工程振冲碎石桩的设计要点，具体包含以下几项内容：

1)明确布桩范围。由于浅孔闸处属于软土地基，土质条件不好，边缘处碎石桩承受的约束力比中间小，为了满足应力扩散需求，建议除了在基础范围内布桩，也要在浅孔闸基础边缘外增设一排护桩，扩大布桩范围。

2)优化桩长设计。按照浅孔闸周围建筑物的结构布置情况，桩顶高程是1.7m，综合地质勘察结果，要求桩尖穿过最大液化深度并进入密实的砂层内，所以桩底标高需要在第4细砂层的顶面位置。

3)明确布桩形式。了解浅孔闸结构设计与底板的实际布置条件，采用三角布桩方式进行振冲碎石桩施工。

5)合理设计桩距。根据荷载情况确定振冲碎石桩之间的桩距，按照振冲器的使用功率，将桩距控制在1.5-3m范围内，本项目施工的桩距为2m。为了加强对造孔桩经和桩距的有效控制，尽可能的降低损耗量，施工时应对加水措施予以限制。面对硬层时，进尺<50mm/min，持续时间>30min，建议采取间断性加水造孔措施，将水压保持在3-4bar(1bar=0.1MPa)即可，持续1-2min，间隔10min加水1次。

6)桩体材料的应用。使用碎石、卵石以及角砾等施工原材料，要求材料的含泥量均不能超过5%，粒径在20-80mm范围内，最大不能超过150mm，必须选用级配良好的材料。

7)碎石桩桩顶预留段和垫层的优化设计。桩顶不方便振动碾压，碎石桩密实度不容易达到设计要求，施工时在桩顶部预留1m左右的桩体，施工后在挖出这部分。在桩顶位置设置300mm厚度的碎石垫层，以此保证荷载在碎石桩中的均匀传递[3]。

8)其他参数的确定。总桩数为12根，其中φ100cm、深度10m的有6根；其中φ100cm、深度9.37m的有6根。

9)施工前人们需要做好场地处理工作，及时清除地基表面的杂物，结合提前编制的设计方案进行碎石桩的放样定位与试验施工，再次确认各项施工参数，保证其可以满足地基处理要求，准备起吊设备与振冲器，调整设备位置，使振冲器与桩位定位，借助振冲器完成成孔操作，当振冲到一定深度后进行清孔作业，再填筑碎石材料，从而达到挤密效果，使碎石桩与软土地基之间形成复合地基。图2为振冲碎石桩施工现场。

3.3 复合地基承载力与总沉降量计算

按照《水泥水电工程振冲法地基处理技术规范》中提出的要求和计算公式对盘锦双台子河闸枢纽浅孔闸振冲碎石桩地基承载力、总沉降量进行计算。振冲桩复合地基承载力特征值可通过地基荷载试验确定，初步设计可用单桩与处理后桩间土承载力特征值估算，公式如下：fspk=mfpk+(1-m)fsk；m=d2/d2e；公式中，fspk指的是振冲桩复合地基承载力特征值；fpk指的是振冲碎石桩承载力特征值；fsk为处理后桩间图承载力特征值；m为桩图面积置换率；d为桩身直径；de为桩分散的地基面积等效圆直径。经过计算得知，复合地基的承载力标准值最低是209kPa，已经满足了工程设计要求，沉降总量是95mm，比规定的允许值低150mm，也能满足设计要求。不仅如此，振冲碎石桩在加固地基时，对双台子河闸枢纽站竣工期与蓄水期的大坝混凝土防渗墙应力变形产生影响，应用振冲碎石桩加固技术后，混凝土防渗墙的沉降位移与水平位移均有减小的现象。由此可见，振冲碎石桩能够更好的保护浅孔闸处的地基稳固，保证周围建筑物安全。

总结：总而言之，综合了解盘锦双河闸枢纽工程的地质条件与工程概况，分析浅孔闸位置的地基承载情况，为了提高地基承载力，降低地基沉降量，有必要应用碎石桩处理地基。结合工程实际施工情况，根据振冲碎石桩作用机理，明确浅孔闸振冲碎石桩地质参数，优化工程振冲碎石桩设计，从而提升施工质量，优化软基处理方案。