南京市九乡河水利枢纽闸室软基处理方案研究

沈昊 余代广 马力

摘要：为了解决南京市九乡河水利枢纽工程闸室在淤泥层深厚的地质条件下的地基处理问题，根据枢纽运行特点及地质条件，对节制闸闸室地基处理进行了预应力高强混凝土管桩（PHC桩）和灌注桩两个方案的设计和比选分析。通过对比分析各项计算数据和工程造价，最终采用灌注桩方案。结果表明：该方案有效解决了软基条件下的竖向承载、水平抗滑及沉降等关键技术难题，确保了工程安全和顺利实施，并经汛期大洪水考验，处理效果显著。灌注桩在软弱土层较厚的类似地质条件下具有工程适用性强和安全可靠度高的特点。

关键词：闸室; 软基处理; 灌注桩; 混凝土管桩; 九乡河水利枢纽; 南京市

中图法分类号：TU47文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.013

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0073 - 05

0 引 言

长江下游冲击平原软弱土层较厚，地质条件错综复杂，易发生滑移和沉降过大的情况，若建筑物地基处理不当，易造成的工程事故。长江南京段堤防沿线地质条件普遍較差，广泛发育着谷内式松散沉积物，在底部有古长江沉积的园砾、砾砂及少量中细砂及砂壤土、黏性土;上部为砂壤土、粉细砂、黏性土及淤泥质土。入江河道口门建筑物底板一般位于淤泥质土层上，设计中经常出现地基承载力不足、稳定和沉降计算不能满足规范要求的情况，需要对软土地基加固处理。针对不同软基处理方法的优缺点和适用范围，在加固处理方案比选时，应着重对可靠性、可行性等安全方面进行分析，同时兼顾经济性对比。本文对九乡河水利枢纽闸室软基处理方案进行了比选研究。

1 工程概况

九乡河水利枢纽位于南京市栖霞区九乡河入江口上游约170 m处，由节制闸和泵站组成，节制闸采用3孔，单孔净宽10 m;泵站安装两台潜水贯流泵机组，单泵流量为7.5 m3/s。该闸站枢纽具有防洪、排涝、蓄水及引水等多项功能[1]。

闸站采取合建方案，集中布置在九乡河河道内，节制闸中心线与上游河道中心线重合，以利于行洪。节制闸闸室采用块基型整体结构，闸室顺水流向长20.0 m，垂直水流向宽35.4 m;分3孔，单孔净宽10 m，中墩厚1.5 m，边墩厚1.2 m;底板顶面高程2.50 m，厚1.5 m，闸墩顶高程12.0 m。闸室西侧布置泵室，东侧布置空箱岸墙[1]。闸室平面及剖面设计见图1。

2软基处理设计理念与思路

2.1 应用条件

2.1.1 设计工况

根据九乡河闸站主要功能及特征水位组合情况，针对两个工况进行地基处理设计和计算分析：① 完建期。因无扬压力影响，建筑物自身重量及地基应力最大，主要进行地基竖向承载能力设计及分析;② 蓄水工况。闸上非汛期正常蓄水位7.5 m，闸下长江侧100 a一遇低潮位1.37 m，上下游最大水位差6.13 m，闸室承受的水平力推力也最大，是建筑物抗滑稳定最不利工况，地基处理后的水平承载能力应满足抗滑要求。

2.1.2 地质条件

闸室底板下依次分布③1淤泥质重粉质壤土（压缩模量为3.44 MPa，地基承载力为55 kPa）;④2粉土质砂（稍密）（压缩模量为14.32 MPa，地基承载力为130 kPa）;④3粉土质砂（中密）（压缩模量为11.12 MPa，地基承载力为160 kPa）;④4粉土质砂（密实）（压缩模量为12.94 MPa，地基承载力为220 kPa）;④5粉质黏土、黏土（压缩模量为4.08 MPa，地基承载力为95 kPa）;⑧11强风化砂岩（地基承载力为300 kPa）等土层，其中闸室底板位于③1淤泥质重粉质壤土层，土体力学强度低，压缩性高，工程地质条件较差，属于软弱地基土层，工程地质见图2。

2.1.3 天然地基条件下闸室稳定计算

对节制闸闸室进行了在完建期和蓄水工况下未经处理的、天然地基条件的稳定计算。闸室底板顶高程2.50 m，底板底高程1.00 m，位于③1层淤泥质重粉质壤土夹薄层粉土质砂，该层土承载力为55 kPa，其室内试验指标为：固结快剪指标Cc=16.3 kPa，φc=8.2°。参照类似工程经验，经综合考虑，取摩擦系数f=0.30。闸室稳定和地基应力计算成果见表1。

由计算结果可知，两种工况下闸室基底不均匀系数满足规范要求，但地基承载力及抗滑稳定安全系数不满足规范要求，因此需进行地基处理。

2.2设计难点

九乡河枢纽位于河道入江口，地质条件复杂，淤泥质土层深厚，地基处理不当易发生较大沉降和变形;同时由于水闸本身结构尺寸较大，重量较重，对地基承载力要求较高;蓄水期闸下无水，单向水平推力较大，对抗滑极为不利。因此，地基处理设计是该工程成败的关键因素，在地质条件较差的情况下，需在满足地基承载力和抗滑稳定两个基本安全要求的同时做到造价最优，也是九乡河枢纽工程设计研究的重点及攻关课题。按照上述应用条件，地基竖向承载力设计控制工况是完建期自重最大的情况，而地基水平向承载力则受控于蓄水工况，如何使地基处理设计同时满足两个工况要求也是设计的难点及整个工程成败的关键。

2.3 设计原则与设计思路

2.3.1 设计原则

经地基处理后，闸室须满足地基承载能力和抗滑稳定要求。如采用钻孔灌注桩，桩顶水平位移值宜控制不超过0.5 cm;如采用预制桩，宜控制不超过1.0 cm。水闸地基最大沉降量不宜超过15 cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm[2]。桩基平均竖向力小于1.0倍桩基竖向承载力特征值，桩基最大竖向力小于1.2倍桩基竖向承载力特征值[3]。

2.3.2 设计思路

重点从工程地质条件分析、工况受力特点计算、地基处理方式比选、适用的地基处理方式计算分析和施工难易程度及工程造价等方面着手，采取多方案比较与分析的方法以及地基处理计算与类似工程经验相结合的手段，寻求安全可靠、技术可行且经济效益显著的整体最优方案，最终达到基础牢固、确保工程顺利实施的目的。

3 地基处理研究与设计

3.1 地基处理方式比选

闸室处淤泥质土层较厚，对沉降和变形要求高。采用深搅桩处理难以达到预期效果，且难以控制沉降量和沉降差，且與该工程的使用功能不相适应，故对闸室地基处理进行了预应力高强混凝土管桩（PHC桩）和灌注桩两个方案的比选，详见表2。

两种桩基处理方式在竖向承载和水平向承载各有所长，PHC桩造价低于钻孔灌注桩方案，但降低的费用占总投资比重较小。针对两种桩基处理方式的优缺点进行详细计算分析，比较优劣后最终确定地基处理方式。

3.2 灌注桩及预制管桩布置

3.2.1 灌注桩布置

闸室底板下布置Φ1 000 mm钻孔灌注桩60根，桩长21 m，以④4粉土质砂（密实）作为持力层，布置见图3。

3.2.2 PHC管桩布置

闸室底板下布置桩径500 mm预应力高强混凝土管桩（PHC桩），桩长20 m，间距2.0 m，桩顶布置一层0.3 m厚的水泥土褥垫层[5]，详见图4。

3.3 竖向承载能力计算

3.3.1 灌注桩竖向承载力

以完建期为控制工况，根据JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[3]，单桩竖向极限承载力标准值Quk（kN）计算如下

经计算，水闸底板下PHC桩复合地基承载力为134.81 kPa，根据闸室稳定计算成果，地基要求承载力为97.38 kPa，复合地基承载力满足要求。

3.4 水平抗滑稳定计算

经分析，闸室桩顶位移的控制工况为蓄水工况，按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[3]的有关规定计算灌注桩桩顶位移为1.94 mm，满足规范不大于5 mm的要求。

PHC桩为复合地基，闸室抗滑计算依然采用基底摩擦力与水平推力进行比较。考虑到地基采用PHC桩处理后，地基类别由软弱变为中等坚硬，闸室基底与地基之间的摩擦系数 f 值调整为0.35，经计算闸室在蓄水工况下的抗滑稳定安全系数为1.28，满足规范要求，但仅比天然地基条件下的抗滑稳定安全系数（1.12）提高了约14.3%。

3.5沉降计算

闸室桩基沉降计算等效作用面位于桩端平面，等效作用面积为闸室底板面积，等效作用附加压力近似取闸室底平均附加应力。经计算得到闸室灌注桩处理后沉降量为0.91 mm，沉降量较小，满足规范要求。

PHC桩复合地基下闸室沉降量计算为257 mm，超出规范要求较多，不满足设计要求，且由于闸室两侧分别为泵室和空箱岸墙，沉降过大易对相邻建筑造成安全影响。

3.6 地基处理方式确定

经过地基处理计算对比可知，PHC桩竖向承载力能够满足设计要求，但由于采用复合地基，难以承受较大的垂直与水平荷载，水平抗滑安全系数提高14.3%，十分有限;另外沉降变形远大于规范要求;同时考虑到打桩需进入④3层粉砂（中密）及④4层粉土质砂（密实），打入难度较大，且因桩基较长需接桩（单根桩长为15 m），垂直度较难保证。而灌注桩可同时满足较大的垂直与水平荷载，能够较好解决地基承载力及抗滑稳定不足的问题，同时满足沉降和变形要求。综合考虑地质条件的复杂性、闸室对沉降变形的要求以及九乡河口闸站的重要性，同时考虑地基处理费用相差较少且占工程总投资比例较小的情况，最终采用灌注桩基础进行地基处理。

九乡河水利枢纽工程已于2019年通过竣工验收，并经过2020年长江流域大洪水考验，运行良好，位移及沉降观测结果显示均较小，与计算结果接近，满足规范要求，进一步验证了灌注桩地基处理成果的合理性和有效性。

4 结 语

为解决南京市九乡河水利枢纽闸室在淤泥层深厚地质条件下的地基处理问题，通过多方案设计比选与研究，并经详细计算验证，确定闸室软基处理采用灌注桩。研究结果表明：钢筋混凝土灌注桩桩顶竖向主筋及螺旋式箍筋均伸入闸室底板与其浇筑成一体，具有较强的竖向及水平向承载能力，可较好解决软基地基承载力、抗滑稳定不足及沉降量过大等问题。该方法成功解决了九乡河水利枢纽闸室软基处理的关键技术难题，确保了工程安全和顺利实施，并经大洪水考验效果显著，具有良好的工程适用性和安全可靠性，可为类似地质条件区域的水工建筑物软基处理设计提供参考。

参考文献：

[1] 南京市水利规划设计院有限责任公司.南京市九乡河治理应急工程实施方案报告[R]. 南京：南京市水利规划设计院有限责任公司，2014：10.

[2] SL 265-2016  水闸设计规范[S].

[3] JGJ 94-2008  建筑桩基技术规范[S].

[4] JGJ/T 406-2017  预应力混凝土管桩技术标准[S].

[5] JGJ 79-2012  建筑地基处理技术规范[S].

（编辑：唐湘茜）

Design and research on soft foundation treatment of sluice chamber of Jiuxianghe Hydro-complex Project

SHEN Hao，YU Daiguang， MA Li

（Nanjing Water Planning and Designing Institute Co. Ltd.， Nanjing 210022， China）

Abstracts： To solve soft foundation treatment problem of deep-thick silt layer under the chamber of Nanjing Jiuxianghe water control project， according to the operation characteristics and geological conditions of the project， the design and comparative analysis of two schemes of prestressed high-strength concrete pipe pile （PHC pile） and cast-in-place pile for the foundation treatment of the sluice chamber are carried out. Through the comparative analysis of various calculation data and project cost， the cast-in-place pile scheme is finally adopted， which can effectively solve the key technical problems such as vertical bearing， horizontal anti sliding and settlement， ensuring the safe and smooth implementation of the project. The big flood trial showed that the treatment effect is remarkable. The research results show that the cast-in-place pile has the characteristics of strong engineering applicability and high safety and reliability for the similar geological conditions with thick soft soil layer.

Key words： sluice chamber; soft foundation treatment; cast-in-place pile; concrete pile;Jiuxianghe Hydro-complex Project; Nanjing

收稿日期：2021-07-19

作者简介：沈 昊，男，高级工程师，主要从事水工结构设计研究。E-mail：86406891@qq.com