郓城县老赵王河王老虎闸地基处理与设计

2022-09-21 04:55陈玲玲
山东水利 2022年9期
关键词:闸室壤土水闸

孔 娜,陈玲玲,纪 瑶

(1.水发规划设计有限公司,山东 济南 250100;2.山东省水利勘测设计院有限公司,山东 济南 250014;3.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心,山东 济南 250010)

王老虎闸位于菏泽市郓城县唐庙镇王老虎村南,老赵王河中游,控制流域面积278 km2。王老虎闸始建于1976年10月,1977年10月竣工。该闸共7孔,闸孔净宽2.8 m,设计标准为5年一遇除涝,自建成投入运行以来,在蓄水灌溉及改善生态环境方面发挥了很好的工程效益。由于该闸已运行40多年,工程老化严重,加之近10年来,由于工程维修资金紧缺,必要的维修无法进行,2019年10月,经水闸安全鉴定为四类闸。

除险加固方案为原址拆除重建,顺水流方向依次布置上游防冲槽、护底、铺盖、闸室、消力池、海漫、下游防冲槽,总长96.0 m。闸室为开敞式钢筋混凝土结构,共5孔,单孔净宽6.0 m,设1个缝墩,采用3孔~2孔的两联布置方式。王老虎闸主要作用为灌溉及除涝,设计灌溉面积1.33万hm2,工程规模为中型。设计除涝标准为5年一遇,设计洪水标准为20年一遇,相应过闸流量为229.1 m3/s,校核洪水标准为50年一遇,相应过闸流量为300.8 m3/s。

1 地质概况

工程区位于郓城西南部,地貌单元为黄河冲积平原,在勘察深度范围内,场地地层自上而下分为9层(含亚层),地层总体以砂壤土、粉砂为主。②、③层砂壤土颗粒中小于0.075的粒组含量超过75%,为少黏性土,其渗透变形形式为流土,地基存在渗透稳定问题。闸室开挖底高程为38.10 m,位于第②层砂壤土及②-1层黏土上,②层砂壤土及②-1层黏土承载力一般,且存在液化土层。

2 稳定计算成果

根据《水闸设计规范》(SL265-2016),对王老虎闸3孔边联和2孔边联闸室计算,各种工况下的基底应力和抗滑稳定安全系数,结果见表1。

表1 闸室稳定计算成果表

根据计算成果表,王老虎闸最大基底应力与最小基底应力之比满足规范要求,抗滑稳定满足规范要求;但是完建期基底应力平均值大于地基承载力,地基承载力强度不足,不能采用天然地基,需进行加固处理,以保障闸室安全。

3 地基处理设计

3.1 地基处理要点

根据闸址处地质情况及稳定计算成果,王老虎闸地基处理主要针对以下方面:

1)水闸地基承载力强度不足。完建期闸室平均基底应力大于地基允许承载力95 kPa,天然地基承载力不满足设计要求,应进行地基处理,使承载力满足设计要求。

2)水闸地基容易发生渗透变形。闸底板位于②层砂壤土上,渗透系数为7.87E-04 cm/s,允许水力比降水平段为0.15,出口段为0.40,地基存在渗透稳定问题,渗透变形形式为流土,在长期渗流作用下可使地基土体颗粒流失,导致地基变形甚至破坏,进而造成建筑物坍塌。

3)水闸地基有地震液化破坏的可能。闸址处地震动峰值加速度0.15 g,相应地震基本烈度为Ⅶ度,场地类型为Ⅲ类。②砂壤土、③砂壤土、⑤粉细砂为液化土层,在地震作用下土颗粒变得紧密,孔隙水压力急剧降低并趋于零,最终使水闸沉降、倾斜甚至沉陷、倾倒。

3.2 地基处理方案选定

王老虎闸天然地基以砂壤土、粉细砂为主,且土层较厚。根据闸址处的地质状况,拟采用“水泥土搅拌桩复合地基+防渗墙”处理方案。

3.3 水泥土深搅桩复合地基设计

影响水泥土搅拌桩复合地基承载力大小的因素主要有桩长、桩径、水泥土强度、水泥掺量、面积置换率以及天然地基土的各层厚度等,本次设计工作中参照《水工建筑物地基处理设计规范》(SL/T792-2020),本工程按以下步骤确定各种设计参数。

1)确定桩长、桩径、水泥土强度、水泥掺量。根据王老虎闸闸址处地质条件,上部第②~③层砂壤土地基承载力标准值为95~115 kPa,下部第④层壤土承载力标准值130 kPa,结合水闸上部荷载,初步拟定选择④层壤土作为桩端持力层,有效桩长7.0 m,桩端深入④层壤土至少1.0 m。

桩径:工程设计桩径0.6 m。

水泥土强度:工程水泥土搅拌桩固化剂选用普通硅酸盐水泥。

水泥掺量:水泥掺量一般宜为12%~20%,过低将达不到强度要求,过高则不经济。结合本工程特点,设计水泥掺量采用15%。

2)水泥土搅拌桩单桩及复合地基承载力。根据《水工建筑物地基处理设计规范》(SL/T792-2020)要求,经计算,水泥土搅拌桩单桩承载力容许值为127.45 kPa;复合桩按间距1.5 m、正方形布桩,复合地基承载力容许值130 kPa,可满足王老虎闸闸室承载力要求。

3.4 防渗墙设计

工程采用水泥土搅拌桩连续墙形成围封,一是起到减轻液化的作用,二是能够加固地基,提高地基承载力,三是具有截渗墙垂直防渗的功能。

设计桩径为0.6 m,桩长为15 m,相邻桩有效搭接长度为0.2 m,桩距为0.4 m,单排布置。布置范围为王老虎闸室段底板内缘为界限进行围封网格布置,网格横向中心间距为6.3 m,纵向不分网格,单个围封面积为90.72 m2。

4 结语

针对工程特点采取“水泥土搅拌桩复合地基+防渗墙”处理方案,可有效解决地基问题,且安全可靠、技术成熟、施工进度快。工程于2020年3月开工,2021年12月通过竣工验收。本文以一座具体工程为实例,总结该工程天然地基存在的问题,提出针对性的处理方案,并对水泥土搅拌桩复合地基的设计提出完整详细的设计流程,可作为类似工程地基处理设计的参考依据。

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