水泥土搅拌桩复合地基在水闸设计中的应用

白 露，孔维艳

（山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250100）

在鲁北平原地区，建于河道上的拦河闸或河流入海口处的挡潮闸等，地基基础多为松散或软弱的沉积层，土层常常分布不均匀，土体的抗剪强度低，承载能力不足，压缩性较大，使得基础在上部荷载作用下产生过大的沉降量或沉降差，从而导致地基产生不均匀沉降，闸室底板和闸基土变形不协调，产生“脱空”现象。在水闸运行过程中，由于上下游水头差的作用，闸基容易产生渗流、管涌破坏，闸室产生裂缝、沉降、倾斜等工程病险问题，严重影响水闸结构安全和正常使用。

因此，在软土地基上修建水闸工程,地基处理是非常重要的。与其他地基处理方法对比，水泥土搅拌桩复合地基工程造价低，进场设备简单，施工速度快，施工工艺较为成熟，在短时间内完成水下作业施工方面具有优势。与此同时，水泥土搅拌桩复合地基适应变形能力好，在增大变形模量，提高地基承载力方面具有良好的工程性能，是一种较理想的地基处理技术，近年来在水闸工程中应用广泛。

1 工程概况

陵县三里河闸是笃马河下游41+600处一座中型河道节制闸，承担着汛期调节泄洪、防止内涝及沿岸灌溉用水任务。设计灌溉面积1 200 hm2，实际灌溉面积800 hm2，受益范围为陵城区陵城镇、神头镇、糜镇3镇。运行40多年来，在保证防洪安全、防止内涝和沿河乡镇农业灌溉中发挥了巨大作用，效益显著。

2 工程任务及规模

2.1 工程任务

笃马河三里河闸除险加固工程，为充分考虑利用河道两岸连接设施，避免产生新增永久占地，设计采用原闸址（位于笃马河桩号41+600）拆除改建，增设交通桥和场内路面硬化，增加监测、监控等安全设施。改建闸室轴线与河道中泓线正交。顺河向闸室及上下游连接段中心线，与河道中心线重合。

工程建设运行后可充分发挥水闸汛期开闸泄洪、非汛期蓄水灌溉功能，保障区域防御洪涝灾害的能力，保护和提高粮食综合生产能力。

2.2 工程规模

笃马河陵县段河道治理已按照批复的《徒骇、马颊河系防洪规划报告》中“61年雨型”防洪、“64年雨型”排涝标准实施设计并施工，治理后达到了设计断面标准。

根据《徒骇、马颊河系防洪规划》，三里河闸设计防洪标准为“61年雨型”，防洪流量为149.5 m3/s，相应闸上水位为17.1 m；排涝标准为“64年雨型”，排涝流量为97.5 m3/s，相应闸上水位为15.8 m；设计蓄水位15.6 m，设计蓄水量210万m3，年调蓄水量630万m3。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000），设计工程规模为中型。

3 闸室沉降计算

闸室设计采用整体式平底板钢筋混凝土结构，底板长10 m，宽23.5 m，底板前、后趾处，地基最大、最小应力分别为Pmax=116.37 kPa，Pmin=77.68 kPa，平均应力为97 kPa。

根据地质勘察报告揭示，闸基地层分别为④层饱和黏土、⑤层细砂及⑥、⑦层壤土。依据《水工建筑物地基设计规范》（SLT792-2019）和《水闸设计规范》（SL265-2001），闸室的沉降量计算采用分层总和法，结合工程实际情况，基底以下各土层的压缩模量选择采用弹性模量经验值进行沉降计算。计算深度取15 m，满足规范对沉降计算深度的要求。

经计算，闸室最大沉降量为14.9 cm，满足《水闸设计规范》（SL265-2016）中8.3.6条不宜超过15 cm的要求。但结合老闸病险情况，同时考虑与同类工程进行横向对比，其沉降量偏大，设计采用地基处理措施减小沉降量。

4 闸室地基处理及沉降复核计算

4.1 病险情况

原闸在初建时，由于受当时经济、技术等因素制约，软基基础未处理好，造成闸门底部出现淘空现象，后来已采取补救措施。水闸运行近四十年，地基产生不均匀沉降，闸底板裂缝，闸墩发生位移、沉降。根据闸址处工程地质实际情况和原闸病险情况分析，除险加固工程设计采用水泥土搅拌桩复合地基进行地基处理。

4.2 地基处理设计

1）水泥土搅拌桩。水泥土搅拌桩复合地基是在天然地基中，采用水泥、石灰等固化剂加固地基的地基处理技术，为半刚性桩复合地基。在工程项目建设中被广泛应用于水闸、泵站、堤防等水利工程中。

2）水泥土搅拌桩布置。在三里河闸除险加固设计中，为保证闸室整体稳定，解决闸室不均匀系数偏大、沉降量大等工程问题，采用水泥土搅拌桩复合地基对闸基进行加固处理。

水泥土搅拌桩设计水泥掺量不小于15%，水泥土强度不小于1.80 MPa。基底采用桩径0.5 m，桩间距1.5 m的水泥土搅拌桩基础，正三角形布置，面积置换率10%。计算桩长8.0 m，桩底高程为-0.7 m。设计中基础不设置褥垫层，桩顶进入混凝土垫层内100 mm。

3）地基承载力验算。根据承载力公式进行计算，水泥土搅拌桩单桩承载力为82.47 kN，复合地基承载力特征值为126.41 kPa，承载力满足规范要求。

4）沉降复核计算。经试验计算，闸室地基平均应力为97 kPa。根据《水工建筑物地基设计规范》（SLT792-2019）和《水闸设计规范》（SL265-2001）的要求，复合地基沉降计算经验系数采取0.78，复合土层的压缩模量采用《水工建筑物地基设计规范》（SLT792-2019）中的公式（2-5）计算，得到④、⑤、⑥、⑦层复合土层的压缩模量分别为：46 MPa、55 MPa、55 MPa、55 MPa。经计算闸室复合地基最终沉降量10.9 cm。通过对比分析，采用水泥土搅拌桩复合地基，闸室沉降量得到了明显改善。

5 结论

目前，复合地基在地基处理方法中的应用越来越多，特别是水泥土搅拌桩作为一种加固软土地基的地基处理技术，在解决地基承载力不足、沉降变形大等问题中效果良好。同时它是一种半刚性桩复合地基，相比于柔性桩复合地基和刚性桩复合地基具有一定的自身优势，可以有效的保证基础底板与土体的接触，避免底板脱空，造成渗流或管涌破坏，与此同时，还可以有效避免结构边缘处产生沉降差等。因此，值得在中小型水利工程中大力推广应用。