水闸地基处理设计研究

1 引言

水闸建设工程自兴起后在我国快速发展， 并取得了较大的成果和进步。 但在水闸工程建设的过程中，由于地基处理设计工作存在欠缺所导致的安全问题时有发生。 一方面水闸工程施工区域地质条件较差，影响了混凝土质量与岩石稳定性；一方面地基容易受到施工阶段的影响，造成地基沉降等问题，影响整体稳定性。 针对水闸地基处理内容，国内外不少学者进行了相关的研究，在以往的研究当中，学者大多集中于水闸地基处理中桩基处理方法的应用以及针对软土地基的处理方法研究上，为了更好地处理水闸地基，本文以实际工程为例，对比多个地基处理方法，对其加以深入研究。

2 水闸地基处理设计常用方法

2.1 桩基处理法

桩基处理法结合围封施工主要针对液化砂性土地基区域。 在实际水闸工程中， 若是液化层的厚度较低且整体较浅时，可以直接采用围封方式处理。 一般来说，围封的深度要超过液化层，通过高压摆喷的方法设计围封墙。 通常情况下，围封墙可以使用三管法高压摆喷折接的方法设置， 控制喷射的方向与轴线之间形成25°的夹角，30°的摆角。 通过以上方式所设置形成的围封墙墙体的抗压强度要高于3 MPa， 最小厚度大于0.2 m，且渗透系数符合i×10-6m/s（i 为1~5），允许渗透比降值高于40。 若是液化层厚度较高、整体较深时，可以在闸板的下方使用混凝土灌注方法设计桩基础， 利用桩基提高地基的承载力，以此避免在受到外界影响时地基出现液化现象，降低其稳定性，影响水闸整体的安全。

2.2 强夯法

强夯法可快速加固地基， 在地基高处位置给予其巨大的振动和冲击，以此排出地基中的气体，达到密实效果，将其中的液体排出，使地基中的各个组成部分重新排列组合，形成预变形，进而提升地基土的性质，提高地基整体的稳定性。

2.3 垫层法

垫层法（见图1）处理设计地基应用范围较为广泛，其主要在于通过改变地基的应力分布进而改善其稳定性， 同时实现塑性变形基础还原。 垫层法重点计算和确定垫层的宽度和厚度，核算地基承载力。 一般来说，在水闸工程中，垫层地面的压力应小于地基的承载力， 若其厚度过小， 则难以起到缓冲作用。 选择垫层材料尽量就地取材，结合成熟技术，便于施工的进行。 通常情况下，必须选择良好的粗砂和中粗砂，通过振动使其达到密实状态。 比如，一个水闸的地基使用厚3.9 m 的中粗砂，使用水振法振动后达到密实状态，相对密度在0.9 左右，最大干密度达到将近1.9 g/cm3，使其满足施工要求。 垫层法尤其注意尽量避免使用细砂或砂质壤土， 由于其不均匀系数较高，在振动作用下很容易液化。

图1 垫层法地基处理

2.4 沉井法

沉井法在地基处理设计施工中十分常见，应用较为广泛，在水闸工程中不仅可以提高地基的承载力， 还能够解决地基的渗透变形问题，对于后续开挖工程十分有利。 沉井法最常用于上部为流沙层或软土层， 下部为岩石下卧层或硬土的水闸地基类型，且在施工时需将沉井放置在硬土层表面。 若是水闸地基中的岩层表面倾斜度较大或有障碍物难以清除时， 要避免使用沉井法。 为了避免在地基处理设计施工中，使用沉井法时遇到流沙地层出现沉井偏斜、沉陷等问题，影响施工的正常进行，甚至造成地基下沉或边坡塌方等严重问题。 在设计过程中， 要注意以下地层情况的处理： 粉沙土层中粉粒含量超出75%、黏土颗粒含量低于10%；土层中粉沙层或亚黏土层厚度大于25 cm；土层含水量超出30%、土层孔隙率低于43%[1]。

2.5 振动水冲法

地基处理设计工作中， 振动水冲法能够产生较好的效果，能够降低地基的沉降量，提高地基的承载力。 该方法对于饱和砂土而言，更是能够提高其抗振动能力，避免液化情况出现。 振动水冲法相对来说施工较为简便、效率较高且成本较低。 通过向振冲孔内添加填料，将其扩挤成桩进而对地基起到振冲效果，尤其对于沙壤土地基或砂土地基效果更加。 但整体而言，该方法不适用于抗剪强度较低、含水量较大的软黏性土地基的处理。

3 水闸地基处理设计方法对比

3.1 工程概况

本次研究工程以甘肃省某水闸软土地基处理设计为例，该水闸负责除涝、水资源调度和应急通航等多项功能。 水闸共有3 孔，孔的总宽度为60 m，是甘肃地区较大的水闸工程。 该水闸工程的孔跨径较大，且闸首的两侧均为高填土，其高度甚至达到了14 m 左右。 为了减低孔跨径过大在结构内部产生较大应力，工程采用了分离式孔跨结构，中间孔位置属于独立底板，两边孔为整体结构。 对于该水闸工程而言，最容易出现的地基问题即为不均匀沉降或变形移位等，影响水闸的安全运行。

该水闸的闸室底板底高程在-4.0 m，水闸整体位于灰色砂质粉土层，闸室的底板厚度相对较薄，最薄的位置只有2 m 左右厚，其下部所处的灰色淤泥质粉质黏土属于软弱下卧层，厚度较高，且土质一般。 针对水闸地基的地质条件，结合工程要求和标准，进行相应的地基处理设计工作。 具体土层性质如表1 所示。

表1 土层性质参数表

3.2 总体设计思路

该水闸工程在地基处理设计中， 主要解决孔两边的不均匀沉降问题以及孔之间的差异沉降问题。 由于该工程的闸首回填土高度过高， 闸中孔闸室的两边载荷分布情况十分不均匀，因此必须及时采取相应的措施，以避免造成闸室出现严重的不均匀沉降或变形问题，影响水闸的稳定运行。 对此，闸首的结构部分在处理设计地基时， 应尽量降低其两侧的高填土高度，并降低两孔边和两孔之间的不均匀沉降问题[2]。 整体而言，主要包括以下几方面设计：（1）在边孔两侧设置空箱岸墙结构， 承担部分高填土产生的压力， 降低闸室的承载负担。（2）使用复合地基加固方法处理岸墙后侧的引堤地基，降低整体结构与引堤间的不均匀沉降现象。 （3）根据上部建筑结构情况，针对性地加宽边孔闸室底板，在靠岸一侧设置6 m 的空箱结构，另一侧向中孔外挑2.5 m，并适当增加孔底板宽度，降低沉降现象。 （4）提升桩基布置，降低闸室底板不均匀沉降现象。

3.3 地基处理设计方法及对比

在该水闸工程中，闸首主体结构位置的地基处理和引堤高填土位置的地基处理占据更为重要的地位，因此，为了实现更好的施工效果，使用分段的方式处理设计地基，设计针对性施工方案。 首先，完成闸首主体结构的地基处理设计，在这一过程中，不改变引堤地基的处理方法。 其次，完成引堤地基的回填土基础地基处理设计，这一过程中，闸首主体结构的地基处理设计采用上述方法，控制变量，完成地基处理方法的研究和对比。

3.3.1 闸首主体结构地基处理设计

该部分地基处理设计中， 主要采取不同的桩基结构布置方法，对其加以对比和分析。 在此过程中，全部使用搅拌桩的方法处理岸箱地基。 方案一：中孔桩基设置15 m 钢筋混凝土方桩和满堂疏桩、 边孔桩基设置27 m 的钢筋混凝土方桩、满堂布置、边孔结构位置设置6 m 左右的空箱结构、岸箱采用三轴搅拌桩复合地基处理方式。 引堤中，4.5 m 以下部分采用复合地基处理，以上部分采用素填土方式。 方案二：中孔桩基无孔设置，其余处理方式不变。 方案三：边孔桩基将桩基集中布置于闸墩下方，其余处理方式不变。 方案四：边孔结构处理中不设置空箱结构，其余处理方式不变。 通过以上处理方式，对比沉降情况如表2 所示。

表2 不同方案沉降及内力情况

通过数据信息对比情况可以发现，在地基处理中，取消中孔底板桩基对整个闸首的变形沉降情况影响较小； 对于边孔布桩不均匀会导致孔内力降低，但对整体闸首变形沉降情况影响较小；取消边孔空箱能够大幅度提升边孔内力，但同时会很大程度上影响闸首的变形沉降情况[3]。 由此可以分析出，对闸首主体结构处理设计地基时，设置6 m 的空箱结构，取消中孔底板桩基并按照不均匀布桩的方式处理边孔底板效果更佳。

3.3.2 岸墙地基与墙后填土处理

该工程中，针对岸箱的地基处理设计，选择使用钢筋混凝土方桩和复合地基加以对比。 其中，复合地基处理方式中，使用三轴搅拌桩处理岸箱地基，不断加深岸箱深度，使其深度约为25 m。 钢筋混凝土方桩处理方法主要将钢筋混凝土方桩作为基础，设置27 m 的桩基，对于岸墙后的引堤使用三轴搅拌桩的方式处理和加固，对于4.5 m 以上范围的引堤采用轻质回填土和常规填土的方式加以处理即可。 方案一：中孔无桩，边孔为27 m 方桩不均匀分布， 岸箱采用三轴搅拌桩复合地基，引堤4.5 m 以上常规回填土，以下复合地基处理。方案二：引堤4.5 m 以上轻质回填土，其余不变。 方案三：岸箱27 m 方桩，其余与方案二一致。方案四：27 m 方桩，其余与方案一一致。通过处理结果，对比分析如表3 所示。

表3 不同方案沉降及内力情况

通过对比分析可以看出， 方案一的岸墙沉降情况较为严重，其余方案的沉降量相对较低，但方案二中的边孔底板会产生较大的位移情况；使用轻质回填土可有效降低沉降量，且施工经济性较高； 使用钢筋混凝土方桩处理岸箱效果要好于复合地基处理方法，可有效降低不均匀沉降现象，但会产生相对较大的底板位移。

4 结语