龙泉滘重建水闸地基处理设计分析

王 义

（江门市科禹水利规划设计咨询有限公司,广东 江门 529000）

1 工程背景

1.1 工程概况

龙泉滘拆除重建水闸工程位于礼东围南端马鬃沙河的出口处,是礼东围的重要排水出口,地处广东省江门市江海区城市周边,是排出江海区礼东围西南片涝水的重点工程。现状水闸由于年久失修,存在诸多安全问题,已无法满足排涝需求。每年到了台风暴潮及洪水期,受外江（礼乐河）洪潮顶托,围内涝水无法及时排出,导致围内菜地、鱼塘不同程度受淹,粮食减产甚至失收,部分村庄经济损失严重。为了保障当地群众生命财产的安全,减少围内洪涝灾害,本次对龙泉窖水闸进行拆除重建。

重建水闸选择原址重建,泄水建筑物采用常规的拦河闸型式,闸室采用整体式、胸墙式结构,共5 孔,单孔净宽7 m,闸孔总净宽35 m,闸底板高程取-3.00 m,底板厚1.2 m,顺水流向长15.0 m,闸顶高程为3.50 m,总宽为42.8 m。水闸闸址以上集雨面积27.61 km2,灌溉面积为5400 亩,是一座防洪、挡潮、排水和灌溉相结合的中型水闸, 设计防洪标准按50年一遇,设计校核防洪标准取100年一遇,设计排水流量为253.88 m3/s。

1.2 工程地质

工程区位于珠江三角洲冲（淤）积平原区内,整体地势平坦开阔,属河口三角洲平原地貌,根据钻探揭露,闸址区内出露的地层有第四系全新统地层（Q4）,按地质成因由上至下可分为：①填筑土；②1粉质粘土；②2淤泥；②3黏土；②4粉质黏土；③粗砂；④1全风化泥质粉砂岩；④2强风化泥质粉砂岩以及④3弱风化泥质粉砂岩。各个土层物理力学指标见表1[1]。

表1 龙泉滘水闸地基岩土层主要物理力学指标

1.3 闸室稳定计算

由于闸室基础位于淤泥层,多以软土为主,埋藏深、厚度大,含水量高,根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）第7.2.11 条规定,对水闸闸室在各种工况下的应力及稳定计算,计算结果见表2。

表2 闸室稳定计算成果

从表2 稳定计算结果可以看出,闸室抗滑稳定安全系数kc满足规范要求,而基底应力不均匀系数η 也满足规范要求,基底平均应力最大值60.46 kPa＞ 50 kPa（淤泥土层地基承载力特征值（f=50 kPa））,基底应力最大值69.90 kPa＞（1.2×50-60 kPa）,水闸基础比较差,容易出现不均匀沉降,为了确保闸室安全,需对闸室地基进行处理[2]。

2 地基处理设计

2.1 基础处理方案比选

考虑到闸室地基为深厚的淤泥层,且分布连续,直接出露河涌底部或浅埋于填土层之下,埋深1.0 m～7.0 m,层厚16.20 m～24.50 m,层底高程-25.80 m～-16.99 m；天然含水率介于42.6%～91.0%之间；流塑—软塑状态。为了确保闸室稳定性,结合水闸地质情况,本次闸室地基处理选择水泥搅拌桩复合地基、Φ800 钻孔灌注桩、Φ500 预应力管桩等三种方案进行比选。

2.1.1 水泥搅拌桩复合地基（方案一）

水泥搅拌桩复合地基又称为深层搅拌法,主要是以水泥作为固化剂的主要材料,通过深层搅拌机,沿深度将固化剂与地基土强制就地搅拌,利用固化剂自身及其与地基土之间所产生的一系列物理、化学反应,使桩体与桩之间土体形成具有较高承载力、可共同承载外部荷载的复合地基。该款桩能有效提高地基承载力,减小地基的变形。但由于水泥搅拌桩受目前施工技术制约,龙泉滘水闸淤泥层深厚,难以穿透淤泥层。

2.1.2 Φ800 钻孔灌注桩（方案二）

Φ800 钻孔灌注桩也就是采用钻机设备在地基上钻孔,以形成孔径为800 mm 的桩孔,然后在桩孔内安放钢筋笼,开始灌注混凝土从而形成的桩。该款灌注桩适用于不同土层,按持力层深浅可改变桩长,施工噪音小,承载力高,能够穿透淤泥层,达到承载力较高的强风化粉砂岩层,可用作闸室的基础处理。

2.1.3 Φ500 预应力管桩（方案三）

预应力管桩又名为混凝土预制桩,也就是将达到设计强度的Φ500 预制桩运至施工现场,通过抱压力或顶压力将桩压入土中,在达到预定的标高后浇筑承台梁（板）基础。该款桩适用范围广、造价低,施工速度快,能够穿透淤泥层,但由于其施工场地耐力要求高,在淤泥土层场地施工容易出现陷机现象,加上其是压入土中,容易对周围建筑物或已压入的桩产生一定影响。

考虑到龙泉滘水闸闸址处地基淤泥层深厚,水泥搅拌桩无法穿透淤泥层；而水闸紧邻电排站,同时施工时,建筑物受动力荷载影响较大,预应力管桩在深厚淤泥层中的承受水平荷载能力比较差；经综合比较,推荐采用方案二Φ800 钻孔灌注桩进行基础处理,见表3。

表3 闸室基础处理方案综合对比表

2.2 钻孔灌注桩设计

根据地基和上部荷载特性,闸室基础处理采用φ800 钻孔灌注桩,桩身砼强度等级为C30。闸室底板尺寸为42.80 m×15.00 m,根据闸室最大应力和水平应力计算,闸室底板计算范围内矩型布桩55 根,沿水平荷载方向每排分别布桩5 根,沿垂直于水平荷载方向上每排布桩11 根,桩距3.1 m×4.25 m（3.775 m）,见图1。根据闸址工程区的地质情况,桩端击穿持力层强风化粉砂岩层,桩长26 m。

图1 闸室钻孔灌注桩布置图

由于闸室基础淤泥层深厚且含水量高,为了降低闸室两侧填土的附加应力对泵室基础的影响,减少闸室外地坪与闸室之间的沉降差,闸室外两侧新填土基础采用φ500 水泥搅拌桩处理,桩间距1.0 m×1.0 m,正方形布置,桩长10.0 m。

3 灌注桩基础计算

（1）计算公式

①单桩竖向极限承载力

由于本工程地质勘察报告中桩基础设计参数采用规范为《建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-31-2003、广东省标准）,故本次单桩竖向承载力特征值按该规范规定的公式进行计算,单桩竖向承载力特征值Ra按下式计算：

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值；Ap为桩底端横截面面积,m3；qpa、qsa为桩端阻力特征值、桩侧阻力特征值,kPa；up为桩身周长,m；li为第i 层岩土的厚度,m。

②单桩水平极限承载力

由于缺乏单桩水平静载试验资料,本次计算根据《建筑桩基技术规范》估算单桩水平承载力特征值,计算公式按下列公式计算：

式中：Hik为在荷载效应标准组合下,作用于基桩i 桩顶处的水平力；Rh为单桩基础或群桩中基桩的水平承载力特征值,kN,对于单桩基础,可取单桩的水平承载力特征值Rha。

式中：Rha为单桩水平承载力特征值,kN；α为桩的水平变形系数；EI 为桩身抗弯刚度,对于钢筋混凝土桩,EI=0.85 EcI0；其中Ec为混凝土弹性模量,I0为桩身换算截面惯性矩：圆形截面为I0=W0d0/2；矩形截面为I0=W0b0/2。χoa为桩顶允许水平位移,查《建筑桩基技术规范》第5.7.3 条,取χoa=6 mm；vx为桩顶水平位移系数。

③群桩基础

本工程闸室群桩基础的基桩水平承载力特征值按下式计算：

式中：ηh为群桩效应综合系数；ηi为桩的相互影响效应系数；ηr为桩顶约束效应系数；Sa/d 为沿水平荷载方向的距径比；n1、n2分别为沿水平荷载方向与垂直于水平荷载方向每排桩中的桩数。

④考虑群桩效应的基桩下拉荷载计算按下列公式：

式中：η 为中性点以上土层数,取1；li为中性点以上第i 层土的厚度,闸室段取12 m；ηn为负摩阻力群桩效应系数,ηn＞1时取1；Sax、Say分别为纵横向桩的中心距；qsn为中心点以上桩周土层厚度加权平均负摩阻力标准值；γm为中性点以上桩周土层厚度加权平均重度（地下水位以下取浮重度）。

（2）计算参数

由于本工程闸室基础采用φ800 钻孔灌注桩,桩身砼强度等级为C30,则混凝土弹性模量Ec=3.00×107kN/m2。考虑到闸室及两侧挡墙底板落于淤泥层,根据《建筑桩基技术规范》对于淤泥质土地基,钻孔灌注桩水平抗力系数的比例系数m 取2.5 MN/m4～6 MN/m4,本工程偏安全考虑,故取m=2500 kN/m4作为计算参数。

（3）计算结果

经计算, 闸室段考虑群桩效应的基桩下拉荷载Qgn=226.19 kN。综合考虑,闸室最大垂直应力为完建期38814.34 kN,设计布桩55 根,则实际所需单桩竖向承载力为：Q实=38814.34/55+226.19=931.91 kN。经计算,实际所需单桩竖向承载力为931.91 kN＜2070.94 kN,设计布桩满足要求。考虑群桩效应,单桩水平承载力Ra=138.74 kN,闸室最大水平力为设计水位下时5862.71 kN,设计布桩55 根,则实际所需单桩水平承载力：Rh实=5862.71/55=106.59 kN。计算结果见表4。

表4 灌注桩单桩承载力特征值计算成果表

从表4 计算结果可以看出,闸室灌注桩基础的单桩竖向承载力特征值为2070.94 kN,水平承载力特征值为138.74 kN,抗滑稳定安全系数Kc=138.74/106.59=1.30＞1.25。因此,本次设计布桩能满足规范要求[3]。

4 结论

龙泉滘水闸闸室基础属于软土地基,淤泥层深厚,分布广,承载力差,容易发生下沉现象,从而危及水闸的安全运行。针对闸室地基软土层情况,制定出三种闸室软土地基处理方案进行比较,经综合比选后选择钻孔灌注桩方案作为闸室基础处理方式,并对灌注桩单桩竖向承载力和水平承载力进行计算。计算结果表明,钻孔灌注桩能提高闸室地基承载力,将其应用到龙泉滘水闸闸室深厚淤泥层地基处理中,可以取得很好的应用效果。