汉江雅口航运枢纽工程地基处理优化设计

郭玉涛，李润杰，黄智超

(1.中国葛洲坝集团市政工程有限公司,湖北 宜昌 443002;2.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司,湖南 长沙 410007)

0 引言

任何水工建筑物都是建造在一定的地层上的,承受建筑物荷载的地层称为地基,当天然地基承载力不满足要求或最大沉降量或最大沉降差达不到要求时,应采取措施进行地基处理。水利工程常用的几种地基处理方法有:换土(砂)地基、钻孔灌注桩、预制桩、水泥搅拌桩、高压喷射灌浆、水泥粉煤灰碎石桩、强夯法、沉井、排水固结法、加筋法等[1-3],但是这些地基处理的方法均有其地层适用的局限性,同时功效低、成本高。本文通过汉江雅口航运枢纽工程地基处理优化设计,引进了建筑业常用的长螺旋钻孔压灌桩地基处理技术,取得了良好的工程效果,为水利工程地基处理施工提供了新方法,同时也为各种工程项目之间相互借鉴施工技术提供了思路。

1 工程概况

1.1 工程简介

雅口航运枢纽位于汉江中游丹江口—钟祥河段、湖北省宜城市下游15.7 km处,上距丹江口水利枢纽203 km,下距河口446 km,是汉江干流湖北省内梯级开发中的第6级,其上下游分别与崔家营梯级和碾盘山梯级衔接,距上游崔家营梯级约52.67 km,距下游碾盘山梯级约59.38 km。枢纽正常蓄水位55.22 m,相应库容3.37亿m3,装机容量75 MW,航道等级为Ⅲ(2)级,设计通航船舶吨级为1 000 t。主要建筑物包括船闸、泄水闸、发电厂房、土石坝、坝顶交通桥、鱼道等工程。工程开发任务以航运为主,结合发电,兼顾灌溉、旅游等综合利用效益[4]。

1.2 工程地质

坝址区河谷开阔,呈浅“U”形,河床宽浅,地形上左岸为河漫滩,其后缘接基岩岸坡,岸坡顶部为Ⅱ级阶地;右岸为Ⅰ级阶地,宜西堤位于Ⅰ级阶地。基岩为新近系掇刀石组黏土岩夹泥灰岩、粉(细)砂岩、砂砾岩透镜体,成岩程度差、属极软类岩石。河床覆盖层为第四系全新统冲积堆积物,主要由砂卵砾石组成,堆积韵律呈上细下粗的总趋势[5]。

1.3 建筑物建基面情况

1)泄水闸闸室及船闸部分导航墙基础坐落于覆盖层的砂砾石层上,局部分布有粉细砂夹层,工程性质较差,根据建筑物结构进行受力计算,泄水闸闸室最大地基应力为300 kPa,最大沉降量19.9 cm;船闸部分导航墙最大地基应力为360 kPa,最大沉降量15.5 cm。天然地基不能满足《水闸设计规范》及《船闸水工建筑物设计规范》[6]对建筑物正常运用要求,需通过地基处理方式以提高地基承载力并减少地基沉降。

2)安装场和鱼道工程坐落在回填料上,不满足建筑物承载力要求,需进行地基处理。

2 建筑物地基处理原设计方案

2.1 碎石桩地基处理

泄水闸闸室、岸墙和翼墙均采用碎石桩复合地基处理方案,碎石桩桩径0.8 m,间距2.0 m～2.4 m,桩长约8 m～12 m,碎石桩桩顶设置30 cm砂石褥垫层,褥垫层上层铺设10 cm厚C15混凝土垫层,垫层超出基础外缘1 m。级配砂石垫层中砂与碎石体积比为2∶1,最大粒径不超过20 mm。

2.2 PHC桩地基处理

1)船闸上游导航墙Ⅰ型(主、辅),下游导航墙Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型(主、辅),下游靠船墩基础处理采用PHC桩,桩基型号采用PHC-500(100)A-C80-6,桩径0.5 m,桩间距为(1.5～2.0)m×(1.5～2.0)m,矩形布置桩,桩长为7 m～10 m(下游Ⅱ,Ⅲ型),桩顶设置30 cm厚碎石垫层,碎石垫层上层铺设10 cm厚C15混凝土垫层,垫层超出基础外缘1 m。

2)仿生态鱼道箱涵、挡墙及出口闸室基础处理,工程鱼道基础处理均采用PHC桩,桩基型号采用 PHC-500(100)A-C80-6,桩径0.5 m,桩间距1.5 m×2 m,矩形布置,桩长8 m,桩顶设置30 cm厚水泥砂褥垫层。水泥砂褥垫层水泥掺量不小于10%,摊铺后采用平板振捣器振捣密实,夯填度大于0.87,压实度不低于0.9,渗透系数不大于10-5cm/s。

2.3 高压旋喷桩地基处理

电站安装场建基面以下采用高压旋喷桩加固,旋喷桩直径1.1 m,桩距、排距均为2.0 m,呈梅花形布置,桩体深入基岩2 m,桩顶设置30 cm厚水泥砂褥垫层。

3 地基处理优化过程

3.1 碎石桩现场试验

由于泄水闸建基面最先处理完成的,因此针对泄水闸原地基处理设计方案,现场分别进行了φ600 mm和φ800 mm沉管碎石桩试验及φ800 mm 振冲碎石桩试验。试验过程中发现,在试验场地标高以下约6 m处,φ800 mm沉管碎石桩及φ800 mm振冲碎石桩沉管困难,φ600 mm沉管碎石桩采用钢靴后较为艰难穿透夹层到达设计标高,试验过程中设备电缆明显发热,钢靴受损严重且试验时间较长,原设计施工方案在现场无法实施。

3.2 长螺旋钻孔压灌桩现场试验

结合碎石桩现场试验实际情况,创造性的提出了长螺旋钻孔压灌桩地基处理方案,并补充了长螺旋钻孔压灌桩地基处理现场试验项目,长螺旋钻孔压灌桩φ60 cm,桩体材料采用C15混凝土。试验发现,14根φ60 cm桩成桩过程顺利,孔深11.35 m～12.50 m,入岩56 cm～90 cm,桩体平均充盈系数1.055,单孔成桩平均耗时24 min或46 min。桩基检测表明,桩身完整性符合Ⅰ类桩要求,单桩承载力特征值1 020 kN,大于设计计算数值850 kN;复合地基承载力在1.2倍极限承载力作用下沉降为9.67 mm,小于建筑物沉降允许值5 cm。

长螺旋钻孔压灌桩试验效果良好,施工速度较快,能够满足泄水闸地基处理设计所需达到的设计参数,同时可以保证工程质量及工期进度要求。

3.3 地基处理优化设计

长螺旋钻孔反馈出来的土层结构与地勘资料基本吻合,砂砾石层上部粒径较小,下部粒径较大,底部局部会有超过20 cm大块粒径,考虑到静压PHC桩遇到下部大粒径砂时,砾石很难打入且PHC桩会有损坏,可能出现断桩,无法达到设计要求;同时结合整个枢纽各建筑物地基处理方案的多样性、地层结构的复杂性及工期节点要求,尽可能统一枢纽区建筑物地基处理方案,提出对泄水闸、船闸、电站安装场、过鱼设施地基处理方案进行优化设计,并且新增了电站尾水渠右挡墙及二期混凝土纵向围堰地基处理方案,统一优化设计为长螺旋钻孔压灌桩复合地基处理方案。

地基处理方案确定后,召开了专家咨询会进行评估确认,与会专家和各方代表根据现场进行的三种地基处理方案试验和长螺旋钻孔压灌桩单桩承载力及复合地基承载力试验成果,同意采用长螺旋钻孔压灌桩复合地基处理方案。

4 长螺旋钻孔压灌桩地基处理方案

4.1 优化设计工艺简介

长螺旋钻孔压灌桩技术是采用长螺旋钻机钻孔至设计标高,然后利用混凝土泵将流态混凝土从钻头底部活门压入孔内,边压灌混凝土边提升钻头直至设计桩顶高程以上50 cm处为止的一种新型桩基础施工工艺[7-8]。

4.2 各部位优化方案

1)泄水闸闸室、岸墙和翼墙桩间距2.4 m,梅花形布置,桩长约7.5 m～13.5 m,桩底至基岩面,桩顶设置水泥砂褥垫层,厚度为30 cm,垫层超出基础外缘1 m。水泥砂褥垫层水泥掺量不小于10%,摊铺后采用平板振捣器振捣密实,夯填度大于0.87,压实度不低于0.9,渗透系数不大于10-5cm/s。

2)船闸上游导航墙Ⅰ型(主、辅),下游导航墙Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型(主、辅),下游靠船墩桩间距(2.0～3.0)m×(2.0～2.4)m,矩形布置,桩底入基岩面,桩长约8 m～17.5 m,桩顶设置30 cm厚碎石褥垫层,褥垫层上层铺设10 cm厚C15混凝土垫层。级配砂石垫层中砂与碎石体积比为2∶1,最大粒径不超过20 mm。

3)电站安装场桩间距2.4 m,矩形布置,桩底深入至细砂岩岩面以下0.5 m,桩长约15.5 m,桩顶设置30 cm厚水泥砂褥垫层。

4)仿生态鱼道箱涵、挡墙及出口闸室,工程鱼道均采用桩间距2 m,矩形布置,桩底深入至砂砾石以下1 m,桩长约8 m～12 m桩顶设置30 cm厚水泥砂褥垫层。

5)电站尾水渠右挡墙桩间距(1.5～2.2)m×(2.0～2.2)m,矩形布置,桩底深入至砂砾石层,桩长6 m～8 m,桩顶设置30 cm厚水泥砂褥垫层。

6)二期混凝土纵向围堰桩间距2.4 m,矩形布置,桩底至基岩面,桩长约10.0 m～10.2 m,桩顶设置30 cm厚水泥砂褥垫层。

5 地基处理优化设计验算

5.1 计算方法

1)单桩承载力特征值:《复合地基技术规范》[9]要求刚性桩的竖向抗压承载力特征值应通过单桩竖向抗压荷载试验确定,此处取现场地基处理试验过程中的试验数据。

2)复合地基承载力特征值:根据规范中复合地基承载力特征值计算公式5.2.1-2,结合现场实际情况将公式优化为式(1):

(1)

其中,fsk为桩间土承载力特征值,kPa;m为复合地基置换率;Ra为桩体竖向承载力特征值,kN;Aa为桩体横截面积,m2;λ为桩间土承载力发挥度,取值0.9。

3)复合地基沉降计算:根据规范复合地基的沉降由垫层压缩变形量、加固区复合土层压缩变形量(s1)、加固区下卧土层压缩变形量(s2)组成。其中垫层压缩变形量较小,且在施工期已基本完成,可忽略不计,本项目复合地基桩体长度入岩,为刚性桩,故加固区下卧土层的压缩变形量也不考虑,因此本项目复合地基沉降只为加固区的变形量s1,即s=s1。刚性复合地基沉降参照规范计算公式5.3.2-3,公式如式(2)所示:

(2)

其中,Q为刚性桩桩顶附加荷载,kN;l为刚性桩桩长,mm;Ep为桩体压缩模量,kPa;Ap为单桩截面积,m2;Ψp为刚性桩桩体压缩经验系数。

5.2 计算成果

根据优化后的地基处理方案进行复合地基承载力及沉降计算,计算成果如表1所示,结果表明优化后的地基处理方案均满足设计要求。

表1 地基处理优化设计计算成果表

6 长螺旋钻孔压灌桩地基处理优点

6.1 工艺优点

1)施工效率高:新型的长螺旋钻机是多功能工程钻机设备,整体成桩的机械化程度高可360°回转,移动灵活,定位迅捷精准,动力大,操作简单,成孔迅速;在雅口航运枢纽地基处理过程中,单孔最快成桩时间为15 min左右,每台桩基每天可成桩40根～50根。

2)承载力高:本工程长螺旋钻孔压灌桩桩底深入基岩面,地基处理后属于刚性桩复合地基,桩体强度和摩阻力共同发挥作用,可以很好的发挥桩体和桩间土的承载效应。雅口一期泄水闸地基处理完成后,分别检测了4个点的复合地基承载力,按规范要求2倍的设计承载力进行加载,在最大承载力的作用下,复合地基最大沉降为16.22 mm,小于建筑物允许沉降值3 cm,满足建筑物沉降要求。

3)环保性能好:长螺旋钻孔压灌桩为干作业成桩,通过长螺旋钻具的螺旋刀片切削土体向上运送到孔外,排土成桩,不需要泥浆护壁,所以成桩过程中没有泥浆污染,低噪声,低振动,挤土效应小,对邻近的构筑物基础无不良影响。

4)经济效益高:长螺旋钻孔压灌桩成桩速度快,承载力高,桩径变化范围大,适用范围广,综合成本与其他水利工程地基处理桩型相比较为低廉,有明显的经济效益和社会效益。

6.2 实际应用效果良好

泄水闸、船闸、电站安装场主要通过基岩变位计进行沉降监测,过鱼设施、电站尾水右挡墙、二期混凝土纵向围堰主要通过顶部位移监测点进行沉降监测,监测发现各部位沉降均匀,运行情况良好,具体情况如下:

1)泄水闸各部位基础沉降较为稳定并逐渐趋缓,属于均匀沉降,但尚未完全收敛;最大沉降位于15联中墩,沉降量为12.13 mm(15联中墩较其他闸墩尺寸,上部负荷更大)。一期、二期泄水闸分别于2019年12月、2022年7月开始有水运行,截止目前泄水闸各部位运行情况良好。

2)船闸上闸首和闸室9号底板部位的基础沉降收敛较快,基本趋于稳定,2021年汛期对上闸首的基础沉降收敛过程有小幅扰动。2019年12月船闸开始试通航,截止目前已累计服务船舶1 500余艘。

3)电站安装场基础沉降基本收敛,变形以沉降为主,各部位沉降较为均匀。电站安装场于2021年9月份开始进行机组拼装及安装工作,截止目前所有机组已经全部安装完成,运行情况良好。

4)仿生态鱼道、工程鱼道于2021年12月全部施工完成,由于下游碾盘山水利水电枢纽工程蓄水水位暂未达到设计要求,一直未投入使用,但是根据位移观测点的观测数据可知其沉降较为均匀,无质量问题。

5)电站尾水右挡墙、二期混凝土纵向围堰于2019年12月开始有水运行,根据位移观测点的观测数据可知其沉降较为均匀,无质量问题。

6.3 推广应用至其他工程

长螺旋钻孔压灌桩复合地基在雅口航运枢纽工程中取得的良好效果,为其他水利工程的地基处理施工提供了参考,目前已知参考雅口工程应用长螺旋钻孔压灌桩复合地基的水利水电工程项目有湖北省碾盘山水利水电枢纽工程、湖南省株洲航电枢纽(空洲水电站)扩机工程,而且都取得了不错的应用效果。

7 结语

本文通过汉江雅口航运枢纽工程地基处理试验情况,引进了建筑业常用的长螺旋钻孔压灌桩地基处理技术,取得了良好的工程效果,相较于传统的水利工程地基处理方式,其具有施工效率高、承载力高、环保性能好、经济效益高等优点。可以预见,在不久的将来,长螺旋钻孔压灌桩地基处理技术在水利工程中的应用一定会引起多方面的重视。