北溪分洪桥闸重建工程地基处理优化设计

涂 超

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510635）

1 工程概况

潮州市北溪分洪桥闸位于潮州古城东南约3 km 的韩江下游第一支流北溪入口处,潮州八景之一的凤凰塔旁,初建于1957 年,是韩江下游用于控洪、排涝、交通及灌溉等综合利用的大（2）型水闸。根据现状调查并结合透地雷达探测资料,自2006 年潮州供水枢纽运行后,北溪分洪桥闸保持在常年高水位状态下运行,闸前粘土铺盖已经失效,堰体外包混凝土体已经破碎破坏,浆砌石体满布孔隙空洞。消力池中排水孔多数被泥沙填塞,无水流出,导渗设施基本失效。闸前水直接从堰体前进入,从堰体后出渗,渗径明显缩短,防渗体系的整体性和有效性不足,水闸存在渗透破坏的风险。2019年9 月北溪分洪桥闸下游堰体及消力池底板出现冒水安全隐患,2020 年1 月经安全鉴定评定为“四类闸”,需拆除重建。

北溪分洪桥闸采用原址重建,主要建筑物级别为2 级,次要建筑物级别为3 级。其洪水标准按30 年一遇洪水设计,100 年一遇洪水校核。重建水闸共5 孔,单孔净宽15 m,闸孔总净宽75 m,顺水流方向长24 m。保留右岸电站引水箱涵,箱涵后设置电站引水闸,共1 孔,单孔净宽4.0 m。下游一级消力池长34.2 m,二级消力池长30.8 m,海漫长45 m。

2 工程地质

根据本工程地质勘测资料,工程场地为”U”型谷,水闸位于北溪河入口,两侧为低丘陵山体,基岩为凝灰岩,岩面自两侧向中间倾斜。闸址区地层主要有：第四系人工填筑层（分为①-1 填石、①-2 人工填土）、第四系海相沉积层（②-1泥质粉细砂及②-2 淤泥层）、第四系冲积层（③-1 中粗砂、③-2 粘土层、③-3 淤泥质土、③-4 粘土层）,基岩为侏罗系上统兜岭群凝灰岩。其中,③-1 中粗砂层在工程区闸址、消力池、上游铺盖及左右两岸地基广泛、连续分布,揭露厚度为2.30 m～17.30 m,平均厚度为9.07 m,渗透系数3.32×10-2cm/s,该层与韩江直接连通,是主要渗漏通道,易产生渗透破坏,需对其进行防渗处理。

本工程处于地震基本烈度Ⅷ度区,砂层液化与软土震陷对闸基稳定有较大影响,根据现场标准贯入试验判定,③-1中粗砂层需进行抗液化处理,②-2 淤泥层、③-3 淤泥质土层需进行抗震陷处理。

3 原设计基础处理方案

3.1 原设计闸基防渗处理措施

防渗措施主要有水平防渗、垂直防渗和水平垂直相结合的防渗[1],由于本水闸建基面土体透水性强,故考虑采用水平垂直相结合的防渗措施,在水闸上游设20 m 长的C25 钢筋混凝土铺盖,同时在闸室底板上游齿墙下设垂直混凝土防渗墙,防渗墙厚400 mm,墙底伸入相对不透水层全风化凝灰岩层1.5 m,缺失全风化层的进入强风化层1.5 m。

3.2 原设计抗地震液化处理措施

为防止基础地震液化,结合工程区地质条件,选用混凝土围封墙结合上游混凝土防渗墙对闸室至二级消力池区域进行围封,闸室上游为混凝土防渗墙,闸室下游、闸底板分缝处、一级消力池、二级消力池末断以及闸室上游至一级消力池两侧均布置混凝土围封墙,围封墙厚度400 mm,墙底伸入相对不透水层全风化凝灰岩层1.5 m,缺失全风化层的进入强风化层1.5 m。同时对下游消能设施段②-2 淤泥层、③-3 淤泥质土层采用换填砂碎石处理。

4 地基处理优化方案

4.1 地基处理变更缘由

本工程闸室防渗围封墙离右岸凤凰塔文物最近只有10 m,防渗围封墙墙底需入岩层,需采用冲击钻挖掘槽孔,冲击振动可能对凤凰塔稳定不利,施工过程中避免对凤凰塔文物产生影响是本工程重点。此外,本工程防渗墙围封墙共计7195.6 m2,墙厚400 mm,每3 m 一个槽段,按照15 m～20 m 的槽身,大约140～150 个槽孔,每个槽段需4 个主孔,3 个副孔。上部地层可采用液压抓斗成槽,下部岩基需采用冲孔钻成槽孔。根据现场施工条件及混凝土连续墙施工技术流程,完成本工程防渗墙及围封墙施工至少需要140 天,且工程区上部地层主要为中粗砂层,且厚度较深,施工过程中易塌孔,塌孔后需回填石渣纠偏,施工工期无法得到保证,综合考虑工程施工导截流等工程布置,可能导致无法达到汛前的总工期要求,需对原设计地基处理方案进行变更。

4.2 地基处理变更方案

考虑到施工过程中需确保不对文物产生影响及施工工期较紧张等因素,同时减少施工过程中出现塌孔等施工问题影响工程进度。经讨论,咬合式旋挖钻孔灌注桩与连排水泥搅拌桩可解决上述问题。咬合式旋挖钻孔灌注桩为混凝土咬合式排桩、旋挖机钻孔,旋挖钻孔可通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土,并直接将其装入钻斗内,仪表自动显示筒满时,钻斗底部关闭,然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土,这样循环往复,不断地取土卸土,直至钻至设计深度。施工过程中操作人员可通过显示器监测钻孔的实际工作位置、每次进尺位置及孔深位置,从而操作钻孔作业,施工简便高效且施工过程中对临近建筑物的扰动较小,同时,针对厚砂层钻孔过程中容易塌孔问题,可采用埋设刚护筒措施进行效处理[2]。

水泥搅拌桩是将通过水泥或其他原材料为固化剂结合深层搅拌技术来实现的,将现场土壤和深层地基中的固化剂混合成水泥形状的圆柱体[3],搅拌时无侧向挤出,且无振动,对邻近建筑物影响较小[4],施工速度较快,且造价相对便宜。

以上两种地基处理措施的技术特点均能解决本工程目前存在的问题,具体设计方案经经济技术比选后确定。

方案一：将混凝土防渗墙调整为直径800 mm、间距0.6 m砼咬合式排桩、旋挖钻机造孔成桩,灌注桩桩底进入全风化层1.5 m,缺失全风化层的进入强风化层1.5 m；将混凝土围封墙调整为直径650 mm、间距0.45 m 单排三轴连排水泥搅拌桩,水泥搅拌桩桩底进入全风化层1.5 m,缺失全风化层的至强风化层层顶；增加消力池纵向围封墙3 道,减少围封分区面积,提高安全性。

方案二：将混凝土防渗墙调整为直径650 mm、间距0.45 m 双排三轴连排水泥搅拌桩、将混凝土围封调整为直径650 mm、间距0.45 m 单排三轴连排水泥搅拌桩,水泥搅拌桩桩底进入全风化层1.5 m,缺失全风化层的至强风化层层顶；增加消力池纵向围封墙3道,减少围封分区面积,提高安全性。水泥搅拌桩地基处理纵横向平面布置与方案一一致。

4.3 方案比选

4.3.1 效果分析

原设计方案与以上两种方案均为在闸室底板上游齿墙下设垂直防渗墙,伸入相对不透水层。形成墙体后均能实现防渗功能。 方案二水泥搅拌桩桩底不能进入强风化层,仅能到强风化层层顶,闸基防渗效果相对较差。方案一和方案二选用单排三轴连排水泥搅拌桩替换混凝土围封墙,同时增加消力池纵向围封墙3 道,减少围封分区面积,提高安全性,形成墙体后能实现抗地震液化功能。

4.3.2 工程造价

结合本工程防渗墙及围封墙的布置方案及地层分布情况,对三种方案工程量及工程投资进行计算,原设计防渗墙及围封墙（厚400 mm）共计7195.6 m2,工程总投资约474 万元；方案一旋挖钻孔灌注桩防渗墙共计2917 m、三轴水泥搅拌桩共计5423 m,工程总投资约530 万元；方案二三轴水泥搅拌桩防渗墙及围封墙共计8002 m,工程总投资419 万元,方案一较原设计方案增加投资56 万元,方案二较原设计方案投资减少55 万元。方案投资对比见表1。

表1 投资对比表

4.3.3 施工质量

砼咬合式排桩和水泥搅拌桩方案工程施工过程中振动均较小,对文物的安全影响较小。砼咬合式排桩防渗墙整体性较好,桩体质量检测结果更可靠,桩底能进入强风化层,对闸基防渗效果更好。水泥搅拌桩整体性较砼咬合式排桩差,通过增加咬合排数和增加水泥搅拌桩水泥含量可提高整体质量,但施工过程中桩体整体的质量存在差异,质量检测反映结果可能不具有代表性,且水泥搅拌桩桩底不能进入强风化层,仅能到强风化层层顶,对闸基防渗不利。

4.3.4 推荐方案

通过对各方案效果分析、工程造价和施工质量三个方面的比较,方案二虽造价更低,但方案一的整体性更好,施工质量更容易把握。北溪分洪桥闸作为潮州市重点水利工程,考虑到北溪分洪桥闸旧闸因渗透问题出现多次险情,闸基对防渗要求较高,防渗处理是本次重建的重点部位,故本次推荐方案一。

5 讨论

通过对本工程中三种地基处理方案的对比分析,混凝土防渗墙价格适宜,施工简便,防渗效果好,是闸基防渗处理的首选方案[5],受本工程施工环境及施工进度影响而变更；旋挖钻孔灌注桩施工速度快、对周围建筑物影响较小,对地质条件适应行好,但价格相对较高；水泥搅拌桩在水利工程地基处理中应用广泛,便于施工,且价格较低,但其施工质量及结构整体性不易把控。水闸得地基处理的措施有很多种,如何去选择需综合考虑工程现场地质条件、施工环境、工程投资等多种因素,也需要工程设计人员对前沿技术的了解以及对过往工程经验的总结。

6 结语

潮州市北溪分洪桥闸重建工程地基处理方案变更后,闸基防渗墙围封墙已按施工总工期进度要求顺利完成,各项检测指标满足要求,水闸右岸凤凰塔未发现受损。目前工程尚在建设中,闸基防渗及抗液化功能效果有待时间检验。