某水闸地基处理方案及渗流稳定性分析

冯光亮

(新疆峻特设计工程有限公司 阿拉尔分公司,新疆 阿拉尔 843000)

1 概 述

水闸工程是重要的水利设施,对区域水资源调度、防洪等具有十分重要的作用。水闸工程闸址区域在河水的长期侵蚀、冲刷、淤积影响下,地基土往往承载力较差,无法满足设计要求。针对这种情况,则需要采取地基处理以满足承载力、变形等要求[1-3]。渗流破坏是水利设施常见的破坏形式,对工程安全影响较大,因此在工程设计阶段,不可忽略渗流的影响。本文结合某水闸工程实际情况,对水闸地基处理方案及渗流稳定性进行分析,研究结果可为类似工程提供参考。

2 工程概况

水闸由内河连接段、堤身箱涵段、闸室、外河连接段、护坦、海漫及防冲槽组成。由于闸室地基承载力较差,需对地基进行处理。5孔闸加上闸墩宽度,垂直水流方向宽度为31.6m,因此采用箱涵整体式布置,将5孔分成2孔一联与3孔一联箱涵,对其下部进行基础处理。闸墩上部设检修平台、启闭工作室等。

3 地基处理方案

根据地质勘察报告,本工程建筑物基础位于粉质黏土层上。但位于该土层下的中砂层和淤泥质土层力学性能较差,未经处理不能作为建筑物基础持力层;其下粉质黏土层,承载力高,是较好的基础持力层。

闸室底板高程为4.70m,板厚1.0m。闸室及翼墙的稳定计算结果显示,平均基底应力为70～100.5kPa,均大于淤泥质土(闸室及翼墙均落在淤泥质土上)的承载能力70kPa,须对地基进行处理。

根据场地工程地质条件、环境条件及结合建筑物的特点,可采用换填砂垫层、粉体喷射搅拌桩法、预应力混凝土管桩法3个方案进行处理。

1)换填砂垫层方案:将闸底板和翼墙底板以下的淤泥质土挖除,换以中粗砂。由于闸底板以下的淤泥质土层有1～5m埋深,若采用挖出淤泥换以垫层,开挖时将会破坏地基土已经基本完成的固结特性。此外,开挖时基坑排水不便,将会增加施工难度和工程投资。

2)粉喷桩方案:粉喷桩通过水泥和土壤搅拌,改变土壤颗粒组成,对于防止深层滑动、提高地基防渗性能具有明显作用。其优点有:最大限度地利用了原土;搅拌时无振动、无污染、无噪音;加固后土体重度基本不变,不会产生附加沉降;成本低。缺点有:工程量大,施工速度较慢,施工周期较长。

3)预应力混凝土管桩方案:预应力混凝土管桩是体现当代混凝土技术进步与混凝土制品高新工艺水平的一种预制混凝土桩。其优点有:单桩承载力高;运输吊装方便,接桩快捷;施工速度快、工效高、工期短。缺点有:锤击法施工时震动剧烈、噪音大、挤土量大;对地层有一定扰动作用,会加剧地层后期沉降,有造成不均匀沉降和闸底脱空渗透破坏的危险;工程造价高。

通过对比,地基处理采用粉喷桩(复合地基)方案。根据工程总体布置,并结合闸址工程地质报告,为了满足防渗要求,闸室和铺盖、消力池用止水连为一体,铺盖长10.0m,闸室与涵洞长44.0m,共计54.0m。铺盖与闸室、闸室与涵洞、护坦与闸室之间设止水。为了满足地基承载力的要求,避免前后不均匀沉降导致底板拉裂,闸室、上下游两侧翼墙均需进行基础处理。根据地基适应的条件,对地基采用单根深10m、φ600mm粉喷桩处理。闸室及挡土墙基础平面间距呈1.5m×1.5m的方形布置,闸室基础两侧各10m范围内呈3.0m×3.0m的方形布置。沿刺墙所在横断面基础采用单个桩搭接15cm形成厚40cm竖直防渗墙,与刺墙一起形成平面防渗系统。闸室左侧边坡按1∶1.5m开挖回填,右侧靠近新泵站,边坡按1∶1.0开挖回填。经过沉降计算,闸室在进行地基处理时的沉降27.4cm,地基处理后在复合地基中的沉降为4.1cm。

4 渗流稳定性分析

4.1 基本情况

防渗长度按《水闸设计规范》(SL 265-2018),由于水闸基底有一定埋深,上部相对隔水层有效厚度较薄。其中,基础低液限黏土层以下的②3低液限粉土层以粉粒及粉砂粒为主,次为黏粒,具弱透水性;②4砾砂层含较多次圆状砾粒,具有强透水性。故取允许渗透系数为4,由校核工况的上下游水头差6.31m,计算得出防渗长度为25.24m。因此,将长44.0m的闸室与长10.0m的铺盖连为一体,作为整个水平防渗长度。为了适应地基变形,在消力池与闸室底板、底板中间以及闸室底板与铺盖之间设止水。计算土层渗透系数见表1。

表1 计算土层的渗透系数 /cm·s-1

4.2 工况组合及计算主要步骤

根据可能出现的水位情况,选择以下2种组合工况进行稳定渗流计算:

①工况1(设计工况):外河水位13.17m,内涌水位7.5m。

②工况2(校核工况):外河水位13.81m,内涌水位7.5m。

4.2.1 计算范围选取

闸室底板与铺盖总长54.00m,深度方向从底板高程4.70m取至②4砾砂层底部,平均-19.00m,总深度24.70m。

4.2.2 阻尼系数的计算

1)有效深度的确定。由于L0=10.0+44.0=54.0m,S0=2.0m;L0/S0=27>5;按下式计算Te:Te=0.5L0=27.0m。

经计算,有效深度Te=27.0m,大于实际深度4.70-(-19.00)=23.70m。因此,地基计算深度按照T=23.70m计算。

2)简化地下轮廓。将地下轮廓划分为23段,简化后的地下轮廓见图1。设计工况下的渗流计算见表2、表3;校核工况下的渗流计算见表4、表5。

表2 设计工况下渗流计算表

表3 设计工况下各角隅点渗透水头

表4 校核工况下渗流计算表

表5 校核工况下各角隅点渗透水头

图1 改进阻力系数法计算图(单位:cm)

4.2.3 渗透坡降

根据《水闸设计规范》(SL 265-2018),闸底板地基黏土的允许渗透坡降出口段[J1]=0.6～0.7,水平段[J2]=0.3～0.4。在采用改进阻力系数法进行渗流计算结果中,在不同工况下,各水平段渗透坡降见表6。

表6 不同工况下水平段渗流坡降值

由计算结果可知,渗流坡降值均小于规范允许值,满足规范要求。基于水闸的重要性,为了加强工程的可靠性,在箱涵中部修建一道刺墙。具体为箱涵两侧为长5m钢筋混凝土刺墙,底部以下为长10m连续粉喷桩刺墙。即沿刺墙所在横断面的地基基础采用单排粉喷桩,桩之间搭接15cm形成厚40cm竖直连续防渗墙。此外,分别在箱涵的第2、第3节修建厚0.5m截水环。由于刺墙、截水环都是防渗加强措施,故无需再进行防渗计算。

5 结 论

1)水闸工程部分区域位于承载力较低的软土层,无法满足设计要求。根据类似工程经验,选取换填砂垫层、粉喷桩、预应力混凝土管桩3种地基处理方案进行了对比分析,考虑各种方案的优缺点,最终选取粉喷桩作为推荐方案,其主要优势为造价低。

2)根据水闸设计方案,将水闸进行简化,获取各段的阻力系数,获取水头损失。经过渗流稳定性分析,渗流坡降值均小于规范允许值,满足规范要求。设计方案考虑到水闸工程的重要性,加设了刺墙和截水环,两者均具有良好的防渗能力,进一步提高了水闸渗流稳定性。