孔 娜,陳玲玲,紀(jì) 瑤
(1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,山東 濟(jì)南 250100;2.山東省水利勘測設(shè)計(jì)院有限公司,山東 濟(jì)南 250014;3.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心,山東 濟(jì)南 250010)
王老虎閘位于菏澤市鄆城縣唐廟鎮(zhèn)王老虎村南,老趙王河中游,控制流域面積278 km2。王老虎閘始建于1976年10月,1977年10月竣工。該閘共7孔,閘孔凈寬2.8 m,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇除澇,自建成投入運(yùn)行以來,在蓄水灌溉及改善生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮了很好的工程效益。由于該閘已運(yùn)行40多年,工程老化嚴(yán)重,加之近10年來,由于工程維修資金緊缺,必要的維修無法進(jìn)行,2019年10月,經(jīng)水閘安全鑒定為四類閘。
除險加固方案為原址拆除重建,順?biāo)鞣较蛞来尾贾蒙嫌畏罌_槽、護(hù)底、鋪蓋、閘室、消力池、海漫、下游防沖槽,總長96.0 m。閘室為開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),共5孔,單孔凈寬6.0 m,設(shè)1個縫墩,采用3孔~2孔的兩聯(lián)布置方式。王老虎閘主要作用為灌溉及除澇,設(shè)計(jì)灌溉面積1.33萬hm2,工程規(guī)模為中型。設(shè)計(jì)除澇標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,相應(yīng)過閘流量為229.1 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,相應(yīng)過閘流量為300.8 m3/s。
工程區(qū)位于鄆城西南部,地貌單元為黃河沖積平原,在勘察深度范圍內(nèi),場地地層自上而下分為9層(含亞層),地層總體以砂壤土、粉砂為主。②、③層砂壤土顆粒中小于0.075的粒組含量超過75%,為少黏性土,其滲透變形形式為流土,地基存在滲透穩(wěn)定問題。閘室開挖底高程為38.10 m,位于第②層砂壤土及②-1層黏土上,②層砂壤土及②-1層黏土承載力一般,且存在液化土層。
根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2016),對王老虎閘3孔邊聯(lián)和2孔邊聯(lián)閘室計(jì)算,各種工況下的基底應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù),結(jié)果見表1。
表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果表
根據(jù)計(jì)算成果表,王老虎閘最大基底應(yīng)力與最小基底應(yīng)力之比滿足規(guī)范要求,抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求;但是完建期基底應(yīng)力平均值大于地基承載力,地基承載力強(qiáng)度不足,不能采用天然地基,需進(jìn)行加固處理,以保障閘室安全。
根據(jù)閘址處地質(zhì)情況及穩(wěn)定計(jì)算成果,王老虎閘地基處理主要針對以下方面:
1)水閘地基承載力強(qiáng)度不足。完建期閘室平均基底應(yīng)力大于地基允許承載力95 kPa,天然地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求,應(yīng)進(jìn)行地基處理,使承載力滿足設(shè)計(jì)要求。
2)水閘地基容易發(fā)生滲透變形。閘底板位于②層砂壤土上,滲透系數(shù)為7.87E-04 cm/s,允許水力比降水平段為0.15,出口段為0.40,地基存在滲透穩(wěn)定問題,滲透變形形式為流土,在長期滲流作用下可使地基土體顆粒流失,導(dǎo)致地基變形甚至破壞,進(jìn)而造成建筑物坍塌。
3)水閘地基有地震液化破壞的可能。閘址處地震動峰值加速度0.15 g,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度,場地類型為Ⅲ類。②砂壤土、③砂壤土、⑤粉細(xì)砂為液化土層,在地震作用下土顆粒變得緊密,孔隙水壓力急劇降低并趨于零,最終使水閘沉降、傾斜甚至沉陷、傾倒。
王老虎閘天然地基以砂壤土、粉細(xì)砂為主,且土層較厚。根據(jù)閘址處的地質(zhì)狀況,擬采用“水泥土攪拌樁復(fù)合地基+防滲墻”處理方案。
影響水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力大小的因素主要有樁長、樁徑、水泥土強(qiáng)度、水泥摻量、面積置換率以及天然地基土的各層厚度等,本次設(shè)計(jì)工作中參照《水工建筑物地基處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T792-2020),本工程按以下步驟確定各種設(shè)計(jì)參數(shù)。
1)確定樁長、樁徑、水泥土強(qiáng)度、水泥摻量。根據(jù)王老虎閘閘址處地質(zhì)條件,上部第②~③層砂壤土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為95~115 kPa,下部第④層壤土承載力標(biāo)準(zhǔn)值130 kPa,結(jié)合水閘上部荷載,初步擬定選擇④層壤土作為樁端持力層,有效樁長7.0 m,樁端深入④層壤土至少1.0 m。
樁徑:工程設(shè)計(jì)樁徑0.6 m。
水泥土強(qiáng)度:工程水泥土攪拌樁固化劑選用普通硅酸鹽水泥。
水泥摻量:水泥摻量一般宜為12%~20%,過低將達(dá)不到強(qiáng)度要求,過高則不經(jīng)濟(jì)。結(jié)合本工程特點(diǎn),設(shè)計(jì)水泥摻量采用15%。
2)水泥土攪拌樁單樁及復(fù)合地基承載力。根據(jù)《水工建筑物地基處理設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T792-2020)要求,經(jīng)計(jì)算,水泥土攪拌樁單樁承載力容許值為127.45 kPa;復(fù)合樁按間距1.5 m、正方形布樁,復(fù)合地基承載力容許值130 kPa,可滿足王老虎閘閘室承載力要求。
工程采用水泥土攪拌樁連續(xù)墻形成圍封,一是起到減輕液化的作用,二是能夠加固地基,提高地基承載力,三是具有截滲墻垂直防滲的功能。
設(shè)計(jì)樁徑為0.6 m,樁長為15 m,相鄰樁有效搭接長度為0.2 m,樁距為0.4 m,單排布置。布置范圍為王老虎閘室段底板內(nèi)緣為界限進(jìn)行圍封網(wǎng)格布置,網(wǎng)格橫向中心間距為6.3 m,縱向不分網(wǎng)格,單個圍封面積為90.72 m2。
針對工程特點(diǎn)采取“水泥土攪拌樁復(fù)合地基+防滲墻”處理方案,可有效解決地基問題,且安全可靠、技術(shù)成熟、施工進(jìn)度快。工程于2020年3月開工,2021年12月通過竣工驗(yàn)收。本文以一座具體工程為實(shí)例,總結(jié)該工程天然地基存在的問題,提出針對性的處理方案,并對水泥土攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)提出完整詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程,可作為類似工程地基處理設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。