水闸设计中的地基处理问题

　　一、前言

 

　　水闸是水利工程中运用比较普遍的一种建筑物，水闸总体布置多结合其功能以及河道控制的要求确定，有时难免位于软弱地层、液化地层等对建筑物稳定不利的地质区域内，因此，因地制宜的确定合理的地基处理方式，是关系到水闸安全运行的关键因素。

 

　　二、水闸设计中地基的种类和处理技术

 

　　软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土，具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、扰动性大、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。在确定水闸在地基处理方式时，首先要确定是否为软基。仅依靠地面条件不能确定，应该在充分研究的基础上确定软土地基指标，从而确定地基特性，确定是否按照软土地基进行处理。

 

　　主要处理方法包括：置换拌入法，根据不同的置换方式，又可以细分为土垫层置换法、高压喷射注浆法、石灰桩法等。换土垫层法适用于淤土层厚度较薄的条件。具体操作方法为：先进行地基处理，注意沙壤土，灰土，砂，水泥及地基处理沉井基础和其他手段的使用。由于换砂对防渗有不良影响，且工程成本偏高，具体施工时通常选用以换填泥土，总之，就地取材为宜。

 

　　高压喷射注浆法，是将水泥浆与土混合，凝固后成为搅拌桩体。该方法主要用于加固软土地基，砂土，粘性土，黄土与淤泥，效果好，方法简单，施工方便，噪音小，可用于水工建筑物或建筑基坑进行防渗防水处理。但这种方法也有局限性：如果地层中含有太多碎石，会影响到石和注浆效果，且空隙或渗漏通道的漏浆会导致坍孔的形成，如果遇到地下水丰富的情况，因为稀释而迁移水泥，造成水泥太少而无法结块。

 

　　石灰桩法是利用机械孔在软土地基中形成，在石灰块被压实，水，石灰桩膨胀形成，通过离子交换热量释放和土和石灰反应，火山灰反应等，使得周围的桩身土的物理力学性质得到改善，土壤用于石灰桩改进，它和周围土壤一起形成复合地基，达到加固地基的目的。该方法应用于振动，压力，成桩机施工。

 

　　三、常用加固方法及适用范围

 

　　1.垫层法

 

　　垫层法在工程建设中是一种最方便的应用，使用范围最为广泛。它对于改进地基应力的分布，提高地基的稳定性，尤其是在基于塑性变形基础还原方面具有显著的影响。垫层计算主要是确定垫层厚度和宽度。运用在工程领域，要充分考虑地基的承载力，进行足够的核算。如果把垫层为作为工程基础的一部分，那么垫层底面的平均压力应该小于底面地基的允许承载力，如果垫层厚度过小，，往往不能起到缓冲作用。

 

　　对于垫层材料的选用，应遵循就地取材，节约经费的原则，并要考虑便于施工且成熟的技术。中砂和粗砂必须级配良好，容易经过振动达到密实。如果某一个水闸地基换填厚3.9m中砂，用水撼法振密，相对密度达0.8～0.9，最大干密度达1.85g/cm3以上，密实度应满足设计要求。砾砂级配好也可以使用，但均需要进行渗流稳定性的验算。至于粉，细砂和砂质壤土，1-3都是不均匀系数，受到振动荷载作用，容易产生“液化”的现象，不应使用。

 

　　粘性土垫层施工含水量的控制是保证施工质量的关键，应严格掌握。设计的控制干密度是由室内击实试验得到的最大干密度乘以压实度而得出的。为了避免坑底基土受到扰动，预留适当厚度的保护层是一般常用的方法，对于含水量过大的淤泥类土，在开挖到设计高程后，可铺垫一层土工织物，一方面起保护基坑底面，解决在淤泥土上操作困难的问题；另一方面可起到铺垫作用，承受一部分拉应力，从而增强稳定性和减小沉降量。

 

　　2.强夯法

 

　　强夯法是对于快速加固地基效果明显。它可以看作是从高高的位置降落到地面的一个很重的锤子，以其巨大的冲击和振动，通过加密（排出空气或气体），整理（使水或液体排出）和预变形（使所有各种颗粒进行新的排列结构）的作用，提高地基土的工程性质、土壤的透气性，降低压缩性、密度、强度，提高稳定性，消除湿陷性和液化。

 

　　3.振动水冲法

 

　　地基处理时，振动水冲法效果较佳，能够提高地基承载力，减少沉降量，特别是对饱和砂土，还可以提高其抗振动液化能力，且具有操作简单、施工进度快、工期短及造价低等优点。振冲孔添加填料挤扩成桩对地基起到振冲密实或振冲置换作用，对砂土或砂壤土地基较为适用，对于粘性土地基也可采用，但加固效果一般赶不上砂类土地基。如果遇到含水量较大，抗剪强度较低的软粘土地基，则不宜采用。

 

　　4.沉井法

 

　　沉井是工程上应用较为广泛的地基处理方法，用于水闸工程中可同时解决地基承载力和地基渗透变形的问题，同时对开挖也有利。沉井基础主要适用于闸基上部为软土层或流沙层，下部为硬土或岩石下卧层的情形。沉井应沉放到硬土层或岩基层表面。闸下地基内有难以清除的障碍物，或岩层表面倾斜较大时，不宜采用沉井基础。

 

　　沉井在施工中，遇流沙地层时，经常会造成沉井突沉、偏斜、下沉过慢和不下沉等现象，造成施工困难，严重时会引起边坡塌方、地基下沉等。因此，在设计时，尤其要注意以下地层：土层中亚黏土或粉沙层厚度>25cm以上；在粉沙土层中，黏土颗粒含量<10%，粉粒含量>75%的土层；土的含水量>30%；土的孔隙率>43%时。

 

　　5.围封及桩基处理

 

　　在液化砂性土地区，除沉井之外，还可根据实际情况，对地基进行围封或者灌注桩处理。

 

　　液化层较深的情况下，可以在闸底板下做混凝土灌注桩基础，依靠桩基来承受荷载，以避免地基在地震时液化失稳，对水闸造成安全影响，桩基的计算比较系统，不再细述。

 

　　四、地基处理设计实例

 

　　1.方案确定

 

　　例如，在某水闸工程中，根据地质勘察报告，水闸的闸室、岸墙及上游翼墙都位于第一层淤质土层上，天然地基承载能力仅仅达到70Kpa，但是闸室、岸墙及上游翼墙的基底承压力要求高达100Kpa、190Kpa和200Kpa，很明显它们都需要加固处理。确定方案是要考虑钢筋砼灌注桩方案、碎石振冲桩方案和粉体喷射搅拌法方案，一致看来，第三层隔水层要进行灌注桩处理话，将导致这个地区的水文地质条件发生改变，给后期的管理会造成一些不稳定的结果。另一方面，如果要桩底水泥土与下卧硬土层要进行充分结合，方案还应当考虑到水闸的承载力和水闸沉降的要求。

 

　　2.设计计算

 

　　参照搅拌桩作用机理，对于水泥土桩的形成和桩复合地基荷载所在共同建筑周围的土壤，因为这两个因素，刚度越大，桩和桩间土如何共享荷载，是一个复杂的问题。

 

　　经过计算，得出结论；闸室底板、岸墙及上游翼墙桩土置换率是0.196、0.348和0.40，如果都是正方形布置，桩径0.5m，桩距则分别是1.0m、0.75m和0.70m。

 

　　最后，还要参照水闸岸墙和引堤超载的影响，要减少岸墙后引堤超载造成的后仰沉降量，另布置三排护桩在岸墙后，其他结构底板轮廓外布置一排护桩。

 

　　五、结束语

 

　　对水闸进行地基处理的方法要因地制宜，重点要适合具体工程要求，兼顾地基的实际情况和防渗透、符合承载两个方面的要求，设计阶段科学论证，施工过程注重全面衡量，从而选择最合适的地基处理方法。