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(棗莊市水利勘測設(shè)計院，山東 棗莊 277100)

1 概述

“十三五”時期，山東省實施225座大中型病險水閘除險加固工程，進(jìn)一步完善全省水利工程體系。除險加固水閘的基礎(chǔ)設(shè)計和地基處理方案是整個水閘安全運行的關(guān)鍵。本文以棗莊市境內(nèi)4座有代表性的病險水閘除險加固工程為應(yīng)用實例，結(jié)合魯南中低山—丘陵區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)一步總結(jié)水閘工程基礎(chǔ)設(shè)計和地基處理方案，可為類似地質(zhì)條件下的水閘工程提供設(shè)計參考。

2 水閘工程概況

2.1 工程概況

2.1.1西大樓閘工程概況

西大樓閘工程位于嶧城大沙河稅郭支流下游，工程主要功能為蓄水灌溉涵養(yǎng)地下水，水閘由上游連接段、鋪蓋段、閘室段、消力池段、下游連接段組成。閘墩頂部設(shè)排架及啟閉機房，下游側(cè)設(shè)生產(chǎn)橋，閘室兩側(cè)設(shè)橋頭堡。閘室段共設(shè)5孔，單孔凈寬10m，閘室總寬度58m，閘室順?biāo)鞣较?4.5m；閘底板為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用分離式大小底板布置，底板頂高程為47.50m，閘墩下部為大底板厚1.5m，小底板厚1.0m；閘墩為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中墩厚1.4m，邊墩頂厚1.2m，墩頂高程53.30m。

2.1.2卞莊閘工程概況

卞莊閘是城河辛莊支流下游重要的攔蓄工程，工程主要功能為蓄水灌溉涵養(yǎng)地下水，水閘由閘室段、兩岸連接段、消力池段組成。閘墩頂部設(shè)排架及啟閉機房，下游側(cè)設(shè)生產(chǎn)橋，閘室兩側(cè)設(shè)橋頭堡。閘室段共設(shè)3孔，單孔凈寬為8m，閘孔總凈寬24m，閘室總寬度28.4m，閘室順?biāo)鞣较蜷L10.0m；閘底板為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂高程為109.0m，閘室分2聯(lián)對稱布置，中孔底板分縫，單側(cè)底板厚1.0m，單側(cè)底板寬14.2m，單側(cè)底板順?biāo)鞣较蜷L10.0m；底板上部設(shè)C30鋼筋混凝土折線溢流堰，堰頂寬2.0m，堰頂高程111.2m，上游鉛直面，下游坡比1∶3；閘墩為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中墩厚1.2m，邊墩厚1.0m，墩頂高程116.0m。

2.1.3晁村閘工程概況

晁村閘位于陶溝河下游，工程主要功能為蓄水灌溉涵養(yǎng)地下水，水閘由上游連接段、鋪蓋段、閘室段、消力池段、下游連接段組成，閘墩頂部設(shè)排架及啟閉機房，下游側(cè)設(shè)生產(chǎn)橋，閘室兩側(cè)設(shè)橋頭堡。閘室共設(shè)6孔，單孔凈寬6.0m，閘室總寬度43.2m，閘室順?biāo)鞣较蜷L17.0m；閘底板為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂高程為28.10m，分縫型式為閘墩分縫，3孔一聯(lián)，共2聯(lián)，單聯(lián)底板寬21.6m，底板厚1.0m，底板順?biāo)鞣较蜷L17.0m；閘墩為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中墩厚1.0m，縫墩厚0.8m，邊墩頂厚0.8m，邊墩底厚1.2m，墩頂高程32.75m。

2.1.4賈莊閘工程概況

賈莊閘原工程由閘室、上部結(jié)構(gòu)、上下游連接段等部分組成，順?biāo)鞣较蜷L117.5m，閘室為鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，共3孔，單孔凈寬10.0m，閘底板高程37.50m，駝峰堰頂高程38.00m，閘墩頂高程49.80m。閘室左岸設(shè)橋頭堡，右岸設(shè)檢修門庫。賈莊閘除險加固主要工程內(nèi)容是水閘原址加固，工程總體布置基本維持現(xiàn)狀不變，保留閘室段下部結(jié)構(gòu)、鋪蓋、消力池、上下游翼墻、上下游護坡；改建閘室上部結(jié)構(gòu)、檢修橋、交通橋、海漫、門庫；新建消力池延長段、防沖槽；改建左岸橋頭堡；維修管理設(shè)施；加固閘室底板、閘墩、鋪蓋、上下游兩側(cè)翼墻、消力池表層混凝土；維修更換部分管理設(shè)施，增設(shè)監(jiān)測設(shè)施。

2.2 工程地質(zhì)

2.2.1西大樓閘工程地質(zhì)

西大樓閘建基面高程為45.90m，場地類型為灰?guī)r及含砂壤土，建基面下持力層主要為厚層灰?guī)r，僅閘基左端部分為含砂壤土，含砂壤土平均厚度1.35m。

2.2.2卞莊閘工程地質(zhì)

卞莊閘底板大部分位于斷裂破碎帶內(nèi)，閘基存在滲漏問題。場地地層巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、角礫巖。白云質(zhì)灰?guī)r為較硬巖，巖體完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅱ；角礫巖為較硬巖，方解石脈極發(fā)育，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ類。場區(qū)第④層白云質(zhì)灰?guī)r、⑤層角礫巖為持力層，其地基承載力特征值分別為1200kPa、800kPa，下伏層工程地質(zhì)性質(zhì)較好，沒有軟弱下臥層，僅有數(shù)個小規(guī)模黏性土充填，埋深較深。

2.2.3晁村閘工程地質(zhì)

晁村閘建基面高程為27.00m，場地土依據(jù)其工程特征判定屬中硬場地土，場地類別為Ⅱ類。場區(qū)第①層回填土和第②層壤土為持力層。①層回填土位于建基面以下部分厚度0.5～1.6m，其地基承載力偏低；②層壤土地基承載力特征值為120kPa，其下伏③層姜石黏土；③層含砂姜石黏土厚度較大，沒有軟弱下臥層，具有弱膨脹性。

2.2.4賈莊閘工程地質(zhì)

場區(qū)揭露地層除河床表層分布的第四系全新統(tǒng)沼澤堆積的淤泥外，主要有第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積的壤土、上更新統(tǒng)沖洪積堆積的壤土、黏土和中粗砂等，下伏基巖為古生界奧陶系下統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r。第③層中粗砂(Q3alp)特征：黃褐色，中密，飽和，含細(xì)粒土約5%～10%，砂顆粒主要成分石英、長石，分選性差，級配不良，含少量小徑礫石。該層分布連續(xù)，層厚為9.50～13.10m，層底高程為23.43～26.15m。

3 基礎(chǔ)設(shè)計和地基處理方案

3.1 西大樓閘

3.1.1基礎(chǔ)設(shè)計

位于巖基上的水閘基礎(chǔ)可以按墩臺式矩形基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，其基底應(yīng)力應(yīng)小于地基承載力。西大樓閘采用分離式底板，底板間斜搭接縫，閘墩下部為大底板，厚1.5m，寬7.4m，順?biāo)鏖L14.5m；閘墩中間為小底板，厚1.0m，寬4.0m，順?biāo)鏖L14.5m。經(jīng)計算，西大樓閘基底應(yīng)力均小于地基允許承載力。

3.1.2地基處理方案

由于西大樓閘僅閘基左端部分為1.35m厚含砂壤土，含砂壤土與灰?guī)r的壓縮性差別極大，易產(chǎn)生不均勻沉降。西大樓閘地基處理采用挖填換置法，換填C30埋石混凝土，設(shè)計埋石率為20%。

3.2 卞莊閘

3.2.1基礎(chǔ)設(shè)計

卞莊閘基礎(chǔ)位于巖基上，按平底板式筏形基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，其基礎(chǔ)采用分離式底板，底板分2聯(lián)對稱布置，中孔底板分縫，底板厚1.0m，單聯(lián)閘底板寬14.2m，順?biāo)鞣较蜷L10.0m。經(jīng)計算，卞莊閘基底應(yīng)力均小于地基允許承載力。

3.2.2地基處理方案

根據(jù)卞莊閘工程地質(zhì)，設(shè)計對斷層帶內(nèi)基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，對地基巖溶內(nèi)黏性土清洗后回填C25素混凝土。固結(jié)灌漿孔梅花形布置，孔間排距3.0m×3.0m，灌漿孔深入巖5m，設(shè)計灌漿壓力0.2～0.5MPa，如圖1所示。固結(jié)灌漿采用有蓋重灌漿。施工前，應(yīng)查明灌漿區(qū)內(nèi)底板預(yù)埋的止水片、鋼筋等布設(shè)位置。固結(jié)灌漿孔位放樣與其發(fā)生矛盾時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整固結(jié)灌漿孔位或孔向。工程灌漿孔選用風(fēng)鉆鉆進(jìn)。灌漿材料一般采用純水泥漿，水泥標(biāo)號不低于R42.5號普通硅酸鹽水泥，初始漿液濃度5∶1起灌，然后逐漸加濃；固結(jié)灌漿可在基礎(chǔ)混凝土底板澆筑完成后相應(yīng)部位的混凝土強度達(dá)到75%的設(shè)計強度后進(jìn)行；地基固結(jié)灌漿先導(dǎo)鉆孔總進(jìn)深32.5m，普通孔總進(jìn)深592m，灌漿657m。

圖1 卞莊閘基礎(chǔ)固結(jié)灌漿圖

3.3 晁村閘

3.3.1基礎(chǔ)設(shè)計

位于土基上的晁村閘基礎(chǔ)設(shè)按平板式筏形基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，分離式閘底板厚1.0m，單聯(lián)寬21.6m，順?biāo)鞣较蜷L17m。經(jīng)計算，晁村閘基底應(yīng)力均小于地基允許承載力。

3.3.2地基處理方案

晁村閘地基土具有地基承載力低和弱膨脹性的特點，對①層回填土全部挖出后，采用水泥土換填方案加固地基，水泥土換基厚2.0m，水泥摻入量按重量比為6%。另外由于水閘原基礎(chǔ)且已運行多年，經(jīng)現(xiàn)場勘察地基并未出現(xiàn)膨脹變形問題，本次對③層姜石黏土不再進(jìn)行地基處理。

3.4 賈莊閘

3.4.1基礎(chǔ)設(shè)計

依據(jù)賈莊閘除險加固方案，位于土基上的賈莊閘門庫基礎(chǔ)按平板式筏形基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，底板厚1.2m，寬12.5m，順?biāo)鞣较蜷L7.4m。經(jīng)計算，賈莊閘基底應(yīng)力大于地基允許承載力，需對地基進(jìn)行處理。

3.4.2地基處理方案

(1)閘室地基處理

賈莊閘原設(shè)計對閘基下部的中粗砂進(jìn)行換填，換填為埋石混凝土，埋石混凝土換填深度2.2m，下部仍存在9～10m厚度的中粗砂。賈莊閘目前運行多年，經(jīng)現(xiàn)場勘查未出現(xiàn)基礎(chǔ)承載力不足問題，其基礎(chǔ)沉降已趨于穩(wěn)定。工程改建后，相對于現(xiàn)狀閘室結(jié)構(gòu)，閘室、排架柱、機架橋等上部荷載的變化較小，經(jīng)計算閘室在各工況下的基底應(yīng)力均不超過160kPa，均小于中粗砂層天然地基承載力特征值180kPa，地基承載力滿足規(guī)范要求。故不再對閘室下部地基進(jìn)行處理。

(2)門庫地基處理

為避免新老建筑物不均勻沉降和解決門庫基底應(yīng)力大于承載力的問題，設(shè)計采用水泥土攪拌樁對門庫地基進(jìn)行處理，水泥摻量不小于15%，水泥土強度不小于1.80MPa，水泥土攪拌樁樁徑0.6m，樁間距為1.2m，樁長7.0m。根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的公式進(jìn)行承載力計算，經(jīng)計算門庫地基面積置換率0.327，單樁承載力為141kN，復(fù)合地基承載力特征值為260kPa，相比于天然地基，承載力特征值得到顯著提高，滿足門庫基礎(chǔ)承載力要求。

各水閘基底應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

表1 水閘基底應(yīng)力計算

4 結(jié)論

本文總結(jié)歸納了含部分土層的巖基水閘、有斷層破碎帶和巖溶發(fā)育的巖基水閘、有軟弱層的土基水閘和含承載力不足的中粗砂地基水閘的基礎(chǔ)設(shè)計和地基處理方案。目前工程均已通過竣工驗收，且4座水閘現(xiàn)狀運行良好。實踐證明，采用挖出換填埋石混凝土或水泥土可以解決沉降不均勻和承載力不足等地基問題；采用固結(jié)灌漿可以同時解決斷層破碎帶、巖溶發(fā)育等地質(zhì)缺陷和滲流問題；采用水泥土攪拌樁可以解決中粗砂層等承載力不足地質(zhì)問題。