蓟运河防潮闸基础加固处理设计与施工（郭晓利,李淑红,王凤芝）

时间：2022-02-21 15:33:53 浏览量：次

摘要：蓟运河防潮闸基础为软基桩基，其基础加固处理为地下隐蔽工程，设计与施工难度大。在设计与施工过程中，采用了合理的设计原理和先进的施工方法，较好地解决了闸基渗漏和闸室稳定问题。这为软基桩基础的加固处理提供了很好的借鉴。

关键词：高喷灌浆；接触灌浆；灌注桩；闸基加固；设计；施工

中图分类号：TV66 文献标识码：C 文章编号：1004—7328(2007)04—0062—03

1 工程概况

蓟运河防潮闸位于天津市塘沽区北塘镇蓟运河与永定新河交汇处，始建于1973年，是一座排沥、泄洪、挡潮、蓄淡并提供两岸工农业用水具有综合效益的大中型水闸。

防潮闸为14孔，其中过流孔12孔，设计流量1 200m 3／s，相应闸上水位2．14 m、闸下水位1．91 m。防潮闸为开敞式闸，分离式闸底板，灌注桩基础。闸室与两岸呈阶梯式衔接，中部8个深孔底板高程-6．0 m，两侧2、11号边孔底板高程-4．0 m；1、12号外边孔底板为倾斜式，坡顶高程-2．0 m，最外侧边墩孔设有渔道。渔道与边墩间底板为1：4斜坡。闸室每孔净宽8．0 m，闸墩厚1．3 m，墩中心距9．3 m，总宽128．9 m。长17．0 m。闸室底板由墩底板和中底板组成，墩底板兼桩基平台，中部3～12号孔中墩底板宽4．5 m，厚1．2 m，布置两排共12根 ф85 cm灌注桩，桩长15 m，桩底板高程-22．2 m。其余墩底板宽度、厚度、灌注桩的数量略有变化。各孔中底板厚度均为0．8 m。但边孔、外边孔闸门底槛部位局部加厚。

2 工程地质

根据建闸和1985年在闸址处的2次地质勘探结果表明，闸基为近代浅海沉积层，土质松软，多呈饱和状态。按地质岩性可分为3层：第一层(+2．4～6．5m)，为黑灰色淤泥质粘土，含云母及有机质，有粘土及轻亚粘土互层，土质松软，呈流动状，渗透系数K=3．78×10-4～6×10-8cm／s；第二层(-6．5～-27 m)为水闸持力层，该层自上而下又分为轻亚粘土、亚粘土和重亚粘土3小层，其性状自流塑、软塑、硬塑，渗透系数K=9．7×10-4～4．7×10-8cm／s；第三层(-27．0 m 以下)为黄褐色亚砂土。

3 基础存在的主要问题

防潮闸地处海滨，长期受海洋环境侵蚀，加之1976年唐山地震影响，闸室基础受到不同程度破坏。根据1997年2月水利部天津水利水电勘测设计研究院所做的质量检查，防潮闸存在着亟待解决的隐患，大致有以下3个问题。

3．1 闸室底板脱空

闸底高程测量反映出闸底板分别比防渗板和消力池底板少下沉4．6 cm 和6．5cm，皆因桩基支撑所致，由此证明脱空是普遍性的。从探孔的吸水(边孔)和涌水(中孔)表明，灌浆后底板与地基土间仍有不同程度的间隙，除两端渔道孔测点吸水量较小外，其余3～9号闸孔的钻孔平均涌水量达320 mI／min，个别探孔涌水量达900～1 090 mI／min，存在涌水通道。

3．2 灌注桩桩身混凝土质量差，桩端与闸底板联接薄弱

通过14根桩检查发现，大部分桩身混凝土质地松散、破碎，混凝土强度低，并有断桩。依其透水性判断，桩身质量完好的仅2根，占检测数的14％。大部分桩端混凝土由细砂、卵石、砂浆碎块组成，且钻透底板后大多数钻孔出现不同程度的涌水现象，其桩端与底板结合良好的仅有4根，占28％。

3．3 原防渗墙体与底板间存在脱空间隙

通过检测发现，1986年对闸室中段进行处理后的高喷防渗墙墙体薄，孔位偏差大，部分计划检查的部位未能采集到墙体芯样，墙体材料显著的不均一性，难以排除定喷墙为非连续墙；定喷墙芯样表明，大部分底板以下、芯样上端都有1～5 cm水泥灌浆固结物。说明灌浆前定喷墙与底板间存在脱空间隙；墙体芯样松软、干容重小、孔隙大、抗压强度仅O．8MPa，且渗透系数部分仅1O～5 em／s，与基土相当，上述情况均说明定喷墙形同虚设。

闸室基础存在的3个主要问题威胁着水闸的渗流稳定和整体稳定性，亟待处理。否则，地基的接触冲刷破坏将不断加剧，灌注桩的承载能力持续降低，严重威胁工程的安全运用。

4 基础加固工程设计

根据闸室基础存在的问题，加固工程设计分别采取了接触灌浆、灌注桩围封加固和上、下游高喷防渗墙。

4．1 闸室底板脱空处理

闸室底板脱空采用接触灌浆处理。接触灌浆在每孔中底板自上游至下游布孔4排8个，钻孔深入中底板下土层1．0 m。顺序为每孔先上、下游，后两侧，将底板四周围封好后，再分序施灌闸室中部。14个闸孔中底板共布设灌浆孔112个。总计灌浆面积2 262 m 2。

4．2 基础防渗设计

鉴于防潮闸地基存在着闸室和上下游底板普遍脱空情况，整个地基防渗设施已被破坏，如果恢复原水平防渗，则脱空处理不仅面积大，而且在无围堰的情况下施工难度大，投入资金多。为此，基础加固的防渗设计采用垂直防渗方案，即在3～12号闸室上、下游各设一道旋喷防渗墙，防渗墙由旋喷桩相互套叠而成，桩距O．7 m，单桩直径0．9 m，最小成墙厚度0．5m，防渗墙伸人底板下5．0 m，见图1。另外分别在3号、1O号闸室闸墩底板外侧顺水流方向各增设一道高喷防渗墙，以形成连续、独立、封闭的防渗系统。通过渗流稳定计算，闸室水平段水力坡降为0．026～0．044小于允许坡降O．3；闸室出口水力坡降0．201～0．323，小于允许坡降0．6，说明垂直防渗设计方案可行。

4．3 灌注桩加固设计

灌注桩加固设计是在原灌注桩上、下游侧布孔，采用高压旋喷、摆喷包裹，形成新、老桩的复合体，共同承担水平荷载。原灌注桩加固深度6．0 m，先摆喷，后旋喷，上、下游高喷孔的摆喷线相交封闭灌注桩两侧，其最小包裹厚度不小于20 cm，上、下游旋喷成桩后将原桩加大，形成沿顺水流方向加长的椭圆形复合桩体，旋喷桩成桩直径90 cm，故复合桩顺水流方向最大截面长达200 cm，垂直水流方向有效截面宽不小于90 cm。见图2。

该加固设计方案可对原灌注桩表面缺陷进行冲洗、置换和胶结，改善原桩缺损性状，又可保护原灌注桩混凝土及钢筋不受海水侵蚀。新、老桩紧密结合形成长椭圆截面大桩，大大提高了顺水流受力方向的刚度和桩的水平承载力。通过计算，加固后形成的复合桩单桩水平承载力可达34 t，基本水位组合时，正、反两项运用工况安全系数分别为2．16和1．32，均大于1．3；特殊水位组合时，正、反两项运用安全系数分别为1．82和1．2O，均大于1．15，满足运用安全要求。

5 基础加固工程施工

防潮闸基础加固设计贯彻了以最先进的施工方法、以最简易的工艺过程完成闸基全面加固的主导思想，其主要施工工艺高压旋喷是采用了较先进的单管分喷和双管分喷置换法实施。采用的主要施工方法是高压旋、摆喷和接触灌浆。

5．1 接触灌浆

接触灌浆的目的是解决闸底板脱空。施工时首先下ф127 mm的套管于闸底板定位。而后用ф91 mm钻具开孔至底板内0．3 m，再下ф89 mm的套管人内进行卡塞止水，将管内外水分开，接着用ф67mm的钻具钻至底板下1．0 m处，然后进行接触灌浆。灌浆采用纯压灌浆方式，浆液采用2：1、1：1、O．5：1三级配比。在灌浆压力0．2～0．3 MPa下吸浆率≤0．4 L／min后延灌30 min封孔。封孔是在O．2～O．3 MPa压力下，以O．6：1：1(水：砂：水泥)浓度的水泥砂浆自下而上封堵，封孔砂浆按试验配比掺膨胀剂、粘结剂和速凝剂，控制好时间后退出卡塞和套管。

5．2 旋喷防渗墙

基础防渗是在3～10号闸室上、下游和左、右侧设计一旋喷防渗墙，形成连续、独立和封闭的防渗系统，以此延长地基土的渗径，达到降低闸室水平段和出口段水力坡降的目的。施工时，其定位、钻孔、止水和封孔工序与接触灌浆完全相同．然后用ф67 mm的钻具钻至底板下6．0 m处．钻孔终孔后，在孔口进行试喷，当各项参数符合要求后，保护好喷头，将喷管下至孔底。通人高压水，自下而上第一次旋喷，起到切割松散土层的作用．然后将喷管重新下至孔底．送人水泥浆，待孔口返浆后．即可自下而上旋喷．边喷边提，直至底板底部时停止提升，继续旋喷1 min后结束旋喷。拔出喷管．用ф32 mm长5 m的钢筋(顶部带有棘爪，以防其落人孔底)下至孔内，最后封孔。

5．3 灌注桩加固

灌注桩加固目的是提高单桩水平承载力，增加闸室稳定性。施工时其定位、钻孔、止水、旋喷和封孔工序与旋喷防渗墙完全相同，不同的是增加了摆喷工序。摆喷采用夹角为85°的双嘴摆喷法，钻孔完毕后将喷管下至孔底，通人高压水自下而上摆喷水后，重新下喷管至孔底，送人水泥浆进行自下而上摆喷浆，摆喷完后按上述工序进行旋喷和封孔。

6 质量检查及结果

为了验证基础加固质量，分别对闸底板下接触灌浆、上下游旋喷防渗墙及加固旋喷桩进行了质量检查。

6．1 接触灌浆

接触灌浆主要是检查闸底板下灌浆后是否充填密实。通过现场注水试验获得单位吸水率，而后换算为渗透系数。通过对26个检查孔进行注水试验，求得检查孔现场注水渗透系数K为0．022 9×10 -6～0．641×10 -6cm／s，均满足设计值K≤1．O×10 -6cm／s，说明接触灌浆效果良好。

6．2 上、下游旋喷防渗墙

上、下游旋喷防渗墙是延长闸基渗径，保证基础渗透稳定的重要工程措施。质量检查要求墙体本身渗透系数K1≤1．O×1O -7cm／s，墙顶与闸底板接触部位要求渗透系数K2≤1．O×1O -6cm／s。通过取样试验，14组试件共42个试验结果为0．027×10-7～0．889×10 -7cm／s，满足设计要求；现场注水试验14孔，除一孔渗透系数K2=1．1 18×10 -6 cm／s、略大于设计值外，其余13孔渗透系数K2为0．055×10 -6～0．507×10 -6cm／s，满足要求，说明旋喷防渗墙施工质量较好。

6．3 加固旋喷桩

对闸墩底板下的灌注桩用旋喷桩进行围封加固，使之形成复合桩体，增加其水平刚度和水平承载力，以满足闸室抗滑稳定要求。设计要求抗压强度≥1O．0 MPa，弹性模量E≥1 000 MPa。通过对26根加固旋喷桩(上、中、下部位各取3个芯样)共78组试样做室内试验，其抗压强度试验值范围为1O．1O～13．86 MPa，弹性模量试验值范围为E=3 510～11 763MPa，试件的抗压强度及弹性模量均满足设计要求，说明加固旋喷桩施工质量良好。

7 结语

通过增设闸室上、下游旋喷防渗墙，解决了闸基的渗流稳定问题；对闸底板下土体进行接触灌浆，使得闸底板脱空问题得到解决；对原灌注桩进行围封加固形成复合桩，增加了闸室抗滑稳定。质量检查结果和近几年的工程运用表明，蓟运河防潮闸基础加固设计及施工是成功的，为水闸基础尤其是软基基础处理提供了良好的经验和参考。

作者简介：郭晓利(1971-)，女。工程师，主要从事水利工程设计工作。

来源：《海河水利》2007.8

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