曹娥江大闸枢纽工程多元软土地基处理设计

王 军 陈 舟 李健民 涂成杰

(浙江省水利水电勘测设计院 杭州 310002)

1 工程概况

曹娥江大闸枢纽工程位于浙江省绍兴市，钱塘江下游右岸主要支流曹娥江河口，距绍兴市约30km。浙江省曹娥江大闸枢纽工程是国家批准实施的重大水利项目，是国内建设的第一河口大闸，是浙江省“五大百亿”工程—浙东引水工程的配水枢纽。本工程为大（1）型水闸，I 等工程，防洪挡潮设计标准为100年一遇，设计泄洪流量为11030m3/s。工程建设任务为防潮（洪）、治涝、水资源开发利用、兼顾改善水环境和航运等综合利用。

沿海地区河口的挡潮泄洪闸大多建在软土地基上，一般都需要解决基础承载力、地基变形、基础防渗等一系列问题，基础处理难度大，占工程投资比重大。总投资12.52亿元的曹娥江大闸地基为多元的软土结构，表层约16m为振动液化的砂质粉土，中部约40m为高压缩性的淤泥质黏土，在距建基面约55m 以下为密实粉土、砂砾层直至基岩。曹娥江大闸由挡潮泄洪闸、堵坝、导流堤等建筑物组成，其基础存在着稳定、变形、渗漏、防冲和地震液化等一系列问题。基础处理设计关系到该工程的安全性、经济性和施工进度。

2 基础处理设计

2.1 PHC 管桩基础处理设计

闸底板基础为Ⅱ0土层，地基承载力设计值为100kPa，基础最小平均应力值为104.4kPa，地基承载力达不到要求，因此需要采取措施提高地基承载力。若闸基不处理，闸室最终沉降量为63cm，远超出规范要求的最终沉降量不宜超过15cm 的规定，因此需要采取深基础处理措施控制沉降量。

经分析比较，确定采用投资省、施工进度快的PHC 管桩（外径80cm，管壁厚11cm）解决承载力、稳定及变形的问题。通过单桩水平静载荷试验和单桩竖向抗压静载荷试验，本工程地基土的临界荷载取为225kN，水平抗力系数的比例系数m=5.9MN/m4，水平力影响深度在11.94m 以内，桩身最大弯矩出现在水平推力点下3.5m 处。不同桩长（20、50、64m）对水平承载力的成果无直接影响。桩长64m 单桩竖向极限承载力为13500kN，桩长50m 单桩极限承载力为9900kN。

闸底板基础采用长短桩结合布置，长桩承担全部垂直荷载，长桩和短桩共同承担水平向荷载。通过分析闸底板压应力分布及各桩的轴力及位移，优化桩基布置，尽量使长桩布置在竖向荷载大的部位，短桩分散布置在荷载较小的部位。这样可以减小闸底板竖向变形，继而保证大闸结构安全。大闸共设28 孔闸，每孔闸底板平面尺寸为24m×26m，底板底高程-3.0m，每块底板基础布置56 根PHC 管桩，间距3.65m，排距3.08m，其中长桩40 根，短桩16 根，桩顶高程-2.9m。长桩桩尖需伸入Ⅴ层土（密实粉砂）不小于1.6m，桩长55～65m，短桩桩长15m。PHC 管桩平面及纵剖面图见图1、图2。

图1 PHC 桩平面布置图

图2 PHC 桩剖面图

表1为2005年8月水平承载力试验成果，验证了桩的单桩水平承载力，表明承载力满足设计要求。

表2为PHC 管桩检测结果与设计值对照表，通过对表1、表2 测试结果分析可得出：（1）桩基实测竖向承载力与设计相比，有较大余度；（2）实测得出的地基土水平抗力系数的比例系数m值与设计采用值相比，有一定的余度；（3）长桩与短桩水平承载力无差别，桩顶自由时，零弯矩位置约处于13.5m 以内，桩顶有闸底板约束时，零弯矩位置将会抬高。

表1 单桩水平承载力汇总表

表2 PHC 管桩检测结果与设计值对照表

通过沉降点观测，闸室段最大沉降值为11.53cm；最小沉降值为8.96cm。从实测沉降过程线分析，沉降整体趋势越来越缓，沉降值变幅变小，相邻闸室相对沉降差很小，建筑物逐渐趋于稳定。

2.2 不加料振冲挤密法处理

场地地震烈度为6 度，设计地震烈度为7 度。经钻孔标准贯入试验击数进行计算判别，抗震设防烈度为7 度时，地基表层约15m 厚度范围的砂质粉土层为可能液化土层，需要进行抗液化处理。

经不加料的振冲挤密法消除砂质粉土地震液化效应试验，振冲挤密试验前、后，砂质粉土平均湿密度从 1.74g/cm3提高到 1.91～1.95g/cm3；平均干密度从 1.41g/cm3提高到1.53～1.57g/cm3；平均孔隙比从0.907（稍密）提高到0.715～0.759（中密－密实）；承载力标准值从110～120kPa 提高到170～180kPa，效果明显。振冲前、后的e～p 曲线见图3、图4。

图3 振冲挤密前Ⅱ0 层e-p 曲线

图4 振冲挤密后Ⅱ0 层e-p 曲线

振冲挤密处理范围为左右岸连接坝基础、闸底板、翼墙、分隔墩桩间土、上游混凝土护坦、下游消力池底板基础。处理深度为8～18m。处理要求振冲挤密处理后砂质粉土表层3～5m 深度范围标准贯入试验击数不小于12 击，5～12m深度范围标准贯入试验击数12～18 击。

2.3 薄壁防渗墙设计

根据SL265－2001《水闸设计规范》初判渗径要大于 70.4m，而闸底板顺水流向长度只有26m，不满足规范要求。因此需要采取措施延长渗径长度，使地基土层渗透坡降满足要求。闸底板上、下游防渗墙采用厚30cm 的薄型混凝土防渗墙，墙底伸入Ⅲ1土层2m，防渗墙平均深度16m，成墙面积23200m2。大闸闸基防渗范围见图5。

图5 闸底防渗示意图

由于Ⅲ1、Ⅲ2层为欠固结土层，在其自重固结作用下Ⅲ1、Ⅲ2层会发生沉降，由此将可能会引起闸底板与地基土层的脱空。为预防闸底板脱空给大闸防渗带来危害，除保证两道防渗墙与闸底板连接可靠外，在闸底板下部埋设土压力计和测缝计，以监测脱空情况。如监测出脱空时，利用预先埋设在闸底板内部的灌浆管向闸底板底部灌水泥黏土浆。

2.4 水平与垂直防冲措施设计

地基表层约15m 厚度范围内的砂质粉土层极易冲刷，大闸处在曹娥江与钱塘江的交叉口，闸下游既受到过闸水流的冲刷，又受到钱塘江洪水及涌潮的冲刷，此外，闸附近上游江道和导流堤头部亦受到水流的冲刷，这些部位均需要进行抗冲刷处理，否则将会严重威胁到大闸主体和堤防的安全。

闸上游防冲结构布置在闸前河道束窄段，顺水流长369m，从上游至下游布置有上游抛石防冲槽、防冲小沉井、混凝土灌砌块石护底、混凝土护坦。闸下游防冲结构布置在左岸堤防与右岸导流堤之间，顺水流长113m，从上游至下游布置有混凝土消力池、混凝土海漫、预制钢筋混凝土防冲板桩、高性能混凝土灌砌块石海漫、混凝土防冲大沉井和下游抛石防冲槽。在海漫和防冲槽之间设置防冲大沉井起“锁墙”作用，保护海漫下游端不被下泄洪水和潮水冲刷破坏。沉井下沉完毕后，在空格内回填砂质粉土。闸下游防冲槽及下游堤防堤脚抛石顶层保护采用锦纶现浇混凝土柔性防冲排。

3 结论

曹娥江河口宽达 1600m，处在强涌潮河口段，潮水的含沙量高，河床易冲易淤。举世闻名钱江涌潮的存在，使工程的设计施工条件更为复杂。建筑物地基土层的上部为可液化的砂质粉土，下部为高压缩性的淤泥质黏土，基础处理措施既要解决基础承载力及沉降过大的问题，又要解决防渗和抗液化问题，还有抗冲刷问题。从解决这些问题入手，通过现场试验和分析论证，确定了本工程的基础处理方案，各项检测指标均达到了设计要求。

曹娥江大闸枢纽工程通过采用先进的基础处理技术，解决了基础承载力、地基变形、地震液化、基础防渗等难题，降低了综合造价，加快了施工进度，取得了良好的处理效果。本工程首次在大型水闸基础处理工程中采用大直径、高强度预应力管桩（PHC 管桩），长短桩结合的设计。利用长桩承担垂直向荷载，长桩和短桩共同承担水平向荷载，这是水闸设计方面的一项创新。采用先进的振冲防液化技术提高了地基土的密实度，消除了地震液化。本工程基础处理设计具有独到的创新性，取得了理想的处理效果，节省了工程投资缩短了工期，为河口地区大跨度水闸设计积累了经验。曹娥江大闸枢纽工程建成并投入运行两年多来，经历了2009年“莫拉克”台风等洪水的考验，目前工程运行情况良好，已取得良好的社会和经济效益。浙江省内一些水闸基础处理设计已经采用了本工程有关设计的方法和相关工程措施，应用前景广泛。

1 浙江省水利水电勘测设计院.浙江省曹娥江大闸枢纽工程初步设计报告(报批稿) [R]，2005.

2 国家电力公司华东勘测设计研究院、杭州华东工程检测技术有限公司.曹娥江大闸枢纽工程单桩竖向抗压静载荷试验、单桩水平静载荷试验检测报告[R]，2004.