黄庄洼分洪闸地质勘察分析

2015-03-23王艳军

海河水利 2015年3期

王艳军

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

黄庄洼分洪闸位于天津市宝坻区黄庄乡与林亭口镇交界处，处于潮白新河左大堤。该闸设计为7孔，每孔宽7 m，由铺盖、闸室、消力池、海漫、防冲槽等组成，为大（2）型工程。通过本期工程地质勘察工作，查明了闸基水文地质、工程地质条件，为设计提供了可靠的依据。

1 地质概况

1.1 地形地貌

工程区位于燕山山前平原与滨海平原结合部，地势平坦、开阔，地面高程0.90～1.30 m，潮白河左大堤堤顶高程8.18～8.20 m。

1.2 地层岩性

本工程区内发育有较厚的第四系松散沉积物。工程区钻孔揭露范围内的地层岩性主要有第四系全新统人工堆积（rQ）素填土，第四系全新统上组冲积（a1Q43）黏土、壤土，第四系全新统中组浅海相沉积（mQ42）黏土、壤土、砂壤土、粉砂，第四系全新统下组冲积（a1Q41）黏土、壤土、砂壤土、粉砂，第四系上更新统第五组冲积（a1Q3e）壤土、粉砂，第四系上更新统第四组滨海—潮汐带相沉积（mcQ3d）壤土。

1.3 地质构造与地震

（1）地质构造。该工程位于一级构造单元华北准地台，二级构造单元燕山台褶带，三级构造单元蓟宝隆褶，四级构造单元宝坻凹褶内。根据《天津市临近地区地震构造及震中分布图》，近场区未发现较大地质构造。

工程区北部为宝坻断裂、宁河—宝坻断裂，南部为里自沽断裂、牛蹄河断裂，西部为王草庄断裂、赵聪庄断裂，东部为潘庄断裂。以上个别断裂虽然在晚第三纪至第四纪有活动迹象，但因规模小、与水闸相距较远，对水闸无控制作用。

（2）地震。新中国成立以来，本区发生达到或超过5.0度的中强地震有：1976年7月宁河6.2级地震，1976年8月宝坻5.1级地震，1976年11月宁河6.9级地震，1976年12月宝坻5.5级地震，1977年5月宁河6.2级地震。这些地震有的在少数地方产生了破坏，大多数地方表现为有感或强有感。近10年来，本区发生的有感地震主要有：1992年宁河4.9 级地震，1993年宝坻4.4级地震，1998年宝坻3.8级地震，2000年蓟县3.1级地震，2001年武清3.1级地震，2002年宁河4.7级地震以及2003年宁河4.1级地震、4.3 级地震、3.8 级地震、宝坻3.4 级地震等。遭遇强震波及而有感达到或超过5.0度的地震有：1966年3月22日河北省邢台7.2 级地震，1967年3月27日河北省河间6.3级地震，1969年7月18日渤海7.4级地震，1976年7月28日河北省唐山7.8 级大地震。另外，还有一些4、5级的地震，也对本区产生了较明显的震感，如1973年12月31日河北省河间5.3 级地震、1991年5月30日唐山的5.2级地震、1995年10月6日唐山的5.0级地震等。

区内不具备发生强震的活动性构造，但应注意周边临近地区发生强震而波及到本区对水闸所产生的影响。

根据中国地震局制定、国家质量技术监督局发布的《中国地震动参数区划图》（GB18306－2001）划分，该区地震动峰值加速度为0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.40 s，相当于地震基本烈度Ⅶ度区。

根据场地工程地质条件，按《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）划分，拟建场地属对建筑抗震不利地段。依据《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）相关规定计算得出拟建场地现状地面下20 m深度范围内地层的等效剪切波速值（Vse）为144.9～150.1 m/s，为中软场地土；等效剪切波速值（Vse）大于140 m/s，小于250 m/s，且覆盖层厚度大于50 m，场地类别为Ⅲ类。由前述两项条件判别拟建工程区的场地类别为Ⅲ类。

1.4 水文地质条件

工程区属暖温带大陆性季风气候区，年均气温11.2 ℃，1月平均气温-5.7 ℃，7月平均气温26 ℃。年均降水量690 mm，主要集中于7、8、9月，约占全年的70%，无霜期约190 d。

工程区地下水均为第四系孔隙潜水，主要赋存于第四系黏性土层、砂类土层中。地下水主要接受河水的渗漏补给、大气降水的垂直入渗补给以及区域性地下水的侧向补给；地下水主要以向下游径流、地面蒸发及农业用水等方式排泄。

地下水动态主要受区域地下水控制，并受河水及临近地区地下水开采程度影响。勘察期间，地下水位为-0.02～0.10 m。

据室内土的渗透试验可知，各土层竖向渗透系数一般在10-8～10-4cm/s，属中等—极微透水层。

勘察期间，取地表水、地下水水样各2组进行水化学分析，结果显示：①地表水对普通水泥具结晶类硫酸盐型弱腐蚀性，地下水对普通水泥具结晶类硫酸盐型强腐蚀性。②在干湿交替作用下地下水对钢筋混凝土结构中钢筋具中等—强腐蚀性；地表水对钢筋混凝土结构中钢筋具弱—中等腐蚀性。地下水对钢结构具中等腐蚀性；地表水对钢结构具弱—中等腐蚀性。

1.5 物理地质现象

本工程区无不良物理地质现象，标准冻土深度0.6 m。

2 工程地质条件及评价

2.1 地质结构

根据钻孔揭露，工程区地质结构为黏砂多层结构。根据地层时代、岩性及空间分布特征，将工程区地层划分为9 个工程地质层。现由上至下分述如下。

（1）第四系全新统人工堆积（rQ）。为潮白河左大堤堤身素填土，土质不均，含植物根系、白灰渣，厚度4.7～5.2 m。

素填土（①）：以褐黄色为主，色杂，干—稍湿，硬塑—可塑，岩性为壤土。

（2）第四系全新统上组冲积（a1Q43）。岩性为黏土、壤土，含姜石、锈斑及有机质。层底高程-0.32～0.20 m，层厚2.8～3.8 m。

黏土（②-1）：灰绿色—灰黄色，稍湿—湿，硬塑—可塑，含姜石，呈透镜体状分布。具中—高压缩性、极微透水性，标贯实测击数11击。

壤土（②-2）：灰黄色，湿，可塑，局部为硬塑，呈层状分布。具中压缩性、极微透水性，标贯实测击数9击。

（3）第四系全新统中组浅海相沉积（mQ42）。岩性为黏土、壤土，富含有机质，可见贝壳碎片。层底高程-12.02～-11.70 m，层厚11.7～11.9 m。

黏土（③-1）：灰色，饱和，软塑—可塑，呈层状分布，土质不均。具中—高压缩性、极微透水性，标贯实测击数6—7击。

壤土（③-2）：灰色，饱和，软塑为主，局部流塑、可塑，呈层状分布，局部呈透镜体状分布。具中压缩性、极微透水性，标贯实测击数6—8击。

（4）第四系全新统下组冲积（a1Q41）。岩性为壤土，含姜石、锈染。层底高程-18.80～-18.62 m，层厚6.6～7.1 m。

壤土（④-2）：褐黄色，饱和，可塑，土质较均一，呈层状分布。具中压缩性、微透水性。

（5）第四系上更新统第五组冲积（a1Q3e）。岩性为壤土、粉砂。层底高程-29.00～-28.82 m，层厚10.2 m。

壤土（⑤-1）：黄灰色，饱和，硬塑—可塑，土质不均，呈透镜体状分布。

粉砂（⑤-2）：灰黄色，饱和，密实，砂质纯净，呈层状分布。

（6）第四系上更新统第四组滨海—潮汐带相沉积（mcQ3d）。岩性为壤土，富含云母、有机质及贝壳碎片。钻孔未揭穿该层，最大揭露深度40 m。

壤土（⑥）：灰色，饱和，可塑，土质不均，呈层状分布。

2.2 土体物理力学性质

为查明闸基土体的物理力学特征，勘察时采取原状土样进行了室内土工试验，现场进行了标准贯入试验，并对土体物理力学指标进行了数理统计。

根据土体物理力学指标统计成果及经验值，提出闸基土体物理力学指标建议值，详见表1—2。

表1 闸基土的物理性质指标建议值

表2 闸基土及桩基力学性质指标建议值

2.3 工程地质评价

（1）场区地面高程0.9～1.3 m，闸室底板设计高程为-2.43 m。闸室基础坐落于第③-1工程地质层黏土、第③-2工程地质层壤土上，其承载力建议值分别为80、85 kPa。承载力偏低不能满足设计要求，建议采用桩基，桩基力学指标建议值见表2。

（2）水闸基础坐落于第③-1工程地质层黏土、第③-2工程地质层壤土上，基坑开挖深度3.33～3.73 m，应注意边坡稳定问题。建议临时开挖边坡坡比1∶1.5。

（3）勘察期间地下水位为-0.02～0.10 m，基坑开挖受地下水影响，建议采取排水措施。

（4）闸基础底面混凝土与黏土、壤土摩擦系数建议值（f）为0.20。

（5）本场区15 m深度范围内不存在无黏性土及少黏性土，因此没有土的地震液化问题。

3 实施中遇到的问题及剖析

3.1 问题概述

本工程进入施工阶段以后，按惯例进行试桩。结果为沉降过大，桩基承载力不能满足设计要求。为此，对该工程进行补充勘察，对已有的勘察成果作进一步复核。

补充勘察工作除原已采用的勘察技术及手段以外，增加了静力触探（双桥）的原位测试方法，用于复核桩的极限侧阻力值。此次补充勘察工作增加了闸基的勘察精度，复核并完善了闸基土的主要地质参数。

通过对补勘前后的资料进行对比发现，绝大多数参数没有变化，经复核是合理的。此次修改完善的地质参数有两处，具体为：③-1黏土层的极限侧阻力值由原来的35 kPa下调为22 kPa，④-2壤土层的极限侧阻力值由原来的55 kPa下调为45 kPa。

通过分析发现，由于③-1黏土层、④-2壤土层原极限侧阻力建议值偏高，在经单桩竖向极限承载力计算并确定桩的尺寸时使桩径偏小或桩长偏短，这是造成试桩失败的根本原因。

3.2 问题剖析

如前所述，问题产生了，虽然通过补充勘察修正了关键地质参数，但原勘察过程在哪个环节出现错误了呢？

分析整个过程，从外业地质工作的勘探、取样、原位测试，到室内试验的颗分定名、各项物理力学指标的确定，再到内业资料整理等全套工作，无不遵照现行规程规范及质量管理体系文件进行，但地质参数值未能通过实践的检验。本着搞清原因、避免再犯的原则，对问题进行了深入剖析。既然问题出在桩的极限侧阻力值上，就从这个数值的获得经过入手来分析原因。

确定桩的极限侧阻力的依据是《建筑桩基技术规范》（JGJ94－2008），通过查表5.3.5-1 得到，查该表的基础资料有2 个，即土的名称和土的状态。土的名称通过颗分确定，经复核不存在问题。表中黏性土的状态指标为液性指数，是通过界限含水率试验得到，然后进行数理系统获得液性指数的标准值，经复核该过程也不存在问题。既然基础数据没问题，通过《建筑桩基技术规范》查表得来的极限侧阻力标准值也不应该有问题。但事实并非如此，地勘报告里提出的极限侧阻力建议值没能通过试桩的检验。

自查没有找到问题所在，下一步拟求助于外部力量。众所周知，岩土界泰斗高大钊教授通过网络开办有一个岩土工程疑难问题答疑专栏，在线解答岩土工作者提出的专业问题。此后，高教授整理并出版了《岩土工程勘察与设计》（岩土工程疑难问题答疑笔记整理之二），以便让更多的业内人士从中受益。抱着试试看的心态，我翻开了这本厚达675 页的著作，希望从中找到需要的答案。高教授在答复15.4.3条时指出：“规范已经非常明确地说明了这种查表的方法仅适用于初步设计，也就是说，施工图设计应该根据试桩的结果来确定单桩承载力。……但也有试桩结果过低而造成工程事故的”。由此可见，本工程通过试桩来验证参数的做法是正确的，否则将造成工程事故。

在答复15.3.5条时指出：“如果发现采用全国规范所提供的参数与地方的经验不一致，则应特别需要谨慎处置，要尊重地方的经验。由于岩土工程的地区性特别强，尤其是一些基于经验的参数，与自然条件、地质条件有着密切的关系。如果地方有资料，有经验，其针对性就比较强。因此在两者的数值不一致时，我的意见是倾向于采用地方经验”。依据该线索，我找到了天津市工程建设标准《岩土工程技术规范》（DB29-20-2000）。以该地方规范为依据，采用相同的基础数据查表，结果为：③-1黏土层的极限侧阻力标准值为21.8 kPa，④-2壤土层的极限侧阻力标准值为38 kPa。与静力触探（双桥）的结果接近，且更有保障。至此，问题得以解决。