浅谈水下混凝土在流砂基础处理上的应用

张成贵

(宣城市宣州区水利局，安徽 宣城 242000)

1 项目概况

东大圩是宣州区在南漪湖综合治理时，封堵油榨河形成的，它是由原五星联圩、朱桥联圩和青草湖农场合并而成，位于宣州区东北部，保护五星乡、朱桥乡和国营青草湖农场，保护面积102.2 km2，受益总人口5.41万人，耕地总面积4933.33 hm2。

东大圩呈长条形，南北长约20 km，东西宽约6 km，由水阳江、双桥河、南漪湖、北山河、浑水河环绕合抱而成，四面环水。该圩区属亚热带季风性湿润气候，雨量充沛，季风显著；雨量年际变化大，年内降水又集中在6—7月两个月份，降水量时空分布不均。由于地处水阳江中游圩区，受到上游洪水和下游调蓄区(南漪湖)洪水顶托的共同影响。一般年份5—10月圩内集水无自排机会，极易形成内涝。为便于排灌工程管理，提高排涝效益，根据地形地势特点，将东大圩划分小港口、裕丰、杨家咀、杨滩、沙河口等五个排灌区，各排灌区间通过土堤和控制闸进行控制，来达到“高水高排，低水低排”的目的。五个排灌区自上世纪六十年代起共兴建了21座泵站，为当地工农业生产和人民生活的改善发挥了巨大作用。由于大部分骨干泵站均建于20世纪60、70年代，设计标准低、设备老化、性能下降，内涝频繁且损失严重，为恢复东大圩泵站的排涝抗灾能力，该圩小港口一站、裕丰五站、沙河口三站三座较大规模的泵站列入《全国大型灌溉排水泵站更新改造规划》。2016年省发改委对该项目初步设计进行了批复，同意小港口一站、裕丰五站、沙河口三站拆除重建。

沙河口三站位于原五星联圩境内，五星联圩属于东大圩上半段，由水阳江干流、支流双桥河和被封堵的油榨河包围而成，行政区划属宣州区五星乡和青草湖农场(部分)，保护总面积42.57 km2，总人口2.3万人，耕地面积1973.33 hm2，其中水田1540.00 hm2。在灌溉排水泵站更新改造规划时，将五星联圩分为沙河口、杨滩、杨家咀三个排灌片区。由沙河口一、二、三站共同承担着沙河口排灌片区排灌任务。沙河口三站批复设计3台700ZLB-100立式轴流泵，配3台YL355M-8型电动机，单机功率160 kW，设计总装机480 kW，设计抽排流量为5.10 m3/s，自排流量为5.8 m3/s。

2 工程水文与地质

2.1 工程水文

水阳江发源于皖浙交界的天目山，是长江一级支流，干流河道总长度 273 km，流域面积 10 385 km2。宣城、新河庄水文站是水阳江干流上两个主要控制站，控制流域面积分别为3410 km2和7594 km2。宣城水文站以上为水阳江上游，新河庄水文站以下为水阳江下游，两站之间为水阳江中游，其间干流河道长度为31.40 km。沙河口三站位于水阳江右岸，处于水阳江中游，距离宣城水文站13.25 km。排灌主要受水阳江水位控制。当水阳江水位高于圩内水位时，采取抽排，当水阳江水位低于圩内水位时，采取自排[1]。

根据施工组织设计，施工期安排在11月—次年4月，施工导流标准选用重现期为5 a一遇，经水文分析：宣城站水位为13.66 m，新河庄水位为9.78 m，推算出沙河口三站泵站处水位为12.30 m。

2.2 工程地质

根据勘察成果，沙河口三站站址土层自上而下为：0层(Qs)：人工填土，层厚1.60～8.70 m，层底高程6.95～9.26 m；①层(Q4al)：重粉质壤土，层厚0.90～2.90 m，层底高程5.79～6.80 m；②层(Q4al)：淤泥质中粉质壤土，层厚1.70～3.10 m，层底高程3.16～4.42 m；③层(Q4al)：细砂，层厚1.40～2.90 m，层底高程0.99～2.80 m；④层(Q2al)：砂砾卵石，仅部分钻孔钻穿，揭露最大厚度4.40 m，最低层底高程-2.15 m；⑤层(K)：全～强风化泥质粉砂岩～泥岩，此层各孔均未揭穿，揭露最大厚度3.40 m，揭露最低层底高程-6.58 m。

3 工程布置

该站泵房设计为湿室型堤后式，为增强结构的整体性和抗震稳定性，减少结构不均匀沉降，将主、副厂房布置在一个分缝段上(即为一个底板)。主泵房内安装有3台700ZLB-100 立式轴流泵，配3台YL355M-8型电动机，单机功率160 kW，长13.00 m，宽7.00 m，右侧设检修间。主泵房出水侧设压力水箱，压力水箱底层为自排、自灌引水通道，上层为抽排水流通道；压力水箱末端与控制段连接。压力水箱内侧段顶面布置副厂房，长13.00 m，宽5.50 m，副厂房内布置电气柜、控制台及变压器等。因此，泵房底板顺水流方向为17.60 m，长为7.00 m，底板顶面高程设计为5.70 m，厚为0.60 m。控制段顺水流方向为8.00 m，底板顶面高程从5.70 m抬高到8.20 m，与穿堤涵洞相接[2]。

4 基础处理、原因分析和方案选择

4.1 基础处理

沙河口三站站址处地层主要为第四系全新地层(Q4al)，站身基建面表层为淤泥质中粉质壤土，层厚 1.70～3.10 m，渗透系数为2.0×10-6m/s，其下为强透水③层细砂，层厚0.99～2.80 m，渗透系数为5.0×10-3m/s；下卧层为强透水性的砂砾卵石层，渗透系数为5.0×10-2m/s，地层同样呈明显的多元结构。设计考虑③层细砂层为强透水层，站基下采用水泥土换填，渗透系数按4.0×10-6m/s计。换填范围为泵房、汇水箱及控制段一半(顺水流为22.00 m，长为16.00 m)，基坑采取降水井降水。要求将泵房基底淤泥层全部清除，换填水泥土平均厚度为1.50 m，水泥掺入重量比为8%，填筑压实度不小于0.95，干容重不小于15.5 kN/m2。

2017年3月该工程准备泵房基础施工时，采取6口直径300 m降水井降水，井内水量不足，基坑降水不明显。设计人员到现场后，提出增加降水井数量，由原来的9口增加到12口；加深水井，由原来的6 m增加到9 m；调整井筒外回填的反滤料，由原来的三级配调整为一级配即瓜子片。但井内水量依然不足，基坑降水仍不明显。局部挖探坑观察，水量较大，流砂明显，基坑水位基本与外江水位持平(5.50 m左右)。

4.2 原因分析

该工程站址处地质报告揭示，泵房基础处于淤泥质中粉质壤土之中，该层软塑状，承载力较低。下层为细砂层，渗水性强，流动性较大，俗称为“流砂”层。由于“流砂”吸附于井壁四周，堵塞反滤料和无砂管，形成护壁层，该护壁层渗流量较小，致使井内水量不足，基坑降水水明显。无法形成无水状态下的基坑施工要求。

4.3 方案选择

对软弱基础处理的方法较多，均有成熟的施工方案，如换填水泥土或砂卵石、桩基处理、高压摆喷围封等处理。由于桩基和高压摆喷围封处理错过了最佳施工期(11月至次年2月)，施工、保养和检测时间较长，无法满足该工程主汛期完成水下部分的要求。采取砂砾料回填，受当时水阳江水位影响(内外水位基本持平，水位在5.5 m左右)，砂砾料回填后，基坑水位高于建基面(5.10 m)，降水仍无法解决，不能保证基坑在无水状态下施工。为保证按期完成任务，后改为换填混凝土方案[3]。

其优点：①无需降水，施工简单，施工期短，淤泥清除后，即可施工，能够满足工期要求。②可在水下施工，使内外水平衡，使“流砂”不流，减少渗流破坏。③可保证基坑无水状态下施工，水下混凝土回填后，距水面仅40 cm左右，基坑四周可用作土袋作简易排水堤(坝)，保证基坑内无水，基坑外水位维护不变，以满足基坑施工要求。④从工程成本上来看，混凝土高于水泥土费用，而水泥土换填基坑降水成本大、要求高，基础处理总费用基本持平。

5 水下混凝土施工

5.1 施工准备

组织三台1 m3反铲挖掘机和两台1 kW潜水泵；修筑4.0 m宽下坡道(9.0 m)到基坑平台(6.0 m)；清理基坑外临时堆土场地，准备好拦挡材料和器材；与混凝土供应商签订混凝土供应协议，明确C20混凝土配合比，要求一次性连续不断地保障混凝土供应到位，由于混凝土拌和站与工地距离在10 km左右，要求10 m3混凝土搅拌车不少于8辆，混凝土输送泵车一台；准备两条小船，用于混凝土施工；同时，密切关注天气状况，选择晴好天气施工。

5.2 基坑开挖

用一台1 m3反铲挖掘机开挖基坑，两台挖掘机外翻到临时堆土区。淤泥层开挖时，尽可能保持基坑水位不变或略高于水阳江水位，根据基坑四周稳定情况，适当提高基坑内水中的泥浆浓度，以起到固壁作用(由于淤泥层为重粉质壤土，没有备用黏土，调节泥浆浓度只需挖掘机开挖时多加搅拌即可)。一次性开挖至砂卵石层表面，开挖出的淤泥采取2台挖机倒转的方式，挖至基坑外30 m处的临时堆土区(由于本工程土源紧张，开挖出的土，后期用于进水闸两侧的回填土)，不得堆放在基坑周边，适当降低基坑周边土层高度，以减轻周边的土层压力，并做好拦挡。如作为弃土，需运至弃土场或用于附近填塘固基。

5.3 混凝土浇筑

施工前，对基坑底部进行复测，达到设计要求后，采取泵送混凝土施工。本工程输送泵直接插入基坑底部，混凝土达一定高程后(插入点处高于设计高程30～50 cm)，再采取人工辅助移动(每条小船上两人)至泵送下一点，在混凝土输送过程中，要始终保证输送口在混凝土内。泵送混凝土结束后，安排人工坐船将插入式振动器横放在混凝土表面振动，以达到整平、密实的目的。由于本工程换填深度不大，采取的人工辅助方式浇筑。如基坑较深，可采取搭设支架，下导管分片浇筑的方式进行。

6 结 语

原沙河口三站在此修建时，由于“流砂”作用导致泵房两次倒塌(在本站施工开控时，均发现两次倒塌的痕迹)，最后，不得不将站址向圩内平移100 m处修建，因此，当地流传“此处不能建站”的说法。泵房建成后，经观测，沉降在10～20 mm，满足规范要求，置换后的混凝土检测结果达到C20要求。水下混凝土的施工，打破了“不能在此修建泵站”的说法，该工程已于2017年12月全部完工，经过2018年、2019年汛期考验，经检测，各项指标均已达到设计要求，已交付使用，发挥排灌作用。该站能按期完成，得益于：一是适时的水阳江水位(施工时水阳江水位较低)；二是先进的施工设备(机械取代人工)；三是完善施工组织，直接水下施工；四是设计、建设和施工单位的组织协调管理。