泵站复合地基处理缺陷的综合补救措施的探讨

2020-06-10史学哲

治淮 2020年4期

史学哲

（安徽省水利水电勘测设计总院有限公司合肥 230022）

1 引言

水工建筑物复合地基处理不能满足设计要求，甚至完全失败的案例并不少见，往往需要更多的时间和经济成本进行加固补救，甚至重新处理。比如地基防渗处理设计方案不合理，渗透稳定效果不达标，则需要另行选择其他防渗措施；或者软土地基处理施工工艺控制不严，导致承载力不能满足设计要求，需要采取补桩或者推翻原处理方案。由于大部分缺陷在地基处理工程接近尾声时显现或后期检测过程中发现，此时基坑开挖基本成型，有些相邻建筑物已经完工，工期较紧迫，若选择重新施工或改变复合地基类型，可能影响范围广，实施难度大，据此可以考虑采用对现有条件影响较小的综合补强措施予以解决。本文拟结合某中型泵站复合地基处理失效后的补救方法，来说明地基处理的加固补强的设计思路、设计方法和设计效果。

2 工程概况

案例泵站位于安徽省滁州市，泵站排涝承泄区为清流河，设计抽排流量为26.0m3/s，总装机2800kW，枢纽工程等别为Ⅲ等，属中型泵站。泵站沿中心线顺水流向依次布置有进水闸、前池、泵房、汇水箱、穿堤涵洞以及出口防洪闸等建筑物。

泵站采用堤后式干室型泵室，设5 台1400ZLB 轴流泵机组，平面上呈一列式布置。站身平面根据机组数量及流道长宽决定，总宽度31.5m，顺水流向总长20.0m；泵房立面根据部位和功能分层，泵室流道层底板底高程-0.10m，检修层顶高程10.5m，主厂房顶高程20.0m，则下部泵室高10.6m，上部厂房高9.5m。

2.1 地质条件

站址区广泛分布为第四系全新统及晚更新统淤积-冲积-洪积层，厚度达20m 以上，其岩性：上部主要为第四系全新统（Q4al-l）重粉质壤土、淤泥质粉质粘土和晚更新统（Q3pl）含砾中粗砂地层，下伏基岩为白垩系（K）泥质砂岩。泵站主要建筑物基本坐落于③层淤泥质粉质粘土上（出水涵和汇水箱坐落于②层重粉质壤土上，厚约2.0m），③层土呈流塑～软塑状，高压缩性，含水量大，建基面以下厚度在12.0～18.0m。地基土层分布及各土层物理力学特性如图1。

2.2 地基处理

站身在非运行期上下游低水位时基底应力最大，σmax=112.6kPa，σmin=92.6kPa。建基面以下淤泥质粉质粘土承载力仅70kPa，标贯击数2.9 击。为避免站身基础直接座落于淤泥质粉质粘土层上可能会产生地基剪切破坏导致站身倾覆、下沉，或者产生较大的沉降（差），导致泵站无法正常运行，设计采用混凝土管桩进行复合地基处理。

图1 站身地质横剖面图及土层物理力学特性图

管桩为预应力高强混凝土管桩（PHC 桩），直径为0.4m，桩距2.5m×2.55m，桩底以进入④含砾中粗砂层1.0m，平均桩长12.5m，桩顶设置0.5m 厚水泥土垫层。计算得单桩承载力Ra=403.2kN，复合地基承载力fspk=121.1kPa。

3 基坑边坡失稳对地基影响及应急处理措施

3.1 基坑边坡滑动情况及对管桩复合地基的影响

2018年12月，工程在全部管桩施工完成、基坑开挖至设计高程进行桩头处理过程中，基坑东侧边坡出露的淤泥质土层出现向坑内滑突现象，施工单位进行了清除，但后期滑突现象加剧，停止对基坑的土体的清除，并及时对边坡上部填土进行了卸载处理，保证了边坡的稳定，控制了进一步滑动的趋势。

后经参建各方现场勘察，基坑自东向西约2/3被滑出土体覆盖，高度约2.0m，顶高程约为1.4m，泵房基坑左侧坡面及坡顶已经进行了大范围卸载，滑坡上口位于坡顶，坡顶高程约为13.0m。检查发现，站身中心线以东及前池近站段翼墙基底已实施管桩（约48 根）全部大角度倾倒，不具承载能力，以西（约46 根）则基本完好。同时受扰动的淤泥质土呈流塑状仍缓慢向基坑侧蠕变。

3.2 复合地基失效后的综合加固措施

从基坑边坡的滑动情况及对复合地基造成的影响可知：（1）不管是地基补强还后续工程施工，都需要尽快解决边坡持续滑动问题；（2）需要结合地基现状和上部结构型式采取适当的措施保证地基满足上部建筑安全运行。考虑到基坑内已倒伏的管桩方向和位置不确定，基坑淤泥质土膨出，若重新回填平台补桩，重型机械无法进出及施工，补桩（包括其他桩型）工作实施困难。为保证泵站按既定工期完成、汛前具备排涝抽水能力，应尽快控制边坡滑动，采取工期短、见效快的方案进行地基补强处理及上部结构优化调整。

站身尚有西侧一半管桩完好，考虑现状条件，结合泵站结构型式、施工单位根据经验提出的建议，补强加固主要从以下三个方面入手：（1）维持临时边坡稳定，保证后续施工安全；（2）补强加固复合地基，提高扰动地基承载力，（3）优化站身底板结构，减小基底应力。

3.2.1 边坡抗滑处理

随着边坡卸载持续进行，边坡暂无大幅滑动的风险，但是由于地基为深厚淤泥土，理论计算滑弧面较深（管桩完全推倒），受扰动土呈流塑状，坡面缓慢向基坑蠕变，影响后续施工。因此需继续放缓边坡并对坡脚进行加固，增加边坡抗滑稳定性。根据稳定复核计算，综合坡比应不陡于1∶4，同时结合地基补强，对站身复合地基已破坏部分利用拆除的块石进行挤淤换填，换填厚度不小于2.0m，并采用混凝土灌砌，上部设置1.0m 厚钢筋混凝土垫层，在坡脚形成刚性阻滑体，并提高被扰动后的浅层地基承载力。块石换填位置和范围见图2。

3.2.2 底板结构优化

考虑受滑坡影响，站身管桩复合地基一多半已失效，虽经块石换填，但由于加固深度有限，难以达到设计承载要求，因此仍然需要对站身底板结构进行优化，以期减小基地应力。

原设计站身底板与前池底板设置平缝，考虑本次对前池地基全数进行注浆加固，地基具备一定承载力，将站身进口中间墩墙底部1.5m 高度向前池悬出1.0m，压在前池底板之上、翼墙前趾与前池底板齿状搭接，用前池底板分担站身及左侧翼墙上部荷载，减小基地应力和建筑物沉降。站身及前池翼墙与底板搭接方式见图2。为提高前池底板相对整体性，保证受力均匀，避免板间错位，共同分担站身传递荷载，在前池底板分缝间设置拉结钢筋。

3.2.3 复合地基补强

由于滑坡后的施工场地不适合补桩所需的重型机械进入，施工单位根据以往工程经验提出了注浆加固的方案，对破坏的原管桩复合地基进行加固处理。

注浆加固就是将某些能固化的浆液注入地基土层中，通过渗透、充填、挤压、置换等方式以改善其物理力学性质达到防渗、堵漏、加固和纠偏等目的。一般注浆加固是采用水泥浆通过预埋的注浆管灌入并挤向土体，在管端附近形成浆泡，浆体取代土体，并压缩邻近土体产生弹塑性变形，增加土的密度；同时水泥浆在较大的压力下渗入土体孔隙至出现剪切裂缝，产生劈裂，浆液随之充填形成浆脉，随着管口抬升，由串柱状浆泡和网状浆脉构成了新的复合地基，提高了软土地基的承载力。注浆加固原理见图3。

图2 地基换填布置及上部结构优化图

注浆加固作为新建水工建筑物软土地基处理措施，在水利工程中尚未得到广泛使用，其主要原因是缺乏理论依据和工程经验，注浆的指标、设备、工艺参数的选用、注浆成果的检测，都带有一定的盲目性和随意性，注浆效果及经济性不明确。因此在地基处理工程中主要作为一种辅助措施和既有建筑物加固措施。

根据施工方案，水泥浆液采用PO42.5 普通硅酸盐水泥拌制，按现场试验结果，水灰比0.6 左右，掺入适量早强剂。灌浆范围：块石换填区站身底板下方、底板东、北、西向自板边缘向外6.0m 宽范围内以及汇水箱底部，灌浆深度8.0m；站身东侧及前池底板范围内，自建基面向下灌浆深度10.0m。外围灌浆目的是形成一定的围封，阻止地基上部软土在长期受荷状态下向外蠕动，从而减少地基后期沉降量。由于灌浆深度不大，灌浆盖重板采用压实水泥土，厚度0.5m，范围至边缘灌浆孔以外2.0m，水泥掺入比12%。底板块石换填部位施工完毕后预埋入镀锌钢管，出露于底板顶面，作为后期泵房东西沉降差较大时用于纠偏。注浆孔孔距为2.5m，采取梅花型布置，当钻孔遇到倾倒的管桩时，适当移动孔位。

图3 注浆加固原理图

3.3 各补强加固方案原理及效果分析

（1）放缓边坡、增加底部土体抗剪强度，符合一般边坡抗滑治理的基本原则。事实证明，随着边坡逐渐放缓，底部块石换填及钢筋混凝土垫层完成并具备一定的强度后，边坡滑移的趋势基本被遏制，为后续抢工赢得了时间。

（2）站身基础以下、四周注浆和东侧基坑滑坡影响范围注浆，既形成了地基围封侧限，提高软土承载力，又减小了回填土边荷载对站基沉降影响。本次边坡滑动实际造成了泵站中心线移动站身底部管桩全部倾倒，而西侧管桩几乎不受影响，东侧刚性换填厚度近3.0m，西侧桩顶原设计0.4m 厚水泥土垫层换成0.5m 的混凝土垫层，使地基整体性增强，根据建成前后对周围地面观察无明显的隆起或其他破坏现象。

（3）站身及周边地基注浆利用土质固结增强和围封效果提高地基承载力，静载试验所得的地基承载力特征值达到130kPa，均大于站身基底应力。围封在一定程度上减小了淤泥质软土整体压缩性，加上西侧现存管桩复合压缩模量大、桩底含砾中粗砂强度高的特点，站身整体沉降可控。考虑站身东侧地基换填和注浆厚度未达软土底部，两侧地基应会存在一定的沉降差。泵站于2019年5月建成，沉降基本稳定，至今观测的累计沉降值：站身西侧不足10mm，东侧约60mm，平均沉降值不大，大部分沉降差发生在水泵机组安装完成前，经过安装过程中的泵轴调校抵消，目前泵站运行正常。