三仙湖水库下坝调节泵站工程桩基优化设计分析

冯 娟

(湖南建工集团有限公司，长沙 410004)

1 工程概况

三仙湖下坝泵站工程为闸站结合的综合枢纽工程，泵站补水设计流量16 m3/s，排水流量为38 m3/s，装机功率2 520 kW，泵站等别为Ⅲ等中型泵站。泵站设4台水泵，其中2台排水单向泵站，2台抽排相结合的双向泵站；原水闸拆除重建，与泵站结合一体化布置；泵站下游河道清淤工程河段为下坝至赤磊洪道，以提高泵站的取水保证率。

建设场地位于三仙湖下坝右坝端，属冲湖积堆积地貌单元，该处河谷宽约350 m，河底高程一般为26.70～27.30 m，大堤高程为36.80～39.20 m，地表水系发育。工程区主要揭露地层为第四系冲湖积堆积地层及人工填土层，自上而下依次为人工填土(Qs)、淤泥质粉质黏土(Q4al+l)、粉质黏土(Q4al+l)、壤土(Q4al+l)、细砂(Q4al+l)、粗砂(Q3al)、圆砾(Q3al)、粉质黏土(Q3al)、粗砂(Q3al)。各层物理力学性状差异较大，建议采用复合地基基础形式，复合桩基应穿过上部软弱土层，达到粗砂层或圆砾层。工程区土体主要物理力学指标见表1。

2 桩基原设计方案存在的问题

原设计采用桩径80 cm的C30混凝土钻孔灌注桩进行地基处理，钻孔灌注桩底高程统一为 2.00 m，以桩端深入粗砂层或圆砾层≥2.5 m为准。在施工过程中，首先根据原设计方案进行基坑开挖，当基坑开挖至高程 29.00 m左右时，基坑中出现多处流沙现象。根据现场踏勘情况，提出先采取井点降水措施，并指出桩基施工区地下水位高，下卧地层大部分为细砂层，原钻孔灌注桩方案施工难度大，如果采取泥浆护壁施工，钻孔灌注桩很难成桩。同时，由于基坑开挖工程实际施工进度较计划工期滞后2个月左右，如若将钻孔灌注桩泥浆护壁施工方式改为埋设护筒施工方式，基本不可能在计划工期前完成高程39.00 m以下部分施工。因此，需要对原钻孔灌注桩方案进行设计优化。

3 桩基优化设计

3.1 设计优化方案的提出

水泥粉喷桩：借助于粉喷桩机将水泥用压缩空气沿深度方向喷射至被加固的深层软弱地基中，通过对水泥和地基的强制搅拌混合，并吸收周围水分产生一系列物理化学反应，形成具有一定强度的水泥土桩，以加固软土地基。粉喷桩是介于刚性桩和柔性桩之间的一种桩型，具有施工简单、工期短、工程效益好、安全可靠、振动小、噪声低、加固效果良好等优点，在淤泥土、黏土、砂土等地基加固中得到广泛应用[1-3]。

预应力高强混凝土管桩(简称PHC管桩)：具有单桩承载力高、桩身混凝土强度等级高、抗弯性能良好、能适应复杂的地质条件、施工速度快、工期短、检测方便、地区适应性强、对环境污染小、成桩质量可靠和造价低等优点，现已广泛应用于水利工程，在软土地基应用亦有很多成功的经验[4-5]。

鉴于上述两种方法的优越性，本工程拟首先采用水泥粉喷桩和PHC管桩分别对泵站工程桩基进行优化设计。

3.2 水泥粉喷桩复合地基

本工程泵室基础尺寸为35 m×26.7 m，闸室基础尺寸为35 m×9 m，根据地质钻孔中揭示的工程区各土层状况和实际施工情况，粉喷桩桩径采用D=500 mm。考虑到该泵闸室、外江侧翼墙地基应力较大(泵室：σ平均=167 kPa；闸室：σ平均=137 kPa;翼墙：σ平均=183 kPa)，对不均匀沉陷有较严格的控制，布置桩基时采用纵横两个方向等距离矩阵型的桩式，同时考虑洞庭湖区闸基稳定和边荷影响，在基础轮廓范围以外设置3排保护桩。根据《粉体喷搅法加固软弱土层技术规范》(TB 10113-1996)，原则上粉喷桩应穿透软弱土层到达强度相对较高的土层，但粉喷桩长度不宜超过15 m，否则施工质量很难保证。同时结合建筑物沉降要求，粉喷桩桩端应深入细砂(Q4al+l)层≥0.5 m。

优化设计得到的水泥粉喷桩复合地基特征参数见表2。从表2中可知，最大基底应力均小于复合地基承载力特征值的1.2倍，平均基底应力均小于复合地基承载力特征值，均满足规范要求。各建筑物地基最大沉降量均小于150 mm，泵室及闸室地基最大沉降差小于20 mm，其余相邻建筑物部位的最大沉降差均小于50 mm，也满足规范要求，表明此方案合理可行。

表2 水泥粉喷桩复合地基优化设计参数

3.3 PHC管桩设计

采用预应力高强混凝土PHC管桩(AB型)，混凝土强度等级采用C80，外径400 mm，管壁厚95 mm，由PHC管桩承担全部竖向及水平荷载。根据地勘报告及地质钻孔图，桩基宜以粗砂层或圆砾层为持力层，设计桩底高程统一为1.00 m可满足要求。由于防渗底板下采用刚性基础时，桩沉降很小，而土体固结沉降相对较大，闸底板与地基土体有发生脱空的可能。同时，闸泵室基础PHC管桩数量多，对原地层会产生较大扰动，也容易形成渗透通道。综合考虑，若桩基采用PHC管桩，需增加对闸泵室基础采取垂直防渗处理措施，避免底板与土脱空产生渗透破坏。从工程区地质特点和工程造价考虑，本工程采用单排粉喷桩柱列式套接，防渗墙布置在闸站底板四周，形成封闭圈，粉喷桩桩径为50 cm，桩间距为40 cm，搭接厚度为30 cm，桩长为15 m。

优化设计得到的水泥粉喷桩复合地基特征参数见表3。从表3中可知，单桩水平承载力均小于设计承载力特征值，满足规范要求。同时，各个位置处的桩水平位移均小于规范要求的10 mm，表明此方案合理可行。

表3 PHC管桩优化设计参数

4 桩基设计变更方案比选

从工程量、安全性、工程造价、工期几方面对两种优化设计方案进行对比分析，结果见表4。从表4中可以看到，两种方案在安全上都能满足规范设计要求，粉喷桩比PHC管桩造价低133万元。但是PHC管桩工期上比粉喷桩快79 d，并且粉喷桩施工必须严格按照规范控制施工速度，不能过快，否则成桩质量难以保证，并且只能成桩28 d后才能进行检测。因此从安全、总工期、造价综合考虑，本次推荐采用直径400 mm的PHC管桩加固地基。最终确定的PHC管桩优化设计方案平面布置示意见图1。

表4 两种优化设计方案对比

图1 PHC管桩优化设计方案

5 结 语

针对三仙湖水库下坝调节泵站桩基工程在施工过程中遇到的问题，本文提出了水泥粉喷桩和PHC管桩两种优化设计方案以替换原有的钻孔灌注桩设计方案，并从工程量、安全性、工程造价和工期等多个方面进行了对比分析。通过综合考虑，最终决定采用桩径为400 mm的PHC管桩对泵站工程基础进行施工。研究成果可为类似工程的设计施工提供借鉴。