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摘要: 在水闸工程中选择适合的软基处理方法，能够提高水闸基础施工的质量，以保证其他工序的顺利进行。采用粉喷桩处理软土地基,对提高软土地基承载能力、减少地基的沉降量具有明显的效果。
关键词:水闸；软基处理；粉喷桩；设计与施工
水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工构筑物，由于水闸多设于河道、渠系及水库边，经常会遇到软基情况，容易出现质量问题，下文就水闸施工中的软基处理问题作一些探讨。
一、软土地基上水闸的特点和问题
1.软土地基上的水闸具有的特点
(l)软土地基的压缩性大，承载能力低，抗冲能力差，细砂容易液化，在闸室自重及外部荷作用下，地基可能产生较大的沉降或沉降差，造成闸室倾斜，止水破坏，闸底板断裂甚至发生塑性破坏引起水闸失事。
(2)水闸在泄流时，尽管流速不高，但水流仍具有一定的剩余能量，而土基的抗冲能力较低，可能引起水闸下游的冲刷，此外水闸下游常出现的波状水跃和折冲水流，将会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。同时，由于闸下游水位变幅大，闸下出流可能形成远驱水跃，临界水跃甚至淹没度较大的水跃，因此消能防冲设施要在各种运行情况下都能满足设计要求。
（3)土基在渗水流作用下，容易产生渗透变形，特别是粉、细砂地基，在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌。
2.软土地基上的水闸设计和施工应注意的问题
(l)选择好适宜闸址。
(2)选择与地基条件相适应的闸室结构形式，保证闸室及地基的稳定。
(3)做好防渗设计，特别是上游两岸连接建、构筑物及其连接部分，要在空间上形成防渗整体。
(4)做好消能、防冲设计，避免出现危害性的冲刷。
（5）选择适合的软基处理和施工方法，高质量的完成水闸基施工。
二、水闸施工中软基处理方法及相应问题处理
在水闸施工中对软基处理的方法有很多，如钢筋硷灌筑桩、碎石振冲桩、粉体喷射搅拌法等，每一种处理方法都有自己的特点，现以一实例来说明粉体喷射搅拌法在水闸软基处理中的应用及相应问题的处理。
1．工程概况
某工程位于两河交界，距离河口处100m，闸室为单孔8节制闸，抽水站为流量为12m3/s,选用4台40ZLB-125型轴流泵，配套功率为720Kw。闸站一字型布置，分底板。闸室底板顺水流方向长10m，底顶高0.00m(吴淞高程系，以下同)，上游闸室高6.00m，下游闸室高5.00m。抽水站底板顺水流方向长11.0m，垂直水流方向长16.2m，四跨。上游翼墙为八字型翼墙，顶高6.00m，挡墙为扶臂式钢筋结构，下游翼墙为钢筋混凝土悬臂式挡墙，顶高5.00m。
工程位于某冲积平原上，揭露的地层均为冲积、淤积层，具有较为典型的河流相冲淤积地层特征(即颗粒质结构大致呈上细下粗)，从钻探资料所揭示的地层来看，闸站底板以下地层分布如下:
（1）层素填土：灰色，松散；以粘性土为主，河道内为厚约0.6m的淤泥。厚度:1.00-2.40m,平均1.70m;层底标高:1.84-3.01m,平均2.30m;层底埋深:1.00-2.40m,平均1.70m。该层土全场分布，土质不均，工程性能差。
（2）层淤泥质粉质粘土：据静力触探曲线资料表明,厚度:13.00-14.70m,平均13.83m;层底标高:-11.69--11.14m,平均-11.53m;层底埋深:15.00-15.90m,平均15.53m。静力触探比贯入阻力Ps=0.657MPa，地基承载力容许值f=60KPa，压缩模量Es=3.0Mpa，高压缩性土。该层土全场分布，工程性能很差。
（3）层粉质粘土：据静力触探曲线资料表明，层底埋深大于17.00，厚度大于4.00m。靜力触探比贯入阻力Ps=1.84MPa，地基承载力容许值f=140KPa，压缩模量Es=5.5Mpa，中压缩性土。该层土工程性能中等，本次勘察未穿透。
场地地下水有两种类塑。①、②层地下水为潜水，水位高低主要受大气降水、河水位影响，雨季稍高，约18～19m。③层以下地下水具有承压性，第二层重粉质壤土为完整的隔水层，据大范围地质钻孔资料分析，该层含水与河槽不直接连鱼，地下水位主要受潜水越流补给，地下水位约17.5～18m。
2．地基处理设计
(l) 设计时应考虑的问题
1)分析地质资料。设计之前应充分了解外业勘察所取得的资料,特别应了解软土层的厚度,分层情况,埋置深度,承载力。2)软土层上构筑物的要求。要根据构造物的类型和所需的承载力,沉降量进行综合分析,以便确定桩的布置情况。3)持力层的选择,桩长的确定。粉喷桩的桩长要根据计算确定,应尽量选择天然承载力较高的土层作为持力层,但是由于桩的轴向应力在桩的上部3倍～5倍范围内比较集中,以下收敛较快,当桩具有一定的长度时(一般大于8 m),则桩端持力层对单桩承载力影响很小。桩长与桩身强度,置换率,天然地基承载力有直接的关系,因此要进行综合考虑。4)固化剂掺量及桩体强度的设计。在一定的荷载下,一般来说固化剂掺入越多,桩身强度越大,灰土置换率越高,复合地基承载力是由桩体和桩周土强度共同决定的。
(2) 确定方案
闸室、泵房及上下游翼墙均座落于第一层淤质土层上，天然地基承载能力仅60Kpa，而它们的基底承压力分别达到了100Kpa、110Kpa和200Kpa，显然需采取加固措施设计中曾考虑了钢筋混凝土灌注桩、碎石振冲桩和粉体喷射搅拌法等方案，认为采用灌注桩需钻穿第三层隔水层，引起该区域水文地质条件变化，给以后的管理运行带来复杂的不稳定因素；采用碎石振冲桩虽可解决承载力问题，但其抗渗性能差，易产生渗透变形，而本闸防洪期持水水头差又较大，粉体喷射搅拌法不仅可以提高地基承载力，抗渗性能好，而且造价低，只要严格按设计要求控制进尺、喷粉量，采用全程复搅使桩身均匀，同时解决好桩底水泥土与下卧硬土层的结合问题，该方案完全可以满足水闸的承载力和沉降要求。
(3)设计计算
根据搅拌桩的作用机理可知，所形成的水泥土桩体与桩周土组成复合地基共同承担建筑物荷载，由于二者刚度相差较大，桩体与桩间土如何分担建、构筑物荷载是较为复杂的问题，目前，可按下列经验公式计算:
Fsp.k=Rk.m/Ap+β(1-m)fsk
Esp.k=[l+m(n-1)]Esk
式中:fsp.k—复合地基承载力标准值(kpa)
fsk—桩间土承载力标准值(kpa)
m—桩土置换率
Ap—水泥土桩体横截面积(m2)
β—桩间土承载力拆减系数，桩间为硬土可取0.1～0.4
Rk—单桩竖向承载力(KN)
Esp.k—复合地基压缩模量(Mpa)
Esk—桩间土压缩模量(Mpa)
N—桩土应力比
通过计算，闸室底板、岸墙及上游翼墙桩土置换率分别为0.196、0.348和0.40，均采用正方形布置，桩径0.5m，桩距依次为1.0m、0.75m和0.70m。考虑到水闸岸墙及引堤超载影响，为减少岸墙后引堤超载引起的后仰沉降量，岸墙后另布置三排护桩，其他结构底板轮廓外布置一排护桩。
3．施工控制
粉体喷射搅拌法地基加固技术成本低、工效快，曾大量应用于工民建工程，后因其喷粉量、搅拌均匀性等不易控制，一般重要建、构筑物特别是水平荷载较大的水利工程均不再推荐采用。
关键词:水闸；软基处理；粉喷桩；设计与施工
水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工构筑物，由于水闸多设于河道、渠系及水库边，经常会遇到软基情况，容易出现质量问题，下文就水闸施工中的软基处理问题作一些探讨。
一、软土地基上水闸的特点和问题
1.软土地基上的水闸具有的特点
(l)软土地基的压缩性大，承载能力低，抗冲能力差，细砂容易液化，在闸室自重及外部荷作用下，地基可能产生较大的沉降或沉降差，造成闸室倾斜，止水破坏，闸底板断裂甚至发生塑性破坏引起水闸失事。
(2)水闸在泄流时，尽管流速不高，但水流仍具有一定的剩余能量，而土基的抗冲能力较低，可能引起水闸下游的冲刷，此外水闸下游常出现的波状水跃和折冲水流，将会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。同时，由于闸下游水位变幅大，闸下出流可能形成远驱水跃，临界水跃甚至淹没度较大的水跃，因此消能防冲设施要在各种运行情况下都能满足设计要求。
（3)土基在渗水流作用下，容易产生渗透变形，特别是粉、细砂地基，在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌。
2.软土地基上的水闸设计和施工应注意的问题
(l)选择好适宜闸址。
(2)选择与地基条件相适应的闸室结构形式，保证闸室及地基的稳定。
(3)做好防渗设计，特别是上游两岸连接建、构筑物及其连接部分，要在空间上形成防渗整体。
(4)做好消能、防冲设计，避免出现危害性的冲刷。
（5）选择适合的软基处理和施工方法，高质量的完成水闸基施工。
二、水闸施工中软基处理方法及相应问题处理
在水闸施工中对软基处理的方法有很多，如钢筋硷灌筑桩、碎石振冲桩、粉体喷射搅拌法等，每一种处理方法都有自己的特点，现以一实例来说明粉体喷射搅拌法在水闸软基处理中的应用及相应问题的处理。
1．工程概况
某工程位于两河交界，距离河口处100m，闸室为单孔8节制闸，抽水站为流量为12m3/s,选用4台40ZLB-125型轴流泵，配套功率为720Kw。闸站一字型布置，分底板。闸室底板顺水流方向长10m，底顶高0.00m(吴淞高程系，以下同)，上游闸室高6.00m，下游闸室高5.00m。抽水站底板顺水流方向长11.0m，垂直水流方向长16.2m，四跨。上游翼墙为八字型翼墙，顶高6.00m，挡墙为扶臂式钢筋结构，下游翼墙为钢筋混凝土悬臂式挡墙，顶高5.00m。
工程位于某冲积平原上，揭露的地层均为冲积、淤积层，具有较为典型的河流相冲淤积地层特征(即颗粒质结构大致呈上细下粗)，从钻探资料所揭示的地层来看，闸站底板以下地层分布如下:
（1）层素填土：灰色，松散；以粘性土为主，河道内为厚约0.6m的淤泥。厚度:1.00-2.40m,平均1.70m;层底标高:1.84-3.01m,平均2.30m;层底埋深:1.00-2.40m,平均1.70m。该层土全场分布，土质不均，工程性能差。
（2）层淤泥质粉质粘土：据静力触探曲线资料表明,厚度:13.00-14.70m,平均13.83m;层底标高:-11.69--11.14m,平均-11.53m;层底埋深:15.00-15.90m,平均15.53m。静力触探比贯入阻力Ps=0.657MPa，地基承载力容许值f=60KPa，压缩模量Es=3.0Mpa，高压缩性土。该层土全场分布，工程性能很差。
（3）层粉质粘土：据静力触探曲线资料表明，层底埋深大于17.00，厚度大于4.00m。靜力触探比贯入阻力Ps=1.84MPa，地基承载力容许值f=140KPa，压缩模量Es=5.5Mpa，中压缩性土。该层土工程性能中等，本次勘察未穿透。
场地地下水有两种类塑。①、②层地下水为潜水，水位高低主要受大气降水、河水位影响，雨季稍高，约18～19m。③层以下地下水具有承压性，第二层重粉质壤土为完整的隔水层，据大范围地质钻孔资料分析，该层含水与河槽不直接连鱼，地下水位主要受潜水越流补给，地下水位约17.5～18m。
2．地基处理设计
(l) 设计时应考虑的问题
1)分析地质资料。设计之前应充分了解外业勘察所取得的资料,特别应了解软土层的厚度,分层情况,埋置深度,承载力。2)软土层上构筑物的要求。要根据构造物的类型和所需的承载力,沉降量进行综合分析,以便确定桩的布置情况。3)持力层的选择,桩长的确定。粉喷桩的桩长要根据计算确定,应尽量选择天然承载力较高的土层作为持力层,但是由于桩的轴向应力在桩的上部3倍～5倍范围内比较集中,以下收敛较快,当桩具有一定的长度时(一般大于8 m),则桩端持力层对单桩承载力影响很小。桩长与桩身强度,置换率,天然地基承载力有直接的关系,因此要进行综合考虑。4)固化剂掺量及桩体强度的设计。在一定的荷载下,一般来说固化剂掺入越多,桩身强度越大,灰土置换率越高,复合地基承载力是由桩体和桩周土强度共同决定的。
(2) 确定方案
闸室、泵房及上下游翼墙均座落于第一层淤质土层上，天然地基承载能力仅60Kpa，而它们的基底承压力分别达到了100Kpa、110Kpa和200Kpa，显然需采取加固措施设计中曾考虑了钢筋混凝土灌注桩、碎石振冲桩和粉体喷射搅拌法等方案，认为采用灌注桩需钻穿第三层隔水层，引起该区域水文地质条件变化，给以后的管理运行带来复杂的不稳定因素；采用碎石振冲桩虽可解决承载力问题，但其抗渗性能差，易产生渗透变形，而本闸防洪期持水水头差又较大，粉体喷射搅拌法不仅可以提高地基承载力，抗渗性能好，而且造价低，只要严格按设计要求控制进尺、喷粉量，采用全程复搅使桩身均匀，同时解决好桩底水泥土与下卧硬土层的结合问题，该方案完全可以满足水闸的承载力和沉降要求。
(3)设计计算
根据搅拌桩的作用机理可知，所形成的水泥土桩体与桩周土组成复合地基共同承担建筑物荷载，由于二者刚度相差较大，桩体与桩间土如何分担建、构筑物荷载是较为复杂的问题，目前，可按下列经验公式计算:
Fsp.k=Rk.m/Ap+β(1-m)fsk
Esp.k=[l+m(n-1)]Esk
式中:fsp.k—复合地基承载力标准值(kpa)
fsk—桩间土承载力标准值(kpa)
m—桩土置换率
Ap—水泥土桩体横截面积(m2)
β—桩间土承载力拆减系数，桩间为硬土可取0.1～0.4
Rk—单桩竖向承载力(KN)
Esp.k—复合地基压缩模量(Mpa)
Esk—桩间土压缩模量(Mpa)
N—桩土应力比
通过计算，闸室底板、岸墙及上游翼墙桩土置换率分别为0.196、0.348和0.40，均采用正方形布置，桩径0.5m，桩距依次为1.0m、0.75m和0.70m。考虑到水闸岸墙及引堤超载影响，为减少岸墙后引堤超载引起的后仰沉降量，岸墙后另布置三排护桩，其他结构底板轮廓外布置一排护桩。
3．施工控制
粉体喷射搅拌法地基加固技术成本低、工效快，曾大量应用于工民建工程，后因其喷粉量、搅拌均匀性等不易控制，一般重要建、构筑物特别是水平荷载较大的水利工程均不再推荐采用。