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【摘 要】湘江长沙综合枢纽工程为湖南省重点建设工程，鉴于三期工程混凝土施工强度高、混凝土生产工程量大，结合现场实际情况，需就近建立大型混凝土拌和系统用于本工程；通过多方论证，最终确定在坝址附近的蔡家洲上建立满足本工程的一套混凝土拌和系统；因蔡家洲为砂料冲积形成，且长期处于高水位浸泡，如何确保高水位软基上建立的大型混凝土拌和系统建筑的安全、稳定成为研究的关键。
通过结合本工程在高水位软基上建立混凝土拌和系统关键技术的研究，为类似工程设计、施工提供参考依据。
【关键词】 高水位 软基 混凝土 基础处理 技术研究
1 概述
湘江长沙综合枢纽工程是湘江干流9级开发规划当中的最下游一个梯级，坝址控制流域面积90520km2。枢纽工程位于湖南省会长沙市下游，距市中心仅20～30km，左右岸对外交通均非常便利。枢纽工程主要包括船闸、泄水闸、电站、坝顶公路桥、鱼道、护岸及发包人营地等，枢纽从左至右依次为左岸改移防洪大堤、左岸副坝及预留三线船闸、二线船闸、一线船闸、26孔净宽22m的低堰泄水闸、1孔净宽7m泄洪排污闸、电站厂房、蔡家洲副坝、20孔净宽14m的高堰泄水闸及右岸副坝等。
湘江长沙综合枢纽工程坝址由湘江的中洲——蔡家洲分为左右两汊，其中，左汊为主河床，右汊仅汛期过流；蔡家洲地处湘江江中心，长4.5km左右，宽约200～350m，高程约31.0m，其地质构造复杂，以细沙料为主。根据工程前期地勘文件，地质构造主要由粉质粘土（褐黄色，可～硬塑或可塑，厚度约2.2～8.2m，为冲洪积成因）和细砂（褐色、褐黄色，松散或稍密，局部分布于河床内，厚度一般为0.0m～12.0m，为冲洪积成因，含泥较多）组成；湘江河床水位随着月份的不同起起伏伏，湘江在此河段径流呈如下规律：从1月～6月份径流接近逐月递增，从7月～12月份来水递减，其中，坝址2年一遇洪峰水位为32.57m、5年一遇洪峰水位为33.73m、10年一遇洪峰水位为34.51m、20年一遇洪峰水位为34.88m；长沙地区多年平均风速2.4m/s；历年最大风速20.7m/s（1980年4月13日，10分钟平均风速），极端最大风速24.0m/s，历年最大风力9级；主导风向WN，其频率为24%；（1980年4月13日）多年平均最多风向为NW，其频率为17%。
目前，湘江长沙综合枢纽已进入三期工程施工阶段，该阶段电站厂房及左汊泄水闸工程合同工程量主要包含土石方开挖255.16万m3、土石方填筑87.27万m3（不含三期围堰工程）、混凝土浇筑55.75万m3、钢筋制作安装1.88万t。
鉴于三期工程混凝土施工强度高，混凝土生产工程量大，一期、二期工程设置的混凝土拌和系统无法满足施工强度要求；二期工程设置的拌和系统距离三期工程运距较远，而在三期工程施工阶段，无法避免需在高温、低温季节安排一定量的混凝土浇筑；因三期工程基坑开挖的砂砾石利用料将堆存于蔡家洲用于本工程后续工程施工，若利用一、二期拌和系统生产混凝土将增加骨料转运成本；因二期工程设置的混凝土拌和系统设置靠近周边村庄，在三期工程如此之高的情况下，将不分昼夜的进行混凝土生产，势必造成对周边环境的恶劣影响；综合以上原因、结合现场实际情况，需就近建立大型混凝土拌和系统用于本工程；通过多方论证，最终确定在坝址附近的蔡家洲上建立满足本工程的一套混凝土拌和系统。
因蔡家洲为砂料冲积形成，且长期处于高水位浸泡，如何确保高水位软基上建立的大型混凝土拌和系统建筑的安全、稳定成为研究的关键。
根据湘江长沙综合枢纽三期工程的施工内容及进度情况分析，三期工程主体混凝土约56万m3，其中高峰月生产强度达6.8万m3，混凝土拌和系统的小时生产能力约200m3。为满足生产强度要求，确定在蔡家洲上新建的混凝土拌和系统为HL240-2S4000L型，其小时生产能力达240m3；系统配备3个罐容600t粉煤灰/水泥罐等。
2 工程地质勘测
为进一步掌握蔡家洲混凝土拌和系统部位的工程地质情况，项目部于2012年2月委托湖南省勘测设计院对拌和楼及水泥罐基础区域选点2处分别进行了原状土荷载试验及钻孔取芯等，以验证其地质构造，并确定了各地质构造层承载力、各构造物物理性能等参数，具体参数如下：33.5m～35.0m高程为素填土，成分以粘性土为主，夹石英砂及少量卵石，稍湿、稍密，未完成自重固结，其允许承载力为40kPa；22.5m～33.5m高程为细沙，含少量粉砂及粘粒，飽和，松散-稍密，摇震反应强，允许承载力为120kPa；6.5m～22.5m高程为圆砾，粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%，次为泥质及中粗砂，其中泥质约占15%，卵石约占20%，卵石粒径在20～30mm，砂卵石矿物成分为石英，磨圆度好，分选性差，饱和，中密，允许承载力为350kPa；0.5m～6.5m高程强风化花岗岩，中粗粒斑状结构，块状构造，矿物成分由长石、石英、黑云母和白云母组成，岩石风化强烈，岩芯呈砂夹碎块状，岩质软，碎块锤击易碎，允许承载力为400kPa；-3.0m～0.5m高程为中风化花岗岩，中粗粒斑状结构，矿物构造，矿物成分由长石、石英、黑云母和白云母组成，岩石风化裂隙较发育，岩芯较完整，以短柱状、柱状为主，上部少量碎块状，岩性坚硬，锤击声脆，岩体基本质量等级为Ⅱ级，允许承载力为2500kPa。
拟建蔡家洲高水位软基上的混凝土拌和系统中的拌和楼基础上布置的拌和楼自重约500t，其自带的骨料储料仓满载时重约1200t，拌和楼基座尺寸为13.3m*11.0m（长度*宽度）；考虑基础偏心受力，副楼侧加宽1m，其余各边扩大2m，整板拌和楼基础按16.3m*15.0m（长度*宽度）进行设计。
通过对拌和楼基础建立计算模型，经受力计算确定的拌合楼基础地基设计承载力为137.3KPa；若拟建拌和楼地基不进行基础处理，将无法满足承载力要求。 3 地基处理
为了改善建筑物地基土体的力学性质，提高承载能力，增加抗滑稳定，减少压缩变形，水利水电工程常见的软基上地基处理方法主要有置换处理、密实处理、排水处理、胶结处理、钻孔灌注桩、振冲法、旋喷法、PHC桩（预应力高强混凝土空心管桩）加固法等。
根据蔡家洲地质勘测情况，为加快施工进度，项目部结合二期工程软基处理施工经验，在蔡家洲高水位软基上采取了PHC桩进行拌和楼基础地基加固处理。
PHC管桩按外径分为300mm、400mm、500mm、600mm、700mm等规格，单桩轴心受压承载力能达1000KN以上，实际施工时选取的管桩型号为PHC-400-AB-95（预应力高强混凝土空心管桩，桩外径为400mm，AB型，管桩壁厚95mm）；根据《桩基建筑规范》桩间距小于3D会造成承载力下降，为此，最小间距取3～3.5D以上，根据拌和楼主、副楼基础布置情况，拌和楼基础下设置了38根PHC-400-AB-95型管桩，其间距为2.0m、排距为2.5m；所有PHC桩施工完成后，要求桩顶嵌入基础混凝土内10cm。
本工程PHC桩施工质量按如下方法进行控制：
（1）PHC桩混凝土强度达到设计强度70%及以上方可起吊，达到100%方可运输；水平运输时，应做到桩身平稳放置，在吊运过程中应轻吊轻放，避免剧烈碰撞；运至施工现场的PHC桩应进行检查验收，严禁使用质量不合格及在吊运工程中产生裂缝的桩；
（2）当场地条件允许时，PHC桩宜单层堆放；当叠层堆放时，不宜超过5层；叠层堆放时，应在垂直于桩长度方向的地面上设置2道垫木，垫木应分别位于距桩端0.2倍桩长处；地层最外缘的桩应在垫木处用木楔塞紧；
（3）桩打入时应符合下列规定：
1）桩帽或送桩帽与桩周围的间隙应为5～10mm；
2）锤与桩帽、桩帽与桩之间应加设硬木、麻袋、草垫等弹性衬垫；
3）桩锤、桩帽或送桩帽应和桩身在同一中心线上；
4）桩插入时的垂直度偏差不得超过0.5%。
（4）接桩：
1）焊接接桩采用的焊条宜采用E43，并应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）要求；
2）接桩时，下节桩段的桩头宜高于地面0.5m；
3）下节桩的桩头处宜设导向箍；接桩时，上下节桩段应保持顺直，错位偏差不宜大于2mm；接桩就位纠偏时，不得采用大锤横向敲打；
4）桩对接前，上下端板表面应采用铁刷子清刷干净，坡口处应刷至露出金属光泽；
5）焊接宜在桩四周对称地进行，待上下桩节固定后拆除导向箍再分层施焊；施焊层数不得少于2层，第一层焊完后必须把焊渣清理干净，方可进行第二层施焊，焊缝应连续、饱满；
6）焊好后的桩接头应自然冷却后方可继续锤击，自然冷却时间不宜少于8min；严禁采用水冷却或焊好即施打；
7）雨天焊接时，应采取可靠的防雨措施。
（5）桩终止锤击的控制应符合下列规定：要求所有桩进入砂卵石层3～5m，并以最后三阵（每阵10锤）的贯入度小于30mm作为控制桩底持力层。
4 基础设计及施工
4.1 基础设计
（1）计算模型的建立
根据拌和楼基座尺寸，确定的拌和楼基础平面尺寸为16.3m*15.0m（基础长度*基础宽度）；将拌和楼主楼简化为一个竖向力P1，P1为主楼自重加上5个135m3骨料储备仓满载重量，计算值取17000KN；将水泥、煤灰罐简化为一个竖向力P2，4个罐体自重加上满负荷储料，计算值取4500KN；拌和楼设计总高度为35m，其中，支架下部高度为4.2m、封闭段高度为30.8m，根据长沙地区风速统计情况，楼体尚且受到风荷载影响；依据《水利水电工程施工组织设计手册》第五卷《结构设计》，计算确定拌和楼上的风荷载P3为168KN；拌和楼基础布置及受力简图，如下：
（2）地基承载力的复核
由于拌和楼基础为偏心受压，计算时仅考虑最不利荷载组合进行分析，最不利的荷载组合为：① P2=4500KN，P1=17000KN，P3从P2方向垂直于P1；② P2=500KN，P1=17000KN，P3从P2方向垂直于P1。
①荷载组合①计算
F=P1+P2=17000+4500=21500KN
G=A×20×d=16.3×15×25×2=12225KN
M=P1×1.65-P2×5.35+P3×19.6=7262kN*m
W=bh×h×1/6，这里为W=0.16667×16.3×16.3×15=644.23m3
pmax=（F+G）/A+M/W=（21500+12225）/（16.3×15）+7262/644.23=148.9kPa。
②荷载组合②计算
F=P1+P2=17000+500=17500KN
G=A×20×d=16.3×15×25×2=12225KN
M=P1×1.65-P2×5.35+P3×19.6=28662KN*m
W=bh×h×1/6，这里为W=0.16667×16.3×16.3×15=644.23m3
pmax=（F+G）/A+M/W=（17500+12225）/（16.3×15）+28662/644.23=164.7KPa。
pmin=（F+G）/A+M/W=（17500+12225）/（16.3×15）-28662/644.23=78.4KPa
根據以上2种最不利荷载计算，得出，地基需要承载力pmax为164.7KPa。
根据规范要求，如果地基承载力设计值f是按静荷载试验或规范表格确定的，则尚应满足以下附加条件：pmax≤ 1.2f
通过结合本工程在高水位软基上建立混凝土拌和系统关键技术的研究，为类似工程设计、施工提供参考依据。
【关键词】 高水位 软基 混凝土 基础处理 技术研究
1 概述
湘江长沙综合枢纽工程是湘江干流9级开发规划当中的最下游一个梯级，坝址控制流域面积90520km2。枢纽工程位于湖南省会长沙市下游，距市中心仅20～30km，左右岸对外交通均非常便利。枢纽工程主要包括船闸、泄水闸、电站、坝顶公路桥、鱼道、护岸及发包人营地等，枢纽从左至右依次为左岸改移防洪大堤、左岸副坝及预留三线船闸、二线船闸、一线船闸、26孔净宽22m的低堰泄水闸、1孔净宽7m泄洪排污闸、电站厂房、蔡家洲副坝、20孔净宽14m的高堰泄水闸及右岸副坝等。
湘江长沙综合枢纽工程坝址由湘江的中洲——蔡家洲分为左右两汊，其中，左汊为主河床，右汊仅汛期过流；蔡家洲地处湘江江中心，长4.5km左右，宽约200～350m，高程约31.0m，其地质构造复杂，以细沙料为主。根据工程前期地勘文件，地质构造主要由粉质粘土（褐黄色，可～硬塑或可塑，厚度约2.2～8.2m，为冲洪积成因）和细砂（褐色、褐黄色，松散或稍密，局部分布于河床内，厚度一般为0.0m～12.0m，为冲洪积成因，含泥较多）组成；湘江河床水位随着月份的不同起起伏伏，湘江在此河段径流呈如下规律：从1月～6月份径流接近逐月递增，从7月～12月份来水递减，其中，坝址2年一遇洪峰水位为32.57m、5年一遇洪峰水位为33.73m、10年一遇洪峰水位为34.51m、20年一遇洪峰水位为34.88m；长沙地区多年平均风速2.4m/s；历年最大风速20.7m/s（1980年4月13日，10分钟平均风速），极端最大风速24.0m/s，历年最大风力9级；主导风向WN，其频率为24%；（1980年4月13日）多年平均最多风向为NW，其频率为17%。
目前，湘江长沙综合枢纽已进入三期工程施工阶段，该阶段电站厂房及左汊泄水闸工程合同工程量主要包含土石方开挖255.16万m3、土石方填筑87.27万m3（不含三期围堰工程）、混凝土浇筑55.75万m3、钢筋制作安装1.88万t。
鉴于三期工程混凝土施工强度高，混凝土生产工程量大，一期、二期工程设置的混凝土拌和系统无法满足施工强度要求；二期工程设置的拌和系统距离三期工程运距较远，而在三期工程施工阶段，无法避免需在高温、低温季节安排一定量的混凝土浇筑；因三期工程基坑开挖的砂砾石利用料将堆存于蔡家洲用于本工程后续工程施工，若利用一、二期拌和系统生产混凝土将增加骨料转运成本；因二期工程设置的混凝土拌和系统设置靠近周边村庄，在三期工程如此之高的情况下，将不分昼夜的进行混凝土生产，势必造成对周边环境的恶劣影响；综合以上原因、结合现场实际情况，需就近建立大型混凝土拌和系统用于本工程；通过多方论证，最终确定在坝址附近的蔡家洲上建立满足本工程的一套混凝土拌和系统。
因蔡家洲为砂料冲积形成，且长期处于高水位浸泡，如何确保高水位软基上建立的大型混凝土拌和系统建筑的安全、稳定成为研究的关键。
根据湘江长沙综合枢纽三期工程的施工内容及进度情况分析，三期工程主体混凝土约56万m3，其中高峰月生产强度达6.8万m3，混凝土拌和系统的小时生产能力约200m3。为满足生产强度要求，确定在蔡家洲上新建的混凝土拌和系统为HL240-2S4000L型，其小时生产能力达240m3；系统配备3个罐容600t粉煤灰/水泥罐等。
2 工程地质勘测
为进一步掌握蔡家洲混凝土拌和系统部位的工程地质情况，项目部于2012年2月委托湖南省勘测设计院对拌和楼及水泥罐基础区域选点2处分别进行了原状土荷载试验及钻孔取芯等，以验证其地质构造，并确定了各地质构造层承载力、各构造物物理性能等参数，具体参数如下：33.5m～35.0m高程为素填土，成分以粘性土为主，夹石英砂及少量卵石，稍湿、稍密，未完成自重固结，其允许承载力为40kPa；22.5m～33.5m高程为细沙，含少量粉砂及粘粒，飽和，松散-稍密，摇震反应强，允许承载力为120kPa；6.5m～22.5m高程为圆砾，粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%，次为泥质及中粗砂，其中泥质约占15%，卵石约占20%，卵石粒径在20～30mm，砂卵石矿物成分为石英，磨圆度好，分选性差，饱和，中密，允许承载力为350kPa；0.5m～6.5m高程强风化花岗岩，中粗粒斑状结构，块状构造，矿物成分由长石、石英、黑云母和白云母组成，岩石风化强烈，岩芯呈砂夹碎块状，岩质软，碎块锤击易碎，允许承载力为400kPa；-3.0m～0.5m高程为中风化花岗岩，中粗粒斑状结构，矿物构造，矿物成分由长石、石英、黑云母和白云母组成，岩石风化裂隙较发育，岩芯较完整，以短柱状、柱状为主，上部少量碎块状，岩性坚硬，锤击声脆，岩体基本质量等级为Ⅱ级，允许承载力为2500kPa。
拟建蔡家洲高水位软基上的混凝土拌和系统中的拌和楼基础上布置的拌和楼自重约500t，其自带的骨料储料仓满载时重约1200t，拌和楼基座尺寸为13.3m*11.0m（长度*宽度）；考虑基础偏心受力，副楼侧加宽1m，其余各边扩大2m，整板拌和楼基础按16.3m*15.0m（长度*宽度）进行设计。
通过对拌和楼基础建立计算模型，经受力计算确定的拌合楼基础地基设计承载力为137.3KPa；若拟建拌和楼地基不进行基础处理，将无法满足承载力要求。 3 地基处理
为了改善建筑物地基土体的力学性质，提高承载能力，增加抗滑稳定，减少压缩变形，水利水电工程常见的软基上地基处理方法主要有置换处理、密实处理、排水处理、胶结处理、钻孔灌注桩、振冲法、旋喷法、PHC桩（预应力高强混凝土空心管桩）加固法等。
根据蔡家洲地质勘测情况，为加快施工进度，项目部结合二期工程软基处理施工经验，在蔡家洲高水位软基上采取了PHC桩进行拌和楼基础地基加固处理。
PHC管桩按外径分为300mm、400mm、500mm、600mm、700mm等规格，单桩轴心受压承载力能达1000KN以上，实际施工时选取的管桩型号为PHC-400-AB-95（预应力高强混凝土空心管桩，桩外径为400mm，AB型，管桩壁厚95mm）；根据《桩基建筑规范》桩间距小于3D会造成承载力下降，为此，最小间距取3～3.5D以上，根据拌和楼主、副楼基础布置情况，拌和楼基础下设置了38根PHC-400-AB-95型管桩，其间距为2.0m、排距为2.5m；所有PHC桩施工完成后，要求桩顶嵌入基础混凝土内10cm。
本工程PHC桩施工质量按如下方法进行控制：
（1）PHC桩混凝土强度达到设计强度70%及以上方可起吊，达到100%方可运输；水平运输时，应做到桩身平稳放置，在吊运过程中应轻吊轻放，避免剧烈碰撞；运至施工现场的PHC桩应进行检查验收，严禁使用质量不合格及在吊运工程中产生裂缝的桩；
（2）当场地条件允许时，PHC桩宜单层堆放；当叠层堆放时，不宜超过5层；叠层堆放时，应在垂直于桩长度方向的地面上设置2道垫木，垫木应分别位于距桩端0.2倍桩长处；地层最外缘的桩应在垫木处用木楔塞紧；
（3）桩打入时应符合下列规定：
1）桩帽或送桩帽与桩周围的间隙应为5～10mm；
2）锤与桩帽、桩帽与桩之间应加设硬木、麻袋、草垫等弹性衬垫；
3）桩锤、桩帽或送桩帽应和桩身在同一中心线上；
4）桩插入时的垂直度偏差不得超过0.5%。
（4）接桩：
1）焊接接桩采用的焊条宜采用E43，并应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）要求；
2）接桩时，下节桩段的桩头宜高于地面0.5m；
3）下节桩的桩头处宜设导向箍；接桩时，上下节桩段应保持顺直，错位偏差不宜大于2mm；接桩就位纠偏时，不得采用大锤横向敲打；
4）桩对接前，上下端板表面应采用铁刷子清刷干净，坡口处应刷至露出金属光泽；
5）焊接宜在桩四周对称地进行，待上下桩节固定后拆除导向箍再分层施焊；施焊层数不得少于2层，第一层焊完后必须把焊渣清理干净，方可进行第二层施焊，焊缝应连续、饱满；
6）焊好后的桩接头应自然冷却后方可继续锤击，自然冷却时间不宜少于8min；严禁采用水冷却或焊好即施打；
7）雨天焊接时，应采取可靠的防雨措施。
（5）桩终止锤击的控制应符合下列规定：要求所有桩进入砂卵石层3～5m，并以最后三阵（每阵10锤）的贯入度小于30mm作为控制桩底持力层。
4 基础设计及施工
4.1 基础设计
（1）计算模型的建立
根据拌和楼基座尺寸，确定的拌和楼基础平面尺寸为16.3m*15.0m（基础长度*基础宽度）；将拌和楼主楼简化为一个竖向力P1，P1为主楼自重加上5个135m3骨料储备仓满载重量，计算值取17000KN；将水泥、煤灰罐简化为一个竖向力P2，4个罐体自重加上满负荷储料，计算值取4500KN；拌和楼设计总高度为35m，其中，支架下部高度为4.2m、封闭段高度为30.8m，根据长沙地区风速统计情况，楼体尚且受到风荷载影响；依据《水利水电工程施工组织设计手册》第五卷《结构设计》，计算确定拌和楼上的风荷载P3为168KN；拌和楼基础布置及受力简图，如下：
（2）地基承载力的复核
由于拌和楼基础为偏心受压，计算时仅考虑最不利荷载组合进行分析，最不利的荷载组合为：① P2=4500KN，P1=17000KN，P3从P2方向垂直于P1；② P2=500KN，P1=17000KN，P3从P2方向垂直于P1。
①荷载组合①计算
F=P1+P2=17000+4500=21500KN
G=A×20×d=16.3×15×25×2=12225KN
M=P1×1.65-P2×5.35+P3×19.6=7262kN*m
W=bh×h×1/6，这里为W=0.16667×16.3×16.3×15=644.23m3
pmax=（F+G）/A+M/W=（21500+12225）/（16.3×15）+7262/644.23=148.9kPa。
②荷载组合②计算
F=P1+P2=17000+500=17500KN
G=A×20×d=16.3×15×25×2=12225KN
M=P1×1.65-P2×5.35+P3×19.6=28662KN*m
W=bh×h×1/6，这里为W=0.16667×16.3×16.3×15=644.23m3
pmax=（F+G）/A+M/W=（17500+12225）/（16.3×15）+28662/644.23=164.7KPa。
pmin=（F+G）/A+M/W=（17500+12225）/（16.3×15）-28662/644.23=78.4KPa
根據以上2种最不利荷载计算，得出，地基需要承载力pmax为164.7KPa。
根据规范要求，如果地基承载力设计值f是按静荷载试验或规范表格确定的，则尚应满足以下附加条件：pmax≤ 1.2f