水闸工程地基设计浅析

前言
　　在水闸工程设计中，水闸的地质条件、施工条件、受力条件及其重要性等与其它建筑物相比有其特殊性。其设计是非常复杂的，它不仅有主观的因素，还有客观的因素。堤防之险在于闸，水闸之险在于基。水闸的地基处理是水闸设计中的重点和难点。当天然地基不能满足承载力和沉降要求时，在满足水闸抗滑稳定的前提下，设计人员首先考虑采用轻型结构、增加水闸结构刚度等结构措施。本文以笔者参与设计的长沙县车田坪水闸、浏阳市枨冲镇河头水闸、长沙县黄花镇郭公渡水闸等三个水闸为研究对象，对水闸的选址原则、地基处理方法等进行论述。
1.水闸的选址原则
　　在水闸建设过程中，水闸的选址是非常关键的环节。分析已建水闸工程的失事，其主要原因往往是闸址地质条件不好，或虽然经过人工处理但仍未处理好，属于不良人工地基，导致水闸失稳、渗透破坏或者冲刷破坏。水闸选址的原则是水闸稳定安全、能够较好地满足水闸的使用要求、水流流态稳定、水闸便于管理、造价经济。针对上述情况，在满足水闸使用要求和管理的情况下，水闸在选址时应根据水闸的地质条件和水文条件选择地质条件良好的天然地基，最好是选用新鲜完整的岩石地基，或者是承载能力大、抗剪强度高、压缩性低、透水性小、抗渗稳定好的土质地基，如果在规划选址的范围内实在找不到地质良好的天然地基，只能对天然地基进行技术处理。对地基进行技术处理的造价是较高的，一般占总造价的20％～40％。经过技术处理的水闸地基如在施工或管理等方面不规范，容易导致地基破坏，最后致使水闸失事，所以在水闸选址的时候应综合考虑各种情况，选择良好的天然地基。
2.水闸地基处理方法概述
　　水闸地基处理的方法很多，它们主要用于以下三个方面：(1)增加地基的承载能力，保证建筑物的稳定；(2)消除或减少地基的有害沉降；(3)防止地基渗透变形。建国以来，中部地区因水闸天然地基复杂，在兴建大中型水闸时，各地区根据当地的地质特点、经济能力及原材料来源等因素采用了很多种水闸地基处理方法。国外对于水闸地基处理的方法也很多，使用较多的主要有以下几种：置换法、排水固结法、灌入固化物法、振密或挤密法、加筋法和桩基法等。置换法根据置换材料不同可分为换土垫层法、挤淤置换法、强夯置换法、振动水冲法、砂石桩法、石灰桩法等；排水固结法主要有加载预压法、超载预压法和真空预压法等；灌入固化物法主要有深层搅拌法、旋喷桩法和水泥粉煤灰碎石桩法(CFG桩法)；振密或挤密法主要有强夯法、挤密砂石桩法和夯实水泥土桩法；加筋法主要有低强度混凝土桩复合地基法和钢筋混凝士桩复合地基法；桩基法主要有木桩法、预制管桩法、钻孔桩法。目前国内在增加水闸地基承载能力和减少地基有害沉降的处理方法方面最常用的是垫层法、砂井预压法、灌浆法和桩基法。上述的三个水闸工程中，我们根据工程实际情况，不别采用了不同的地基处理方法，长沙县车田坪水闸我们采用了灌浆固化法、浏阳市枨冲镇河头水闸为较好的天然地基，地基强夯后，直接采用厚混凝土垫层作为基础，而长沙县黄花镇郭公渡水闸地基也是天然地基，但局部地基承载力不够，我们对此部分地基采用了钻孔灌注桩处理。
2．1木桩加固法
　　木桩加固法属于桩基法中的一种，此方法是一种十分古老的地基加固方法。由于木桩加固设计简单，施工方便，不受环境限制，取材方便，直至20世纪60年代初，受技术和经济条件限制，国内水利行业对较深厚的软土闸基处理仍缺乏足够的手段和办法，采用木桩加固地基几乎成为唯一的选择。木桩的设置一般有两种方法，一是将木桩桩头与闸底板浇注在一起，形成类似桩顶铰接的深基础，另一种则在木桩桩顶设碎石垫层，实际上属于复合地基的一种。
近年来我省在水闸安全鉴定中发现，无论采用哪种设桩方法，相当数量采用木桩基础的水闸都出现了险情，破坏主要表现在桩体腐朽导致水平和竖向承载力不足、闸基桩土变形不协调等。
2． 2 预压法
　　预压法是通过预先加载，加速场地土排水固结，以达到减少沉降和提高地基承载力的目的。该方法特别适用于在持续荷载作用下体积会发生很大压缩，强度会明显增长的土，如淤泥质土、撇泥和冲填土等饱和粘性土地基等，但此方法也有明显的缺点，由于闸基地下水一般与河水连通，围封、降水难度大，场地土往往需要比较长时间的预压才能完成固结沉降，对施工工期紧的工程，一般较少使用该方法。预压法加固软粘土地基是一种比较成熟的方法，在水闸施工期许可的前提下，采用真空一堆载联合预压法也不失为一个很好的选择。

由于一般闸基砂层比较厚，透水性较强，与外江水力联系紧密，水源补给充分，施工时常沿闸基外侧设l～2排壁式搅拌桩或定喷墙，端部进入相对不透水层以隔断内外水力联系，加固土层厚度小于4时，可以不设竖向排水，否则必须设砂井或插塑料排水板，目前国内插板机最大插板深度达25m左右，大中型水闸为进一步提高地基承载力，减小不均匀沉降，还往往将排水措施与碎石桩、砂桩或水泥搅拌桩等复合地基结合在一起，在复合地基进行真空预压，形成组合式地基处理方案。故在选择该方法之前要仔细分析场地及地质条件，对表层土为砂性土，以及加固区范围内有强透水层等情况，要在施工前采用适当措施处理，避免出现加固不理想、延误工期等问题。
2． 3 换土垫层法
　　换土垫层法属于置换法，也是一种古老的、相当成熟的地基处理方法。该方法加固原理比较清楚，施工简便，施工质量易于保证，是浅层地基处理的首选。为避免工程造价过高以及增加基坑支护费用，一般换填深度小于3m。如软弱土层小于3m，下卧层地基承载力较高时，将软弱土层完全挖除换填后，一般均可满足水闸对承载力和变形的要求。如果软弱土层比较厚(层厚远大于3m)，仅能换上层软弱土时，应尽量避免采用换土垫层法处理闸基，因为换填后虽然可提高基底持力层的承载力，但水闸地基的受力层深度相当大，下卧软弱土层在荷载下的长期变形可能依然很大。实践表明采用换土垫层法处理的地基出现问题的相对比较少，故至今仍是水闸淡层地基处理的主要方法之一。
2．4复合地基法
　　复合地基一般是指天然地基在地基处理过程中被置换或增强(或在天然地基中设置加筋材料)而形成的由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。复合地基根据桩体材料的性质一般可分为三类：散粒体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基，也有学者将柔性桩中强度较高的桩(如粉喷桩)细分为半刚性桩复合地基。由于桩体材不同，各类桩的加固机理、适用条件和施工工艺也有很大差异。
2．5桩基法
　　桩基法是常用于竖向荷载大而集中或受大面积地面荷载影响的结构以及沉降方面有较高要求的建筑物和精密设备的基础，桩基能有效地承受一定的水平荷载和上拔力。桩基按施工方法分可分为预制桩和灌注桩两大类。
结语
根据不同的工程实际情况，工程设计人员应采用不同的地基处理措施，认真研究地基处理方案，为水利工程建设中的水闸设计作出贡献，为国家水利工程建设节约投资。我们对长沙县车田坪水闸、浏阳市枨冲镇河头水闸及长沙县黄花镇郭公渡水闸多次实地观测复查，工程投入使用逾五年，所有工程地基均无下沉现象发生，地基处理效果良好。
参考文献
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