水閘治理工程中靜壓樁施工的應用

曹利平

(安徽省阜陽市黑茨河閘管理所,安徽 阜陽 236000)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷加快,水利工程作為城市基礎設施的重要組成部分,承載著城市排水、防洪、灌溉等重要功能[1]。在長期使用的過程中,由于軟土地基特性、地下水位變化、自然災害等多種因素的影響,水閘工程常常面臨滲漏、傾斜、沉降等問題,不僅影響水閘的正常使用,還可能引發嚴重的安全隱患[2]。因此,如何對水閘進行科學合理的維護與治理,成為當前水利工程領域亟待解決的重要問題。

在水利工程維護方法中,靜壓樁法作為一種先進的基礎施工技術,具有獨特的優勢。其特點在于通過施加垂直于樁軸線方向的靜力,將樁身自身重量和施工荷載傳遞到地下,從而改善地基土的工程性質,提高地基的承載力和穩定性[3]。相較于傳統的地基處理方法,靜壓樁法具有施工速度快、成本較低、對環境影響小等優勢,因此在各類土壤條件下都有廣泛的應用前景[4]。

為了解決水閘長期使用過程中所面臨的滲漏等問題,本文采用錨桿靜壓樁法進行施工維護。在水閘維護中,引入改進的靜壓樁技術,不僅可以有效解決地基問題,提高水閘的使用壽命,還能夠減輕對周邊環境的影響。

1 基于靜壓樁施工法的水閘施工維護分析

1.1 水閘地質因素分析

為了對水閘進行有效的治理與維護,需要對水閘區域地質情況展開相應的分析。其中,水閘位于黑茨河多條支流交匯口,該區域具有比較復雜的特殊地況,區域內土體力學具有一定差異性[5]。因此,該地區水利部門組織專家展開結構勘測,在水閘主體區域4個位置設置勘測點,勘探點分布于閘體4個角區域,具體見圖1。

圖1 壩體勘測區域位置

根據選取的勘測點區域,對勘測點周圍的地質進行分析,劃分勘測區域樣本類型。其中,最上層區域為人工填土層,其次為交互沉積層、硬淤泥混凝土層以及粉質泥土層[6]。人工填土層顏色以黃褐色、紅色以及灰褐色為主,主要為2～5粒徑砂石、巖土、風化巖土等。人工填土層局部存在草木物質,整體濕潤松軟,區域欠壓實。在交互沉積層上部分區域中,主要以黑色淤泥為主。受到上部載荷影響,閘體下部團結沉降產生黑質淤泥,部分淤泥中含有礦物質,具有明顯的腐臭味。通過手捏其內部富含一定的砂石顆粒,具有一定的硬度與韌性。在交互沉積層下部分區域,主要以灰褐色淤泥為主,淤泥中含有較多的砂石顆粒,主要成分為石英砂[7]。更深層區域主要以硬性黏土以及粉塵黏土為主,且黏土內砂石含量逐步降低。

通過對該區域進行地質勘測,在水閘底部區域位置存在較大的淤泥層,底標高在-12.35～-8.65m之間。進一步對加固地基的粉噴樁高程進行測量發現,粉噴樁并未完整地穿透淤泥層,導致水閘底部區域存滲漏與沉降現象。同時,由于4個區域位置淤泥厚度呈現不均狀,導致閘體4個勘測區域沉降各并不相同。

對水利閘室結構進行分析發現,該閘室在早期設計施工時,其閘室段僅進行了開挖設計。根據勘測結果分析,受區域水流沖擊以及土體地質因素影響,閘體區域土體發生破壞,下沉土體已經無法有效承載上層建筑體載荷[8]。

為了滿足該區域內水利項目使用要求以及水利發展需求,需要對該水利項目進行維護施工。該閘門設計高程為5.8m,且項目中并未設置門槽,故整個水閘施工滿足錨桿靜壓樁施工標準。因此,采用錨桿靜壓樁施工法對水閘進行維護施工。

1.2 基于靜壓樁施工法的水閘施工方案設計

為了治理水閘沉降、滲漏問題,綜合考慮水利工程特征,采用錨桿靜壓樁技術進行工程維護施工。錨桿靜壓樁技術是一種結合錨桿技術和靜壓樁技術的基礎施工方法[9]。在該技術中,先鉆孔并安裝錨桿,然后施加垂直于錨桿軸線方向的靜壓樁,使錨桿與周圍土壤形成一體化結構[10]。該技術綜合了錨桿的支護作用和靜壓樁的承載特性,具有較好的穩定性和承載能力,能更好地保障建筑的完整性。

在實際施工維護中,為了強化靜壓樁與閘體之間的穩固性,綜合考慮在水閘箱體兩側沿水流基礎上設置穩定的承臺梁,其截面尺寸為1.5m×1.0m[11]。同時,根據對壩體的受力分析,綜合考慮施工難度,在壩體水閘箱體周圍兩邊設置3.0m×3.0m的預制方樁,單樁豎向力計算公式如下:

式中:Mx與My分別為承臺樁群在X、Y軸向的彎曲預設值;xi、yi分別為X、Y軸到樁基的距離;n為樁基數,為12個。

單樁豎向承載力計算公式如下:

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsili+qpkAp

(2)

式中:Quk為單樁豎向承載力;Qsk為單樁總的極限側阻力,kPa;Qpk為單樁總的極限端阻力,kPa;u為樁身設置周長,cm;qsi為樁側設置標準側阻力值,kPa;qpk為樁設置標準端阻力值,kPa;Ap為樁端部分面積,cm2。

整個方案布置見圖2。

圖2 方案的布置圖

經過試驗設計,共設置12根方樁,單個方樁豎向承載力為423kN。在實際施工中,采用高強度混凝土進行施工,水泥強度級別為C30,并根據實際施工情況進行構造配筋。施工過程如下:

1)制作階段涉及鋼筋混凝土預制樁段的制造。嚴格按照配筋設計制作樁段,確保樁段設計平整、垂直,且設計誤差范圍在±5mm。

2)連接階段涉及樁段的連接。柱段連接工藝主要為焊接,使用預埋在樁體內的鋼板以及樁外壁進行焊接,焊接過程需要在角鋼上設置吊裝孔以及插筋孔。

3)安裝階段包括壓樁架的安裝。在該階段,需要壓樁架處于垂直,均衡緊固錨固螺栓和螺帽,在壓樁的過程中,隨時擰緊可能出現松動的螺帽。已經就位的樁節需要保持豎直,確保千斤頂、樁節和壓樁孔的軸線重合,避免偏心加壓。此外,樁位的平面偏差應保持在±20mm,樁節的垂直度誤差應該在1‰范圍。

4)實際壓樁過程需要保持對稱。壓樁中盡可能避免多臺壓樁設備在同軸進行作業,并且設備采用的壓樁力范圍應該滿足項目預設值,避免項目受到破壞。

5)保持連續性壓樁施工,同時降低壓樁作業時長。特別是壓樁過程隨著壓樁深入,阻力增大,若停止壓力,應確保樁處于軟土層,且壓樁時長應在20h以內;封裝施工,需要樁頂滿足項目設計的標準尺度。再進行樁頂表面去毛刺與污漬清理,涂上混凝土界面劑。然后焊接底板鋼筋,清除孔內的雜物、浮漿以及積水等雜質。最后,采用高強度混凝土對樁帽進行澆筑,從而完成施工[12]。

整個施工過程包括了樁段制作過程、樁段連接過程、壓樁架安裝等過程。實際施工中,需要嚴格按照施工順序開展作業,嚴格執行相關設計標準與行業標準,確保在水利工程建設和維護中發揮應有的作用。

2 案例評價分析

2.1 工程概況

以安徽省阜陽市黑茨河某水利項目為研究對象,該水利工程主要用于防洪、排澇,對區域河流穩定有至關重要的作用。該水利項目配備2臺120kW的水泵電機,總水排量9.65m3/s。整個水利項目設置2道閘門,其中閘門的設計高程5.8m,底板區域高程0.75m,閘墩厚0.96m。整個水利工程閘站建筑采用水平同軸布置,為了保障水利設置的安全問題,采用加強鋼筋混凝土材料加固墩墻。

該項目在運行中陸續出現水閘滲水問題,且水閘出現一定的下沉現象。通過對水利工程水閘部分進行專業檢查發現,在閘底區域位置出現明顯的滲漏通道,滲漏圓孔直徑約為4cm;在靠左與靠右底部區域同樣出現滲漏通道,右面閘室下沉約1cm。對泵站以及閘室相關建筑進行調查顯示,相關區域并未出現問題。水閘主體平面結構見圖3。

圖3 水閘平面結構示意圖

2.2 案例結果分析

為了檢驗錨桿靜壓樁技術在實際場景下的應用效果,選取研究壩體進行模擬試驗分析。試驗采用慢速維持荷載法,整個分析過程符合《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106-2014)標準。選取壩體4個勘測點,閘墩側向壓力見圖4。

圖4 閘墩高程土壓力比較

由圖4(a)可知,在靜壓樁法施工比較中,選擇閘墩0-9范圍檢驗閘墩側向土壓力值情況。隨著閘墩越靠近底部,閘墩所受到的側向土壓力值越大。其中,勘測點1位置在閘墩1.2m所受到的側向壓力值最大,為120.6kPa,根據閘壩維護建設要求,該檢測點無法滿足設計標準?？睖y點2與勘測點3同樣受到較大的側向土壓力,在閘墩高度為2m時,勘測點2與勘測點3的側向土靜壓樁值分別為98.5、99.7kPa。

由圖4(b)可知,采用錨桿靜壓樁法進行壩體維護施工,相比于傳統的靜壓樁法施工效果,錨桿靜壓樁法閘墩所受到的側向土壓力值明顯更低?？睖y點1在閘墩底部區域位置所受最大側向土壓力值為100kPa范圍,滿足項目設計要求,而勘測點2、勘測點3在閘墩底部所受最大側向土壓力值分別為88.5與81.6kPa,均在設計標準范圍。

通過對比可以發現,錨桿靜壓樁法具有更好的施工效果,相比于靜壓樁施工法,其側向土壓力整體降低18.65%,具有更好的閘體維護效果。

考慮到研究水閘存在沉降問題,選擇不同工況參數進行沉降試驗比較。具體工況參數見表1。

表1 不同曲率工況參數

表1中,Q1-Q4分別對應4種不同曲率工況參數值。其中,Q1工況整體曲率最低,所受到的拉力值在4個工況中拉力值最小,為1.568kPa;曲率最大的工況是Q4,所受到的最大壓力值為1.823kPa。在4種工況下測試兩種方法的沉降情況,見圖5。

圖5 閘墩底板沉降比較

圖5(a)為靜壓樁法4種工況下的沉降結果。由圖5(a)可知 ,隨著曲率的增加,閘墩底部將受到最大的拉應力,且曲率越大,所受到的拉應力值也更大。其中,沉降最小的是Q1工況,最大沉降為-0.21m,并出現了不均勻沉降現象;沉降最大的是Q4工況,沉降最大值出現在底板10m處,最大沉降值為-0.82m,并且出現了比較明顯的不均勻沉降現象。

圖5(b)為錨桿靜壓樁法施工比較效果。相比于靜壓樁法,錨桿靜壓樁法雖然仍舊出現了沉降現象,但整體沉降要更小,同時4個工況均未出現不均勻沉降現象。在工況1中,錨桿靜壓樁法最大沉降值為-0.15m,工況4中錨桿靜壓樁法最大沉降值為-0.60m,滿足設計要求。

由此可見,錨桿靜壓樁法相比傳統靜壓樁法,在閘體施工效果上更出色,整體效果更好。通過錨桿靜壓樁施工后,4個勘測區域均不再出現沉降現象。同時,采用反壓法對四個角進行檢測,最終平均沉降為275mm,且閘體四周并未出現不均勻沉降與滲水現象,滿足水利項目施工設計標準。

2.3 水閘日常管理與維護

隨著水閘工程的長期使用,確保水利項目的穩定性和安全運行顯得尤為重要。為了提高水利項目的穩定與安全運作要求,需要從技術和運行管理方面對水閘進行有效管理與維護,建議如下:

1)引入先進的技術手段如錨桿靜壓樁技術,對水閘周邊區域進行加固。該項技術能夠加強土壤的承載性能,降低地基滲水風險,提高水閘的抗沉降能力。同時,結合物聯網監測技術,實時監控水閘結構和周邊環境的變化,及時預警潛在問題,構建健全的水利工程維護體系。

2)建立健全的維護管理體系,包括定期巡檢、保養和緊急維修計劃,專業的維護團隊應定期檢查水閘結構,確保各部件的正常運行。定期清理水閘周圍植被,保持排水系統通暢,預防植被引發的滲水問題。

3)加強對水利設備的運行管理,建立詳細的操作手冊,規范水閘的開啟、關閉、調節等操作流程。培訓操作人員,確保其熟練掌握操作技能。制定應急預案,明確各類突發事件的處理流程,保障在緊急情況下能夠迅速、有效地響應。

4)強化區域生態建設與維護,在水閘周邊區域進行生態修復,采用草本植被、深根植物等;加固河岸,減緩水流速度,降低沖刷風險。設置防護措施,避免水流直接沖擊水閘結構,延長水閘使用壽命。

5)做好社區參與宣傳教育工作,加強與周邊社區的溝通與合作,提高居民對水利項目的認知和理解。組織定期的宣傳教育活動,提高居民對水閘安全的關注度,鼓勵參與水利設施的監督和維護。通過上述管理意見,提高水閘治理工程整體管理效果,改善水利工程的整體應用效果。

3 結 語

水閘在長期使用中面臨著不均勻沉降、滲水等問題,將影響水利工程的安全使用。為了有效應對水閘的病害問題,本文首先針對某水閘項目沉降因素進行了分析,考慮到水閘的特征,采用錨桿靜壓樁技術對其進行維護。通過對不同技術下閘墩高層土壓力進行比較,結果顯示,錨桿靜壓樁施工勘測點2最大值為88.5kPa,相較于靜壓樁施工更低。在閘墩底板沉降比較中,4種工況下錨桿靜壓樁沉降均最低,且未出現不均勻沉降問題。通過錨桿靜壓樁施工,水閘沉降、滲水問題均得到有效改善。