水闸治理工程中静压桩施工的应用

曹利平

(安徽省阜阳市黑茨河闸管理所,安徽 阜阳 236000)

0 引 言

随着城市化进程的不断加快,水利工程作为城市基础设施的重要组成部分,承载着城市排水、防洪、灌溉等重要功能[1]。在长期使用的过程中,由于软土地基特性、地下水位变化、自然灾害等多种因素的影响,水闸工程常常面临渗漏、倾斜、沉降等问题,不仅影响水闸的正常使用,还可能引发严重的安全隐患[2]。因此,如何对水闸进行科学合理的维护与治理,成为当前水利工程领域亟待解决的重要问题。

在水利工程维护方法中,静压桩法作为一种先进的基础施工技术,具有独特的优势。其特点在于通过施加垂直于桩轴线方向的静力,将桩身自身重量和施工荷载传递到地下,从而改善地基土的工程性质,提高地基的承载力和稳定性[3]。相较于传统的地基处理方法,静压桩法具有施工速度快、成本较低、对环境影响小等优势,因此在各类土壤条件下都有广泛的应用前景[4]。

为了解决水闸长期使用过程中所面临的渗漏等问题,本文采用锚杆静压桩法进行施工维护。在水闸维护中,引入改进的静压桩技术,不仅可以有效解决地基问题,提高水闸的使用寿命,还能够减轻对周边环境的影响。

1 基于静压桩施工法的水闸施工维护分析

1.1 水闸地质因素分析

为了对水闸进行有效的治理与维护,需要对水闸区域地质情况展开相应的分析。其中,水闸位于黑茨河多条支流交汇口,该区域具有比较复杂的特殊地况,区域内土体力学具有一定差异性[5]。因此,该地区水利部门组织专家展开结构勘测,在水闸主体区域4个位置设置勘测点,勘探点分布于闸体4个角区域,具体见图1。

图1 坝体勘测区域位置

根据选取的勘测点区域,对勘测点周围的地质进行分析,划分勘测区域样本类型。其中,最上层区域为人工填土层,其次为交互沉积层、硬淤泥混凝土层以及粉质泥土层[6]。人工填土层颜色以黄褐色、红色以及灰褐色为主,主要为2～5粒径砂石、岩土、风化岩土等。人工填土层局部存在草木物质,整体湿润松软,区域欠压实。在交互沉积层上部分区域中,主要以黑色淤泥为主。受到上部载荷影响,闸体下部团结沉降产生黑质淤泥,部分淤泥中含有矿物质,具有明显的腐臭味。通过手捏其内部富含一定的砂石颗粒,具有一定的硬度与韧性。在交互沉积层下部分区域,主要以灰褐色淤泥为主,淤泥中含有较多的砂石颗粒,主要成分为石英砂[7]。更深层区域主要以硬性黏土以及粉尘黏土为主,且黏土内砂石含量逐步降低。

通过对该区域进行地质勘测,在水闸底部区域位置存在较大的淤泥层,底标高在-12.35～-8.65m之间。进一步对加固地基的粉喷桩高程进行测量发现,粉喷桩并未完整地穿透淤泥层,导致水闸底部区域存渗漏与沉降现象。同时,由于4个区域位置淤泥厚度呈现不均状,导致闸体4个勘测区域沉降各并不相同。

对水利闸室结构进行分析发现,该闸室在早期设计施工时,其闸室段仅进行了开挖设计。根据勘测结果分析,受区域水流冲击以及土体地质因素影响,闸体区域土体发生破坏,下沉土体已经无法有效承载上层建筑体载荷[8]。

为了满足该区域内水利项目使用要求以及水利发展需求,需要对该水利项目进行维护施工。该闸门设计高程为5.8m,且项目中并未设置门槽,故整个水闸施工满足锚杆静压桩施工标准。因此,采用锚杆静压桩施工法对水闸进行维护施工。

1.2 基于静压桩施工法的水闸施工方案设计

为了治理水闸沉降、渗漏问题,综合考虑水利工程特征,采用锚杆静压桩技术进行工程维护施工。锚杆静压桩技术是一种结合锚杆技术和静压桩技术的基础施工方法[9]。在该技术中,先钻孔并安装锚杆,然后施加垂直于锚杆轴线方向的静压桩,使锚杆与周围土壤形成一体化结构[10]。该技术综合了锚杆的支护作用和静压桩的承载特性,具有较好的稳定性和承载能力,能更好地保障建筑的完整性。

在实际施工维护中,为了强化静压桩与闸体之间的稳固性,综合考虑在水闸箱体两侧沿水流基础上设置稳定的承台梁,其截面尺寸为1.5m×1.0m[11]。同时,根据对坝体的受力分析,综合考虑施工难度,在坝体水闸箱体周围两边设置3.0m×3.0m的预制方桩,单桩竖向力计算公式如下:

式中:Mx与My分别为承台桩群在X、Y轴向的弯曲预设值;xi、yi分别为X、Y轴到桩基的距离;n为桩基数,为12个。

单桩竖向承载力计算公式如下:

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsili+qpkAp

(2)

式中:Quk为单桩竖向承载力;Qsk为单桩总的极限侧阻力,kPa;Qpk为单桩总的极限端阻力,kPa;u为桩身设置周长,cm;qsi为桩侧设置标准侧阻力值,kPa;qpk为桩设置标准端阻力值,kPa;Ap为桩端部分面积,cm2。

整个方案布置见图2。

图2 方案的布置图

经过试验设计,共设置12根方桩,单个方桩竖向承载力为423kN。在实际施工中,采用高强度混凝土进行施工,水泥强度级别为C30,并根据实际施工情况进行构造配筋。施工过程如下:

1)制作阶段涉及钢筋混凝土预制桩段的制造。严格按照配筋设计制作桩段,确保桩段设计平整、垂直,且设计误差范围在±5mm。

2)连接阶段涉及桩段的连接。柱段连接工艺主要为焊接,使用预埋在桩体内的钢板以及桩外壁进行焊接,焊接过程需要在角钢上设置吊装孔以及插筋孔。

3)安装阶段包括压桩架的安装。在该阶段,需要压桩架处于垂直,均衡紧固锚固螺栓和螺帽,在压桩的过程中,随时拧紧可能出现松动的螺帽。已经就位的桩节需要保持竖直,确保千斤顶、桩节和压桩孔的轴线重合,避免偏心加压。此外,桩位的平面偏差应保持在±20mm,桩节的垂直度误差应该在1‰范围。

4)实际压桩过程需要保持对称。压桩中尽可能避免多台压桩设备在同轴进行作业,并且设备采用的压桩力范围应该满足项目预设值,避免项目受到破坏。

5)保持连续性压桩施工,同时降低压桩作业时长。特别是压桩过程随着压桩深入,阻力增大,若停止压力,应确保桩处于软土层,且压桩时长应在20h以内;封装施工,需要桩顶满足项目设计的标准尺度。再进行桩顶表面去毛刺与污渍清理,涂上混凝土界面剂。然后焊接底板钢筋,清除孔内的杂物、浮浆以及积水等杂质。最后,采用高强度混凝土对桩帽进行浇筑,从而完成施工[12]。

整个施工过程包括了桩段制作过程、桩段连接过程、压桩架安装等过程。实际施工中,需要严格按照施工顺序开展作业,严格执行相关设计标准与行业标准,确保在水利工程建设和维护中发挥应有的作用。

2 案例评价分析

2.1 工程概况

以安徽省阜阳市黑茨河某水利项目为研究对象,该水利工程主要用于防洪、排涝,对区域河流稳定有至关重要的作用。该水利项目配备2台120kW的水泵电机,总水排量9.65m3/s。整个水利项目设置2道闸门,其中闸门的设计高程5.8m,底板区域高程0.75m,闸墩厚0.96m。整个水利工程闸站建筑采用水平同轴布置,为了保障水利设置的安全问题,采用加强钢筋混凝土材料加固墩墙。

该项目在运行中陆续出现水闸渗水问题,且水闸出现一定的下沉现象。通过对水利工程水闸部分进行专业检查发现,在闸底区域位置出现明显的渗漏通道,渗漏圆孔直径约为4cm;在靠左与靠右底部区域同样出现渗漏通道,右面闸室下沉约1cm。对泵站以及闸室相关建筑进行调查显示,相关区域并未出现问题。水闸主体平面结构见图3。

图3 水闸平面结构示意图

2.2 案例结果分析

为了检验锚杆静压桩技术在实际场景下的应用效果,选取研究坝体进行模拟试验分析。试验采用慢速维持荷载法,整个分析过程符合《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)标准。选取坝体4个勘测点,闸墩侧向压力见图4。

图4 闸墩高程土压力比较

由图4(a)可知,在静压桩法施工比较中,选择闸墩0-9范围检验闸墩侧向土压力值情况。随着闸墩越靠近底部,闸墩所受到的侧向土压力值越大。其中,勘测点1位置在闸墩1.2m所受到的侧向压力值最大,为120.6kPa,根据闸坝维护建设要求,该检测点无法满足设计标准。勘测点2与勘测点3同样受到较大的侧向土压力,在闸墩高度为2m时,勘测点2与勘测点3的侧向土静压桩值分别为98.5、99.7kPa。

由图4(b)可知,采用锚杆静压桩法进行坝体维护施工,相比于传统的静压桩法施工效果,锚杆静压桩法闸墩所受到的侧向土压力值明显更低。勘测点1在闸墩底部区域位置所受最大侧向土压力值为100kPa范围,满足项目设计要求,而勘测点2、勘测点3在闸墩底部所受最大侧向土压力值分别为88.5与81.6kPa,均在设计标准范围。

通过对比可以发现,锚杆静压桩法具有更好的施工效果,相比于静压桩施工法,其侧向土压力整体降低18.65%,具有更好的闸体维护效果。

考虑到研究水闸存在沉降问题,选择不同工况参数进行沉降试验比较。具体工况参数见表1。

表1 不同曲率工况参数

表1中,Q1-Q4分别对应4种不同曲率工况参数值。其中,Q1工况整体曲率最低,所受到的拉力值在4个工况中拉力值最小,为1.568kPa;曲率最大的工况是Q4,所受到的最大压力值为1.823kPa。在4种工况下测试两种方法的沉降情况,见图5。

图5 闸墩底板沉降比较

图5(a)为静压桩法4种工况下的沉降结果。由图5(a)可知 ,随着曲率的增加,闸墩底部将受到最大的拉应力,且曲率越大,所受到的拉应力值也更大。其中,沉降最小的是Q1工况,最大沉降为-0.21m,并出现了不均匀沉降现象;沉降最大的是Q4工况,沉降最大值出现在底板10m处,最大沉降值为-0.82m,并且出现了比较明显的不均匀沉降现象。

图5(b)为锚杆静压桩法施工比较效果。相比于静压桩法,锚杆静压桩法虽然仍旧出现了沉降现象,但整体沉降要更小,同时4个工况均未出现不均匀沉降现象。在工况1中,锚杆静压桩法最大沉降值为-0.15m,工况4中锚杆静压桩法最大沉降值为-0.60m,满足设计要求。

由此可见,锚杆静压桩法相比传统静压桩法,在闸体施工效果上更出色,整体效果更好。通过锚杆静压桩施工后,4个勘测区域均不再出现沉降现象。同时,采用反压法对四个角进行检测,最终平均沉降为275mm,且闸体四周并未出现不均匀沉降与渗水现象,满足水利项目施工设计标准。

2.3 水闸日常管理与维护

随着水闸工程的长期使用,确保水利项目的稳定性和安全运行显得尤为重要。为了提高水利项目的稳定与安全运作要求,需要从技术和运行管理方面对水闸进行有效管理与维护,建议如下:

1)引入先进的技术手段如锚杆静压桩技术,对水闸周边区域进行加固。该项技术能够加强土壤的承载性能,降低地基渗水风险,提高水闸的抗沉降能力。同时,结合物联网监测技术,实时监控水闸结构和周边环境的变化,及时预警潜在问题,构建健全的水利工程维护体系。

2)建立健全的维护管理体系,包括定期巡检、保养和紧急维修计划,专业的维护团队应定期检查水闸结构,确保各部件的正常运行。定期清理水闸周围植被,保持排水系统通畅,预防植被引发的渗水问题。

3)加强对水利设备的运行管理,建立详细的操作手册,规范水闸的开启、关闭、调节等操作流程。培训操作人员,确保其熟练掌握操作技能。制定应急预案,明确各类突发事件的处理流程,保障在紧急情况下能够迅速、有效地响应。

4)强化区域生态建设与维护,在水闸周边区域进行生态修复,采用草本植被、深根植物等;加固河岸,减缓水流速度,降低冲刷风险。设置防护措施,避免水流直接冲击水闸结构,延长水闸使用寿命。

5)做好社区参与宣传教育工作,加强与周边社区的沟通与合作,提高居民对水利项目的认知和理解。组织定期的宣传教育活动,提高居民对水闸安全的关注度,鼓励参与水利设施的监督和维护。通过上述管理意见,提高水闸治理工程整体管理效果,改善水利工程的整体应用效果。

3 结 语

水闸在长期使用中面临着不均匀沉降、渗水等问题,将影响水利工程的安全使用。为了有效应对水闸的病害问题,本文首先针对某水闸项目沉降因素进行了分析,考虑到水闸的特征,采用锚杆静压桩技术对其进行维护。通过对不同技术下闸墩高层土压力进行比较,结果显示,锚杆静压桩施工勘测点2最大值为88.5kPa,相较于静压桩施工更低。在闸墩底板沉降比较中,4种工况下锚杆静压桩沉降均最低,且未出现不均匀沉降问题。通过锚杆静压桩施工,水闸沉降、渗水问题均得到有效改善。