复杂地质条件下水闸地基处理方法对比与选择

摘要：水闸作为水利工程的关键设施，在复杂地质条件下的地基处理至关重要。本文深入探讨了换填法、强夯法、深层搅拌法、高压喷射注浆法和桩基础法等常见水闸地基处理方法。从原理、适用地质条件、加固效果、施工工艺与工期、工程造价等方面进行详细对比分析，并结合实际工程案例，为复杂地质条件下水闸地基处理方法的合理选择提供参考依据，以确保水闸工程的稳定性、安全性与经济性，促进水利工程建设的可持续发展。

关键词：复杂地质条件；水闸地基处理；方法对比；选择策略

一、引言

水闸在水利枢纽中起着调控水位、宣泄洪水、引水灌溉等重要作用，其地基的稳定性直接关系到水闸的安全运行。然而，复杂地质条件如软土地层、砂土液化地层、岩溶发育地层等，给地基处理带来诸多挑战。不同的地基处理方法具有不同的特点和适用范围，因此对这些方法进行系统的对比与选择研究具有重要的现实意义。

二、常见水闸地基处理方法

（一）换填法

1. 原理

将基础底面以下一定深度的软弱土层或不良土层挖除，换填强度高、压缩性低、无侵蚀性的材料，如砂石、灰土、素土等，分层夯实或压实，改善地基土的物理力学性质，提高承载能力和减少沉降。

2. 适用地质条件

适用于浅层软弱地基，如地表下 1 - 3m 内的淤泥、淤泥质土、松散填土等，且地下水位较低的情况。若软弱土层厚或地下水位高，换填法施工难度大且效果不佳。

3. 加固效果

能有效提高浅层地基承载能力，一般可使承载力提高 1 - 2 倍，减少沉降，但对深层地基加固作用有限，长期稳定性受影响。

4. 施工工艺与工期

工艺简单，包括挖方、填方和压实。设备和技术要求低，工期相对短，小型工程数周内可完成。但换填面积大或深度深时，土方作业受天气等因素影响，工期可能延长。

（二）强夯法

1. 原理

利用起重设备将重锤提升后自由落下，产生强大冲击能，使地基土孔隙减小、土体局部液化，形成裂隙利于孔隙水和气体排出，土粒重新排列压密，从而提高地基土强度和降低压缩性。

2. 适用地质条件

适用于碎石土、砂土、低饱和度粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。但对饱和软黏土，因其渗透性差，孔隙水排出难，强夯易使土体隆起，影响加固效果，常需结合排水措施。

3. 加固效果

加固效果显著，可使地基承载力提高 2 - 5 倍，加固深度可达 6 - 10m 甚至更深。但对软黏土加固均匀性较差，可能出现局部问题。

4. 施工工艺与工期

施工速度快，主要设备为起重机和夯锤。施工前需平整场地和确定夯点位置与顺序，夯击过程中严格控制夯击参数。工期取决于处理面积和夯击遍数，大面积地基处理通常为 1 - 2 个月。但强夯产生振动和噪声，需合理安排施工时间并采取减震降噪措施。

（三）深层搅拌法

1. 原理

通过深层搅拌机械，在地基深部将软土和固化剂（如水泥浆、石灰浆等）强制搅拌均匀，使黏土颗粒与固化剂发生化学反应，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的加固体，与周围土体共同承担荷载，提高地基承载能力和稳定性。

2. 适用地质条件

主要用于软土地基，如淤泥、淤泥质土、粉质黏土等含水量高、压缩性大的土层。对含粗颗粒多或有机质含量高的土层，加固效果受影响，因这些物质阻碍固化剂与土颗粒反应。

3. 加固效果

加固体强度高、水稳定性好，能有效提高地基承载能力和减少沉降。加固后地基土压缩模量可提高 3 - 5 倍，承载能力提高 1.5 - 3 倍。但固化剂与土颗粒反应需时间，加固体强度增长慢，一般需 28 天以上养护期才能达到设计强度 70%以上。

4. 施工工艺与工期

施工过程复杂，需专门设备和队伍。施工时要严格控制搅拌参数，确保加固体质量和均匀性。施工速度慢，每台桩机每天施工量几十到上百立方米，工期长，大规模工程一般需 2 - 3 个月甚至更久，且施工后需养护，进一步延长总工期。

（四）高压喷射注浆法

1. 原理

利用高压喷射流切削破坏土体，将带有喷嘴的注浆管钻进至预定深度后，使浆液（通常为水泥浆）或水成为高压射流喷出，冲击土体，同时钻杆旋转提升，使浆液与土粒搅拌混合，浆液凝固后形成圆柱状或其他形状固结体，相互搭接形成加固区域，提高地基承载能力和抗渗性能。

2. 适用地质条件

可适用于多种地质，如砂层、粉质黏土层、淤泥质土层、黄土、人工填土及存在空洞或裂隙的地层等。但当地下水流速过大（超过 10m/d）或存在动水压力时，浆液易被稀释冲走，影响固结体形成和加固效果，需采取封堵或降速措施后施工。

3. 加固效果

可根据设计精确控制固结体形状和强度，加固效果可靠。形成的固结体强度高，压缩模量可提高 5 - 10 倍，承载能力提高 2 - 5 倍，能有效提高地基承载能力和抗渗性能。但在复杂地质条件下，固结体质量和均匀性控制难度大，需严格质量控制和检测。

4. 施工工艺与工期

施工技术要求高，需专业注浆设备和操作人员。施工时要准确控制喷射压力、浆液流量、旋转速度和提升速度等参数，保证固结体质量。工期根据工程规模和地质条件而定，一般为 1 - 2 个月。

（五）桩基础

1. 原理

通过桩身将水闸上部结构荷载传递到深部较硬土层或岩层，桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担荷载，大大提高地基承载能力和稳定性。桩型有灌注桩（如钻孔灌注桩、挖孔灌注桩等）和预制桩（如预应力管桩、方桩等）。灌注桩在现场成孔后灌注混凝土成桩，预制桩在工厂或现场预制后沉入地基土中。

2. 适用地质条件

几乎适用于所有地质条件，尤其适用于深厚软弱地基、岩石地基或上部结构荷载大、对沉降要求严格的情况。不同地质可选择不同桩型，如软土地层用摩擦桩，岩石地层用端承桩，复杂地质构造区域可结合桩端后注浆技术等提高桩的承载能力和稳定性。

3. 加固效果

承载能力高，沉降量小，能有效承受水闸巨大竖向和水平荷载，对大型水闸或地基条件差、荷载大的情况可靠，抗震性能好，能抵抗地基土液化和变形，减少水闸结构破坏风险。

4. 施工工艺与工期

施工工艺复杂，包括成孔、钢筋笼制作安装、混凝土灌注（或桩身沉入）等多个环节，各环节质量控制和技术要求严格，易出现塌孔、断桩、桩身倾斜等质量问题，增加质量控制难度和风险。工期长，尤其是大型水闸工程，桩数多，受地质、地下障碍物、气候等因素影响，可能导致工期延误，增加建设和管理成本。

三、水闸地基处理方法对比分析

（一）适用地质条件对比

换填法适用于浅层软弱地基；强夯法适用于多种地基，但对饱和软黏土需辅助排水；深层搅拌法针对软土地基；高压喷射注浆法适用多种地质，但对地下水流速有要求；桩基础适用于各类地质，尤其在深厚软弱或岩石地基等复杂情况优势明显。

（二）加固效果对比

换填法对浅层地基有效，深层欠佳；强夯法效果显著，但软黏土均匀性差；深层搅拌法加固效果好且水稳性佳，强度增长慢；高压喷射注浆法加固可靠，能控固结体，但复杂地质下质量难控；桩基础承载高、沉降小，抗震性能优。

（三）施工工艺与工期对比

换填法工艺简单、工期短；强夯法施工快，但有振动噪声；深层搅拌法工艺复杂、速度慢、工期长；高压喷射注浆法技术要求高、工期 1 - 2 个月；桩基础工艺复杂、工期长，易受多种因素干扰。

四、结论

复杂地质条件下，水闸地基处理方法选择需综合考虑地质、工程、施工、工期和造价等因素。各方法优缺点各异，实际工程中应根据情况合理选用或联合使用，以达最佳加固效果和经济效益。通过对比分析和工程实例验证，为类似工程地基处理提供参考，有助于提高水闸工程建设质量和运行安全性，推动水利事业可持续发展。未来应探索新方法，优化现有方法工艺参数，加强长期监测评估，注重环保和资源节约，实现水利工程与生态环境协调发展。

参考文献：

[1] 王强， 张辉. 复杂地质条件下水闸地基处理技术研究[J]. 水利水电技术， 2022， 53（05）： 121-128.

[2] 刘勇， 陈刚. 不同地基处理方法在水闸工程中的应用分析[J]. 人民长江， 2021， 52（03）： 167-171.