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摘要：为有效应对沉降量变化时水闸桩基承载问题，完善水利工程整体结构。本文结合某水利工程案例，对水闸桩基础设计原理及要点展开分析，同时根据水闸桩基础设计的基本思路，对多种优化方案下水闸桩基础设计展开分析。借此选择最佳水闸桩基础设计方案，提高水利工程建设质量。
关键词：优化方案；水闸桩；基础设计
水闸是水利工程功能实现的重要支撑，其桩基设计效果关系着水利工程的安全性、稳定性。因此，相关人员需结合PPC桩、异形截面桩、斜桩等常用桩型，深入分析水闸桩基础设计中提高桩基荷载力的基本思路，从而在多种优化方案支持下，合理设计水闸桩基础结构，保障水利工程中水闸桩基设计效果。
一、工程概况
某水利工程中，水闸的主要功能为防洪、排涝，该水利工程内整体建筑由闸室、下游堤坝等结构组成，建筑物等级为2级，水闸闸室宽度为35.6 m，临水侧护底工程高程为-1.15 m，护岸顶高程为5.18 m。由于该水利工程中，水闸天然沉降量明显高于固有的水闸设计标准，所以在水闸桩基础设计中，相关人员需要将水闸天然沉降量控制在15 cm左右。因此，该水利工程水闸桩基础设计中，需借助摩擦型柱控制水闸桩本身的沉降率，并通过准确核算水闸桩基数量、规格尺寸、基础荷载力等设计参数，强化水利工程内水闸桩基础的安全、稳定性能，保障水利工程建设质量。
二、水闸桩基础设计原理及要点
水闸桩基础设计的基本原理，是根据水利工程场地内地质、水文条件，及其选定的闸室结构、施工条件、周边环境、荷载特征等影响因素，对水闸桩结构展开设计，使其横向、纵向承载力符合水利工程的相关要求。在设计水闸桩基础时，相关人员需要从以下方面，确保设计方案有效性[1]。
其一，在水闸桩基础设计中，相关人员应基于水利工程设计方案，选择桩型、成桩技术、完善布桩流程，并同时水闸桩基础设计参数，强化水闸桩施工中的质量管理。其二，通常情况下，水闸桩基础材料多为钻孔灌注桩、混凝土预制桩，而根据水闸桩受力特点可将其分为端承型桩、摩擦型桩等。相关人员需结合水利工程功能需求，准确计算水压力、水闸桩沉降量，并以此为依据建立地基土、水闸闸室底板的联系，避免在水利工程基础结构中产生渗流通道。其三，为突出水闸桩基础应用价值，保障水闸基础防渗安全，在设计水闸桩基础时，应按照水闸桩不同承载方式，均匀分配桩基底部的荷载力。比如在选用水闸桩型时，由于水闸闸室底板的荷载力会全部集中在水闸桩上，所以为避免水闸桩接触地基土时存在“脱空”情况，需设计多个摩擦型桩，承载闸室底部荷载力。
三、水闸桩基础设计优化思路
为强化水利工程水闸闸室抗渗性能，提高水闸结构安全性，需持续优化水闸桩基础设计，具体思路如下。一方面，水闸桩基的优化设计目标，在于合理布置水闸桩基，节约水利工程的施工资源。同时通过分析水闸闸室横向、纵向荷载力，明确水闸桩布设位置，以此避免闸室底板、地基土接触时产生渗流路径[2]。另一方面，设计水闸桩基础时，要求相关人员重视水闸桩基础承载力的提高。在此期间，为改变水闸桩基的横向荷载力，相关人员可根据地基抗力、摩擦桩型结构特点、桩身刚度等信息，改善水闸桩桩身结构、增强桩基接触面地基土的抗力。比如开挖深度为桩径3~5倍的圆形坑，使其布设在水闸桩身周边，并在圆形坑内填筑压缩性材料，同时将桩身周边地基土更换为混凝土材料，更换结束后设置翼板，提升桩体本身的承载力。
四、多种优化方案下的水闸桩基础设计
（一）水闸桩基础设计优化方案
1.斜桩优化方案
水利工程建设中，水闸桩基础设计的优化不仅局限于桩型的改变。斜桩作为水塔、桥梁墩台、码头等工程的常用桩型，其承载力方向主要集中在侧向、竖向，所以在完善水闸桩基础设计时，相关人员可利用斜桩荷载原理、基本性能，拟定斜桩优化方案，为水闸桩基础设计提供依据[3]。
2.钻孔变截面灌注桩优化方案
钻孔变截面灌注桩的优化，可为水闸桩基础设计中的横向承载系数明确指明方向。相关人员在钻孔变截面灌注桩优化方案作用下，能够结合水闸桩横向承载力，计算水闸桩的桩径，以及阶梯形、锥形等灌注桩的承载机理，从而在水闸桩基础设计中明确桩身半径变化率等设计参数。
3.异形截面桩优化方案
相较于传统桩型，若水利工程资金投入条件相同，且水闸桩基础设计的目标为增强单桩承载力、实际刚度时，相关人员可在异性截面桩优化方案支撑下，创新设计水闸桩基础。具体来说，异性截面桩主要是指现浇混凝土桩，具有大直径、侧向摩擦阻力大、端阻力大等特点，可有效发挥水闸桩基结构中混凝土稳定性能。相较于普通圆截面桩，异形截面桩厚度约为13~15 cm，桩身直径为1~1.5 m，沉桩深度为23~26 m，并且在现浇工艺支持下，可在不改变桩身承载力基础上，节约50%混凝土。相关人员可根据异形截面桩相关标准，明确异性界面桩优化方案要求，为水闸桩基础设计奠定基础[4]。
（二）基于多种优化方案的水闸桩基础设计
在上述优化方案的应用中，相关人员可结合水闸施工技术要求、水利工程地基体质条件，完善水闸桩基础设计。以上述水利工程水闸基础设计为例，相关人员可选择灌注桩、分离式平地板作为水闸基础主要结构，并通过在底板孔隙区域设计沉降缝、搭接缝等方式，使水闸底板、水闸桩形成完成的闸室支撑体系。
具体来说，在原有水闸桩基础设计中，采用圆形界面灌注桩，闸室底板下方分别布设两排长度为25 m、φ1. 2 m的灌注桩，底板宽度为5.5 m，底板厚度为1.7 m。各底板下方同时设置长度为20 m、φ0. 6 m的灌注桩，灌注桩总数为10根。为发挥异性界面桩、斜桩优化方案的运用价值，相关人员应在原有设计基础上，根据水质桩基础上设计参数，对水质桩基础上设计展开优化，各优化方案如下。
其一，桩顶换土。明确底板下方水闸桩位置，围绕桩身开挖5 m深、长20 m、宽10 m的坑，随后在水泥土挖开后布设两排长度为24.5 m、φ1. 2 m的灌注桩8根，底板宽度、厚度分别调整为5.6 m、1.5 m。
其二，增加翼板。在闸室底板下方设置长度为24. 5 m、φ1. 2 m灌注桩10根，底板宽度、厚度分别控制在5.3 m、1.6 m，随后根据水流垂直流动方向，将高度、宽度、厚度为3 m、6 m、0.6 m的翼板设置在灌注桩桩身，使每块翼板覆盖两个桩。
其三，PPC桩。将原有圆形灌注桩更换为24.5m的PPC桩12根，底板厚度、宽度设计参数与其他优化方案一致，但桩身上部、下部桩径需要调整为1.1 m、0.8 m。
其四，斜桩。底板规格调整与其他优化方案相同，但需将圆形桩更换为长度25. 1 m、φ1. 1 m的斜桩10根，并以提升桩身20%承载力为设计目标。
其五，桩距。根据水闸底板沉降情况明确水闸桩长度后，应另行计算水闸桩实际数量、桩距。通常情况下，复合桩长度约为23~25 m，若桩数大于30根，各水闸桩间距为7 m。若桩数为49根，桩距应为5 m，沉降值则为66.7 mm，因此根据上述水利工程案例，底板下两排桩数增加约为30根，所以需将桩距控制在7~6 m。
（三）优化方案效果对比
表1 优化方案效果对比
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如表1所示，通过对比水闸桩基础设计方案，PPC桩整体优势明显、经济性突出，而斜桩、增加翼板等优化方案均具有工程量小的优势，但具体应用时仍面临着工艺复杂、土方量大等问题，因此，上述工程在各优化方案支持下，选择PPC桩更换原有圆形灌注桩，以此改善该水利工程水闸桩基础设计。
（四）水闸桩基础设计优化方案实施
以上述水利工程为例，该工程水闸底部面积为400 m2，桩基荷载力为200801kN，在利用PPC桩作为水闸基础优化设计内容时，相关人员将桩基数量确定为32根，且单根桩的实际荷载力为700kN，各PPC桩组合后，水闸桩基承载力为21000KN，满足水闸基础设计提高荷载力的基本要求，同时整体方案在落实中经济优势明显。除此之外，在多种优化方案作用下，水闸桩基础设计改进后，水利工程水闸闸室地基中存在的额沉降量大、抗震性能差、水闸结构安全隐患多、渗流不稳定等问题被有效解决。
但是由于水利工程下方地质条件较为复杂，且水闸桩基所需承受的荷载力较大，因此，在水闸桩基础设计优化后，相关人员还应结合水闸桩基础设计标准，计算闸室承受附加荷载后，水闸桩基的沉降值，并采用动力测试、静荷载测试等方式，验证PPC桩基垂直、横向荷载力。同时强化PPC桩施工质量、沉桩工艺的有效管理，使水闸施工建设质量符合相关要求。
具体来说，水闸桩基优化设计后，其沉降值计算公式为
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，其中S为桩基沉降值，可反映水闸桩基沉降情况，ψm为桩基的沉降经验系数，i为土层系数，δ则属于沉降系数，Ex.0.1－0.2求取的为荷载压缩模量。本文中ψm取值为1。水闸桩基础设计结束后，相关人员可代入PPC桩32根，桩距7m等数值，由公式计算出沉降值为75.6 mm，最后根据沉降值计算结果，分析优化设计后的水闸桩基沉降值是否满足提高桩基荷载力的基本条件。
五、结语
综上所述，水利工程作为城市文明建设中的基础性工程，其整体建设质量直接影响着各地区水资源运用、保护的实际效果。水闸桩基础是水利工程的重要组成结构，在多种优化方案的对比分析中，完善水闸桩基础设计，对提高水利工程建设水平意义重大。因此，相关人员可结合水利工程水闸闸室功能需求，明确水闸桩基础设计参数，强化水闸桩基安全性能。
参考文献：
[1]陈灿明，孟星宇，李致等.闸基灌注桩水平承载力现场试验与反演分析[J].水利与建筑工程学报，2020（3）：161-167.
[2]张惠军.金泽水库取水闸基础设计及优化[J].东北水利水电，2019（5）：12-70.
[3]李仕钢.浅谈水闸工程基础加固施工中水泥搅拌桩的应用[J].湖南水利水电，2020（2）：85-87.
[4]吴福彬.水闸基础工程中钢管桩围堰施工工艺探析[J].建筑工程技术与设计，2018（11）：2987-2988.