甌飛一期圍墾工程軟弱地基閘底板脫空監測技術

謝 龍 周昌臣 曹高俊

(溫州市甌飛經濟開發投資有限公司，浙江 溫州 325025)

1 概 述

水閘是修建在河道、堤防或河口上的重要水工建筑物，通過閘門啟閉控制水位、調節流量，具有擋水和泄水的雙重作用[1]。而建于深厚軟弱地基上的水閘，為提高地基承載力和減小沉降量，基礎通常采用鉆孔灌注樁處理，使其滿足水閘上部結構安全要求，但由于剛性樁基礎和地基軟土層之間沉降變形不協調，往往造成地基土層與閘底板出現脫空現象[2]，且處于水下隱蔽位置早期難以發現，直至在上下游水位差作用下形成連通的集中滲漏通道，給水閘的運行帶來嚴重安全隱患。對建于軟弱地基上的水閘閘底板脫空情況進行實時監測，及時發現和消除安全隱患，確保水閘安全運行至關重要。

因此，實時監測水閘閘底板脫空情況具有重大意義，有必要對閘底脫空問題進行質量控制并及時發現和處理。溫州市甌飛一期圍墾工程北1號、北2號水閘為1級水工建筑物，閘基情況直接決定水閘今后的質量和安全性能，意義十分重大。本文以甌飛一期圍墾工程北1號、北2號水閘軟弱地基閘底板脫空監測為例，結合現場施工條件，針對脫空質量問題進行研究，提出解決措施，可為類似工程提供參考。

2 工程概述

甌飛一期圍墾工程立足于防御超強風暴潮的基本功能，圍堤與交通道路和港口相結合，是一項集防洪、農業、漁業、生態、港口等于一體的多功能綜合性工程。其中施工Ⅰ標段所含的北1號、北2號水閘是本工程中最大的兩座水閘，建筑物級別為1級，閘基為深厚軟土地基[3]，為增加地基承載力及減少地基沉降，基礎采用鉆孔灌注樁處理，共計2497根。設計將兩座水閘圍堰合二為一，形成圍區面積10萬m2的超大型施工圍堰。

北1號閘閘底板寬100m，北2號閘閘底板寬81m，閘基30m以下均為淤泥和淤泥質土，工程地質條件較差，基礎均采用鉆孔灌注樁處理，為及時掌握閘底板的脫空情況，共布設51個測點對水閘閘底板脫空進行實時監測。

3 監測目標

由于閘底脫空后將使得閘基滲徑縮短，在上下游水位差作用下閘底極易形成集中滲漏通道，給水閘運行帶來嚴重安全隱患。因此，閘底脫空問題需及時發現和處理。根據設計對閘基土層沉降變形的測算，本工程閘基土層允許最大沉降量為10cm，因沉降變形量較小，觀測數據的精度對于合理分析評價閘底脫空狀態尤為重要。

結合目前有關建筑物變形觀測的規范精度要求[4]，北1號、北2號閘底監測目標值為：在10cm量程范圍內的測量精度需達到0.1mm。

3.1 技術指標

監測裝置采用高精度的振弦式傳感器，且監測裝置能夠穩固于閘基土層，并將閘底板與閘基土層間的混凝土墊層完全隔離。

3.2 風險指標

監測裝置穩固于軟土層，并與混凝土墊層完全隔離，觀測精度目標值具有一定挑戰性。

4 方案比選

圍繞“軟弱地基閘底板脫空監測裝置”的研發，集思廣益，運用“頭腦風暴法”[5]提出各種設想，并用“KJ法”歸納整理出三個方案[6]。

4.1 方案介紹

4.1.1 土壓力法

通過土壓力判斷底板脫空，在閘底板底部布設一支土壓傳感器，膜面與地基土充分接觸。僅有傳輸電纜引出，易于保護。

4.1.2 沉降差法

通過兩點間沉降差判斷底板脫空，在閘底板底部、地基土頂面各設一支沉降傳感器。傳感器需與外部儲液罐連通，保護困難。

4.1.3 相對位移法

通過兩點間相對位移判斷底板脫空，位移傳感器兩端分別錨固于閘底板底部和地基土頂面。僅有傳輸電纜引出，易于保護。

4.2 方案比選

方案比選除考慮經濟指標外，還應考慮其他各種影響方案選擇的因素，包括：方案實施復雜程度、資料分析復雜程度、技術推廣普及難易程度和現場試驗效果等。

采用模糊數學方案[7]優選比較模型進行定量評價計算，篩選出最優方案，其中確定權重集采用德爾菲法[8]，即專家打分法。

設影響方案優劣的因素有n個，由這n個因素構成綜合評判因素集U={u1,u2,…,un}，由影響方案選擇的n個主要因素組成。

n個因子的權重組成權重A(采用專家打分法獲得)，則A={a1,a2,…,an}。

對m個方案進行優劣評判分類，并由其組成優選比較的評判集Vm={v1,v2,…,vm}。通過因素集與評判集的對比，并經數學處理獲得評價R，通過A與R的運算(A·RT)，即可得到綜合評判的結果集B。

通過評判結果集B的計算結果即可判斷出各個方案的優劣類別。

4.2.1 建立因素集

根據上述運算原理U={u1,u2,…,u5}，其中u1為方案實施復雜程度，u2為方案經濟指標，u3為資料分析復雜程度，u4為技術推廣普及難易程度，u5為現場試驗效果[9]。影響因素的評價指標及評價數據見表1、表2。

表1 影響因素的評價指標

表2 影響因素的評價數據

4.2.2 給定權重向量

上述5個因素的權利向量為A={0.20,0.25,0.10,0.20,0.25}。

4.2.3 確定評判集

V={v1,v2,v3}，v1,v2,v3分別對應于三個方案。上述5個因素的權利向量為A={0.20,0.25,0.10,0.20,0.25}

4.2.4 建立評判矩陣

因素集與評判集之間的關系通過表2進行模糊關系矩陣R[10]表示，則

4.2.5 綜合評價計算

綜合評判的結果集B為

該回歸模型方差分析結果見表4。由表4可知，擬合的模型極顯著（P＜0.000 1），擬合度R2=0.993 4；失擬檢驗不顯著（P＞0.05），回歸模型的調整系數R2

B=A×R=(1.70,1.35,2.55)

由計算結果可以看出，方案三(相對全移法)最優，方案二(土壓力法)最差，方案一(沉降差法)居中。

4.2.6 確定最佳方案

在各種方案定量計算綜合比選的基礎上，最終確定方案三(相對位移法)為最佳方案，針對選定的總體方案，經分析確定將從錨固底座制作、錨固底座安裝、混凝土墊層隔離三方面開展詳細研發，軟弱地基閘底板脫空檢測裝置系統圖見圖1。

圖1 軟弱地基閘底板脫空檢測裝置系統圖

4.3 最佳子方案比選

4.3.1 材料選擇

長柱形鋼管單位長度重量較輕，所需鋼管較長，且需插入地基土層中，該段土體沉降無法觀測，影響觀測成果質量。圓盤形鋼板一定面積的圓板直接放置于地基表層，充分反映地基土層沉降量，觀測成果質量高。因此選用圓盤形鋼板。

墊層澆筑前預埋易受混凝土墊層澆筑影響，傳感器安裝孔洞預留難度大，難以保證安裝質量。預留坑槽后安裝。錨固底座在混凝土墊層澆筑后安裝，不受外界影響，安裝質量高。因此選用預留坑槽后安裝方法。

4.3.3 傳感器混凝土隔離

砂子隔離在后期底板混凝土澆筑時，水泥漿液通過沙子孔隙滲透到傳感器四周，造成傳感器靈敏度下降，影響觀測成果質量。護筒隔離通過護筒使傳感器與墊層、閘底板混凝土完全隔離，保證了傳感器隨底座沉降同步拉伸，觀測成果質量高。因此選用護筒隔離方法。

5 制定方法

通過上述分析，確定的最終方案見表3。

表3 最終方案表

6 方法實施

根據最終方案表，逐項實施，每一項在規定時間內完成，具體實施情況如下。

6.1 錨固底座制作

a.在室內通過測力計進行傳感器拉伸試驗，記錄最大量程時所對應的重量，并計算滿足重量要求下所對應的圓板直徑和厚度。

b.根據計算的圓板直徑和厚度選購圓板，對選購的圓板嚴格量測尺寸和重量。

c.將量測合格的圓板在專門車床廠進行孔槽螺紋的加工，通過三點定位嚴格控制中心偏差。

6.2 錨固底座安裝

a.根據底座安裝所需的空間制作混凝土澆筑模板，模板高度大于墊層混凝土的澆筑厚度，在測點處組裝固定模板。

b.墊層混凝土凝固后拆除模板，平整坑槽，將錨固底座平穩放置于坑槽內的地基表層，利用水平尺調平。

6.3 傳感器混凝土隔離

a.根據墊層頂面至錨固底座的距離截取護筒，護筒直徑略大于傳感器直徑，將護筒豎直裝入底座預留孔槽，為防止墊層混凝土與底座黏結，在底座頂面增加塑膠墊片隔離保護。

b.將護筒四周用混凝土回填充實，混凝土頂面與護筒頂齊平，將傳感器螺紋端裝入護筒，并與錨固底座螺紋連接擰緊，校正傳感器的豎直度，將傳感器與護筒間的空隙用機械黃油充填。

7 效果檢查

7.1 目標檢查

經過精心研發，認真實施，閘底板脫空監測裝置現場監測效果良好，為及時掌握閘底板脫空狀態，為水閘安全運行提供了保障。閘底板脫空監測裝置示意見圖2。

從閘底板脫空觀測成果可以看出，脫空變形觀測讀數精確到0.01mm，觀測精度超過0.1mm，完成并超過預定目標。通過觀察典型斷樁號沉降觀測數據，沉降基本穩定。閘底板脫空觀測成果見表4，脫空過程線見圖3、圖4。

圖2 閘底脫空監測裝置示意圖

表4 閘底板脫空觀測成果 單位：mm

圖3 北1號閘①閘孔底板脫空過程線

圖4 北2號閘⑥閘孔底板脫空過程線

7.2 經濟與社會效益

a.通過本次活動，完成了軟弱地基閘底板脫空監測裝置的研發，該裝置可以實現對閘底板脫空狀態的實時自動監測，為水閘的安全運行提供科學保障。且成功推廣到甌飛一期圍墾工程西河堤閘、東1號閘閘底板監測中，效果顯著，運行良好。

b.該成果填補了國內外無法對軟弱地基閘底板脫空情況進行實時監測的技術空白，適用于各種復雜工況條件下結構物的脫空變形監測，具有良好的推廣應用價值。大大提升了甌飛工程在軟弱地基監測領域的影響力，經濟和社會效益顯著。

8 結 語

目前在水閘底板脫空監測這一領域，尚無類似創新型裝置監測技術。通過對方案經濟指標、實施復雜程度、資料分析復雜程度、技術推廣普及難易程度和現場試驗效果的綜合比選，確定了最佳方案，針對選定方案中的關鍵控制點制定了最優化的對策和措施，通過現場實施，監測效果良好，為及時掌握閘底板脫空狀態，確保水閘安全運行提供了強有力的科學技術保障。在甌飛工程建設期間中，該創新型成果已成功推廣應用到甌飛一期圍墾工程西河堤閘、東1號閘閘底板監測中，西河堤閘、東1號閘均已通過驗收且順利運行兩年有余，經濟和社會效益顯著。