水閘重建方案論證及穩定性分析研究

楊禎和

（湛江市雷州青年運河管理局西海河管理所，廣東 廉江 524400）

1 工程概述

司前鎮水閘始建于1970年左右，原先水閘設計由6副閘孔構成，總凈寬度約19m，由于使用年限長，原來地基承載不足，在運營年限過久和超荷載通行的情況下，水閘各處不同程度出現變形、開裂和不均勻沉降的各種損毀現象。受交通條件限制，原址重建該水閘施工難度較大，所以通過此次規劃移址新建一座新閘，來實現區域內的防洪排澇同時兼顧取水灌溉和交通通行的目的。

新建水閘設計選用的整體敞開式水閘結構。新建水閘由凈孔寬達8m的3組孔構成。綜合考慮到河底的平均高程和考慮到地基基礎的沉降等因素，最終設計閘頂高程3.6m，交通橋寬度為7m，防浪墻頂部高程4.6m。

2 工程地質條件

2.1 巖性特征

經過對現場場地的勘察和分析。得出現場范圍內的土層從上至下劃分為第四系土層和第三系。具體可劃分如下：

2.1.1 第四系地層

1）粉質黏土：主要由粉、黏粒組成，為塘基土。

2）淤泥：含粉細砂、貝殼和腐植質。局部為淤泥質土，具有高壓縮性、高靈敏度土質極差的特點。

3）粗砂：飽和，中密狀態。主要由粗粒石英砂組成，含各級砂及粉、黏粒。

2.1.2 第三系巖層

1）強風化泥質粉砂巖：巖石礦物顆粒細小，主要以黏土礦物及石英、云母等為主；巖石風化強烈，呈半巖半土狀。

2.2 水文特征

工程區域地勢較低,且地下水埋藏較淺。場中粉質黏土為主含有土壤的中上層滯水,淤泥層主要包含結合水，主要含水層為粗砂礫層，其中有主要為孔隙水，具有強承壓水能力，侵蝕能力較好，大的風化泥質粉砂巖則為主含有裂隙水。終孔后測得兩個鉆孔地下水穩定水位分別為1.50m、1.70m。地下水一般來自大氣降雨和橫向潛流的供應，消耗于日常蒸發水和橫向逕流排泄[2]。

2.3 存在的問題

歷來洪（潮）澇災害頻繁，強臺風經常帶來大暴雨，給當地造成了嚴重的經濟損失。工程所在河流兩岸堤防高程普遍較低，一旦有遇到潭江較高的洪潮，將造成巨大經濟損失，洪潮災害已威脅到當地人民群眾的生活、生產和生命以及國家財產[3]。因此，重建閉口閘，使其與加固達標后的江堤組成一個防洪、擋潮、交通體系，水閘能及時關閘防洪擋潮，保護圍內人民的生命生產安全。排澇指圍內河涌因暴雨產生澇水時，水閘能及時排泄澇水入外河，以保護圍內不受淹或者盡可能的少受淹。

3 水閘設計計算

根據項目附近的水文站點的數據。結合地區河涌地勢的分布特征，確立了水閘的內外特征水位如表1所示。

表1 水閘內、外特征水位表

3.1 水閘設計流量

根據工程現場實際調查，結合周邊類似工程，分析重建閘前后的內澇情況。該工程地勢屬于平原河網區，兩岸圍內地形較低，當未建水閘之前，上游洪水與洪潮頻繁遭遇，受洪潮頂托，水位壅高，導致兩岸堤圍內澇水無法自排，發生內澇；建閘之后，可以有效抵擋洪潮，但是在臺風暴雨期間，水閘需要開閘排洪，受洪潮頂托，水位壅高，不利于圍內排水，如果水閘關閉，自身集雨面積產生的洪水有時仍會導致內澇發生[4]。重建水閘工程設計流量是以圍內最高水位控制，遭遇外江5a一遇3d潮型平均水位推求的過閘流量。由表2可知，水閘設計流量為95.4m3/s，大于10a一遇洪峰流量92.5m3/s，滿足10a一遇排澇要求。

表2 水閘設計流量成果表

3.2 閘頂高程計算

設計工況按照正常防汛擋潮和校準后防汛擋潮兩種進行計算。若在設計防汛擋潮工況下，取最大潮水位3.13m為水閘外設計水位。取最高潮水位下的日均最大風力值的1.5倍為設計值，V0=24m/s；在校核防洪擋潮工況下，閘外的設計水位取3.4m。

經計算水閘閘頂高程取兩種工況最大值，為4.13m，綜合設計新建水閘的頂部高程應高于兩岸堤防高程，所以此次新建水閘設計墻頂高程為4.40m，設計閘頂高程為4.40m。

4 主要建筑物穩定性分析

4.1 滲流穩定計算

水閘的基礎防滲輪廓主要由刺壁、底板、齒墻等構成，基礎防滲輪廓全長為37.2m。對于淤泥質土層，設計滲流坡降的允許值在水平段約0.3，在出口段值0.55；根據表3的計算結果可以發現，計算特定工況下的滲透坡降已經規范限定值，說明水閘滿足滲流穩定的要求 。設計將擋潮情況作為線性的滲流穩定性計算工況，其他情況為閘房穩定性分析和滲透流壓力參數之用。

表3 滲流穩定計算成果表

4.2 水閘穩定計算

閘室的計算時應采用如下公式對其抗滑穩定和基底應力復核：

1）抗滑穩定可采用以下公式計算：

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；ΣG為作用于閘室上全部豎向荷載；ΣH為作用于閘室上全部水平向荷載；f為閘室基底面與地基之間摩擦系數。

2）閘室基底應力計算：

式中：Pminmax為閘室基底應力的最大或最小值；ΣM為作用于閘室上的全部豎向或水平荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩；W為閘室基礎底面對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的截面矩；A為閘室基礎底面的面積。

3）地震力：

綜合考慮地震慣性的代表數值，應采用靜力方法進行預測。通常情形下，對水工構筑物的修改設計時所考慮的抗震作用力：建筑墻體本身和作用于其的作用力導致的水平和地震動的壓力、抗震破土荷載、地震慣性運動。

根據地勘資料表明，該項目地基坐落于淤泥土層，其強度僅有40kPa。從設計成果表4中可知，基底應力不均勻系數和不同荷載下水閘均滿足抗滑穩定和規范要求。但最大地基平均應力為53.32kPa，最大基底應力為54.30kPa，不符合最大地基承載力1.2倍的條件進而不滿足要求。所以需要對本工程的技術基礎處理。

表4 水閘穩定計算成果表

5 復合地基試樁試驗

工程試驗樁數量為3根，采用4攪2噴的方法。水泥攪拌樁在施工時大致分成干粉噴法和濕漿粉噴法兩種。在廣東地區的水泥土攪拌樁試驗的大量應用實踐中，發現干法加固的地基其質量會發生比較大的波動，樁形成后自身的強度不滿足要求，更有甚出現成樁斷樁經常。多會因為在澆筑時的攪拌不均進行導致單樁承載力和整體復合地基承載力不足。根據珠三角地區施工的成樁質量的經驗，綜合考慮決定試驗樁采用漿噴（濕法）施工。

5.1 試驗目的及要求

攪拌樁試驗有以下3個目的：

1）獲得水泥土抗壓強度的現場試驗值。

2）抽芯試驗測定試驗樁的完整性。

3）復核單樁承載力特征值的設計要求。

采用鉆芯法對本次3根試驗樁應全部進行抽芯試驗，進而保證水泥土單樁承載力特征值和抗壓強度現場試驗值試驗值的數據真實。測試時應提供測試拌和體的深度、以及測試樁的高度能否達到工程要求；樁身水泥土的強度；判定樁身的完整性；樁身的成樁搭接和均勻性。

先設置試驗樁來設計水泥土的抗壓強度實驗，對各樁進行室內的抗壓強度試驗，然后抽取上部、中部、下部各3個芯樣。選取3組樣芯來進行抗壓強度測試，取平均值最靠近設計值fcu (1.56MPa)的單樁來繼續進行單樁豎向強度測試。以《建筑工程基樁檢測技術標準》中的要求試驗，使用豎向抗壓靜載測試的方法，測試用的最高承載力量為單樁或綜合基礎設置壓力的二倍。

5.2 攪拌樁基礎計算

對散體材料增強體復合地基應按下式計算:

式中:fspk為復合地基承載力特征值(kPa)，處理前海;n為復合地基樁土應力比；m為面積置換率。

通過下表5的計算成果來看,設計基礎的基底最大平均應該為53.32kPa，復合地基力特征值fspk=72kPa,滿足最大承載力要求；同時最大基底應力為54.30kPa，滿足要求，所以攪拌樁試驗基底應力及不平衡強度均符合規范要求。

表5 水泥土攪拌樁設計參數表

5.3 地基沉降計算

借鑒水閘地基土的沉降經驗，可以選擇有不利工況點來計算最終沉降量。本次施工水閘構造為現澆全尺寸混凝土結構，分析后選擇的最終計算點為閘內外涌底的重點。計算得出臨江一側的最終沉降量為0.28m，而內涌一側最終沉降量0.27m。考慮到應降低基礎沉降會導致的不利影響，所以此次設計沉降量預留值增加0.2m。設計水閘頂部高程為3.6m。閘室地基土最終沉降以下式計算方法：

式中：S為最終沉降量，mm；m為地基沉降量修正系數，本項目取1.3；hi為第i土層的厚度，mm。

在這種情況下的基地壓力最大，由此計算的沉降也最大。水閘地基在沉降過程中荷載是經常變化的，但計算地基的沉降量，一般只取完建期的荷載情況。臨江側基點沉降量0.278m，內涌側基點沉降量0.277m，水閘內外涌沉降差0.001m。

6 結 論

水閘重建工程是一項綜合性極強的水利工程，具備防洪、控制水流量、調節水位等功能，是地區可持續發展的重要保障。根據基礎閘門的位置分布和地基的應力情況，試驗結果顯示，該沉井基礎閘門整個構造的位移，剛度和穩定性都符合了現行標準要求，在實際設計中，建議先進行沉井基礎閘門構造的數值模擬。綜上本工程的實施能有效緩解排澇問題對經濟建設及社會發展產生的隱患,提高居民生活水平和工農業生產能力，具有巨大的潛在經濟效益和社會價值。