大套船閘除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)重難點(diǎn)與解決方案

陶圣葉，於維偉，浦 慶

(鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 鹽城 224002)

1 概述

鹽城市大套船閘是鹽城市最大的綜合性跨流域調(diào)水工程——通榆河樞紐工程的重要組成部分，位于濱海縣城以西8km套坎路與通榆河交匯處，北距廢黃河4km，南距蘇北灌溉總渠約8km，是通榆河上重要的航運(yùn)樞紐，擔(dān)負(fù)著確保通榆運(yùn)河安全暢通，為社會(huì)和航運(yùn)企業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)的重任。大套船閘工程為Ⅲ級(jí)通航建筑物，主體工程為2級(jí)水工建筑物，其他永久性建筑物為3級(jí)。設(shè)計(jì)最大船舶噸位為1000t，船閘閘室平面尺寸為16m×220m×3.3m。

根據(jù)2020年7月鹽城市水利局安全鑒定結(jié)論，大套船閘安全類別為二類閘，大套船閘現(xiàn)狀人字型閘門損壞嚴(yán)重，存在問題較多，已嚴(yán)重影響船閘的安全運(yùn)行，因此須對(duì)船閘進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

文章從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，為了確保大套船閘除險(xiǎn)加固工程在施工過程中的安全穩(wěn)定，根據(jù)工程施工的主要流程，對(duì)存在安全隱患的步驟進(jìn)行了分析，提出解決方案，且最終在施工中得到了驗(yàn)證，證明了方案的合理性與可行性。

2 工程總體分析

大套船閘除險(xiǎn)加固工程主要建設(shè)內(nèi)容為人字門、閥門工程等金屬結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的維修加固。因人字門在運(yùn)行過程中會(huì)突然下沉，在閘門完全關(guān)閉時(shí)存在回彈情況，同時(shí)伴隨著縱向連接系嚴(yán)重變形，閘門存在變形和漏水等現(xiàn)象，故本次需要對(duì)大套船閘的閘門進(jìn)行徹底的檢查和大修。

大套船閘除險(xiǎn)加固工程需在通榆河航道斷航期間進(jìn)行，避開汛期，采用干法施工。本次工程施工主要流程如下：安放上閘首檢修閘門→調(diào)整閘室水位與下游水位相平→安放下閘首檢修閘門→閘室抽水，對(duì)墻后地下水進(jìn)行同步降水，閘室水位抽降至底板面層→閘門維修→拆除下閘首檢修閘門→拆除上閘首檢修閘門。

根據(jù)本次施工主要流程，最容易出現(xiàn)安全隱患的步驟主要在抽水期和施工期閘室處于無水狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性，文章主要對(duì)以上兩種狀態(tài)下閘室的穩(wěn)定性進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

3.1 工程地質(zhì)

大套船閘閘址處地面高程為3.5～5.5m(廢黃河零點(diǎn)，下同)，勘區(qū)內(nèi)土層自上而下分述見表1。

表1 勘區(qū)鉆探范圍內(nèi)主要土層相關(guān)參數(shù)表

3.2 水文地質(zhì)

根據(jù)工程勘區(qū)水文地質(zhì)工作單孔注水試驗(yàn)，鉆探范圍內(nèi)主要含水層及有關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 勘區(qū)鉆探范圍內(nèi)主要含水層及有關(guān)數(shù)據(jù)表

4 閘室穩(wěn)定設(shè)計(jì)

大套船閘工程由上下閘首、閘室、上下游導(dǎo)航墻和上下游靠船墩組成。其中上下閘首、上下游導(dǎo)航墩及上下游靠船墩均為常規(guī)結(jié)構(gòu)，按照正常的設(shè)計(jì)考慮即可，文章不再細(xì)述。閘室采用分離式結(jié)構(gòu)，閘室墻型式下部為鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，上部接現(xiàn)澆鋼筋混凝土錨錠板墻，閘室底板處設(shè)鋼筋混凝土頂撐框構(gòu)，底板型式為干砌石透水底板，墻后設(shè)自流排水設(shè)施及抽降水井，自流排水設(shè)施功能為運(yùn)行期排除墻后地下高水，排水管出口位于下游翼墻上，并設(shè)置逆止拍門，抽降水井功能為施工期、完建期、大修期抽降墻后地下水，閘室底板面高程為-3.5m，閘室凈寬16m，閘室墻頂高程為5.6m，頂寬0.6m。

閘室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閘室結(jié)構(gòu)圖(高程單位：m；尺寸單位：cm)

4.1 突涌驗(yàn)算

一方面閘室底板與兩側(cè)墻身為分離式結(jié)構(gòu)，另一方面閘室底板型式為干砌石透水底板，為防止閘室底板發(fā)生承壓水突涌，確保本工程順利實(shí)施，首先進(jìn)行閘室突涌驗(yàn)算。

本次突涌驗(yàn)算主要驗(yàn)算閘室底板至承壓含水層頂間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力，即

Hγs≥Fsγwh

(1)

式中，H—閘室底板至承壓含水層頂板間距離，m；γs—閘室底板至承壓含水層頂板間土的加權(quán)平均重度，取18.65kN/m3；h—承壓水水頭高度到承壓含水層頂板的距離，m；γw—水的重度，取10kN/m；Fs—安全系數(shù)，取1.10。

閘室底板抗突涌示意圖如圖2所示，突涌計(jì)算成果詳見表3。

圖2 閘室底板抗突涌示意圖

表3 承壓水安全系數(shù)計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算，在3-3層與5-1層承壓水作用下，安全系數(shù)均小于1.10，承壓水水頭能頂裂或沖毀底板，發(fā)生突涌。因此，需要在檢修期降低承壓水水頭，經(jīng)計(jì)算，在滿足規(guī)范要求的情況下，降水深度至少為3.78m，即降水高程為-2.55m以下。

4.2 降水方法的選擇

本工程需要降低墻后地下水和承壓水。

降低地下水的方法有集水明排和井點(diǎn)降水，經(jīng)復(fù)核，大套船閘原設(shè)計(jì)墻后排水管和檢查井依然能有效降排地下水；承壓水需要通過井點(diǎn)降水的方法來降低，井點(diǎn)降水是通過對(duì)地下水施加作用力來促使地下水的排出，井點(diǎn)降水有輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)和管井(深井)井點(diǎn)等方式，大套船閘閘室兩側(cè)原設(shè)計(jì)分別布置管井5口，經(jīng)檢查確認(rèn)，其中1口已經(jīng)損壞，4口已經(jīng)堵塞，剩余5口深淺不一，詳情如圖3所示。故本次降水的重點(diǎn)在于承壓水降水。

圖3 大套船閘降水井檢測(cè)結(jié)果圖

經(jīng)比較，洗井與新打井概算價(jià)格相差不大，參考原有降排水設(shè)計(jì)方案，本次設(shè)計(jì)采用新打管井降水方案，參考原設(shè)計(jì)降水井布置，初擬新打管井10口，均布于閘室兩側(cè)，直徑為30cm，井深20m，井口中心間距52.5m，井口中心距離閘室中心線20m。大套船閘新打管井布置如圖4所示。

圖4 大套船閘新設(shè)降水井布置圖(單位：cm)

4.3 降水設(shè)計(jì)

本工程降水地下滲流特征如圖5所示。

根據(jù)圖5，屬于第二類基坑滲流。此類降水的圍護(hù)結(jié)構(gòu)未深入降水含水層，其地下水滲流特征是由于不受圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響，基坑底部承壓水內(nèi)外連續(xù)相通，呈二維流態(tài)，為無界基坑平面滲流。

圖5 大套船閘工程降水地下滲流特征圖(單位：m)

已知混合地下常水位為1.00m，基坑最低處高程為-3.50m，深層水水位為-11.52m，故H=1.00-(-11.52)=12.52m，S=1.00-(-3.50)=4.50m，滲透系數(shù)K=1.1×10-3cm/s(0.95m/d)。

(1)降水影響半徑

(2)等效半徑

A=40×210=8400m2

(3)抽水影響半徑

R0=R+X0=81.98m

(4)降水系統(tǒng)總涌水量

工程采用管井井點(diǎn)降水。將整個(gè)布井范圍視為一個(gè)大口井(如圖6所示)，采用如下的承壓-潛水井穩(wěn)定流公式計(jì)算滿足工程降水要求的基坑總出水量：

圖6 大套船閘工程降水井分布圖計(jì)算簡圖

(2)

計(jì)算得出

=1154m3/d(0.0134m3/s)。

(5)管井過濾器進(jìn)水部分單井的單位進(jìn)水量

(3)

式中，r—濾管半徑，m，按設(shè)計(jì)取用0.18m；l—有效濾管長度，m，根據(jù)表2，主要滲水層為3-3層，按設(shè)計(jì)取用1.25m；K—滲透系數(shù)，m/d，取0.95m/d。

(5)工程需設(shè)置降水井?dāng)?shù)

n=1.1Q/q=1.1×1154/129.11=9.83，降水井?dāng)?shù)取10口。故本工程初擬降水井(即新打管井、余同)數(shù)量滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)工程實(shí)際抽水監(jiān)測(cè)

本次閘室抽水時(shí)間為2021年5月5—9日，閘室2臺(tái)水泵抽水，墻后降壓井共10臺(tái)水泵，24小時(shí)抽水。

抽水期間，控制閘室水位隨墻后降水井水位下降而下降，開始降水井水泵放置在-1.00m高程處，待水位降至與閘室底板高程(-3.50m)相平時(shí)，將水泵放置在-7.00m位置，24小時(shí)抽水，每日觀測(cè)一次水位。詳細(xì)觀測(cè)數(shù)據(jù)見表4。

表4 閘室墻后降壓井水位觀測(cè)表

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：在閘室抽空之前，控制閘室水位同墻后降水井水位齊平或略高，墻后降水井降至-2.2m左右時(shí)，控制水位不再發(fā)生變化，抽空閘室。根據(jù)觀測(cè)資料，閘室底板沒有滲水現(xiàn)象；根據(jù)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)分析(詳見安全檢測(cè)章節(jié))，水位已穩(wěn)定，且不會(huì)造成閘室墻位移。

5 安全監(jiān)測(cè)

在除險(xiǎn)加固過程中，為確保檢修期的施工安全，需監(jiān)測(cè)船閘在檢修期的穩(wěn)定情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施，也為今后的船閘檢修改造提供參考數(shù)據(jù)，本次檢修期對(duì)閘室墻等水工建筑物進(jìn)行了位移、沉降等觀測(cè)工作。

根據(jù)GB 50026—2007《工程測(cè)量規(guī)范》、JGJ 8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》及JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》中對(duì)位移、沉降觀測(cè)的各項(xiàng)規(guī)定，本次采用GB 50026—2007規(guī)定，以大型船閘監(jiān)測(cè)點(diǎn)位中誤差為±(3～6)mm作為本次觀測(cè)工作的精度指標(biāo)，沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程中誤差為±0.5mm。

本次位移沉降均采用天寶S9全站儀測(cè)量，該儀器測(cè)角精度為0.5秒，測(cè)距為0.6mm+1ppm，該儀器可以自動(dòng)跟蹤瞄準(zhǔn)，觀測(cè)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄并保存。

每次觀測(cè)應(yīng)遵守“四固定”原則，即觀測(cè)使用同一臺(tái)儀器，觀測(cè)人員固定，觀測(cè)路線固定，觀測(cè)環(huán)境和條件基本相同。

在整個(gè)除險(xiǎn)加固過程中，位移和沉降共觀測(cè)了16次。得出如下觀測(cè)結(jié)論：閘室墻無上浮趨勢(shì)，左岸、右岸均有向閘室中心線位移的趨勢(shì)，但均未超過標(biāo)準(zhǔn)(位移突變值為5mm，累計(jì)為12mm；沉降突變值為5mm，累計(jì)為10mm)，閘室墻基本穩(wěn)定。

通過本次安全監(jiān)測(cè)結(jié)論以及現(xiàn)場(chǎng)竣工驗(yàn)收成果，本次降水設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求，也是安全可靠的。

6 總結(jié)

本工程采用干法施工，閘室底板為干砌石透水底板且存在承壓水，重點(diǎn)需要基坑深層降水設(shè)計(jì)，從后期的檢測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)查勘結(jié)果以及對(duì)施工單位的回訪，普遍認(rèn)為本次管井降水設(shè)計(jì)是安全可靠的。

本次研究，理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)結(jié)論存在一定的偏差，但是總體能保證工程施工的安全。本工程在設(shè)計(jì)過程中查閱了大量巖土工程系列資料，在相應(yīng)的水利工程相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中缺少對(duì)詳細(xì)應(yīng)用的說明或案例，希望在以后科研中能加強(qiáng)對(duì)基坑降排水在水利工程中的應(yīng)用研究，編制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、完善設(shè)計(jì)理論、開發(fā)計(jì)算軟件，填補(bǔ)行業(yè)空缺。