洞庭湖區(qū)軟土地基水閘不均勻沉降問(wèn)題淺析

鐘達(dá)聰，王育飛，劉 湘

(1．廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710；2.華容縣大通湖東垸分洪閘管理所，湖南 岳陽(yáng) 414200)

1 工程概況

大通湖東垸分洪閘工程位于華容縣注滋口鎮(zhèn)東浹村湖堤，是國(guó)家重大節(jié)水供水工程，工程總投資為20 230萬(wàn)元，是長(zhǎng)江中下游防洪體系的重要組成部分。

分洪閘布置在原湖堤內(nèi)側(cè)，閘室軸線與原湖堤中心線平行，并相距72 m，過(guò)流總凈寬為160 m，閘室總寬為190 m。閘室為低實(shí)用堰結(jié)構(gòu)，共16孔，為兩孔一聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，聯(lián)段寬度為23.5 m，單孔凈寬為10 m，中墩厚1.5 m，兩側(cè)縫墩各厚1.0 m。閘室底板順流向長(zhǎng)20 m，建基面高程為24.5 m。閘室閘頂高程為35.60 m，閘室低實(shí)用堰頂高程為28.0 m，低實(shí)用堰以外的平底部分高程為26.50 m，底板厚度為2 m。兩側(cè)連接段為土堤，堤頂高程為35.60 m。閘室段與連接土堤間設(shè)置了箱形岸墻，岸墻寬16 m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)22.5 m。閘室上游設(shè)置了防滲鋪蓋和護(hù)坦，進(jìn)口兩側(cè)喇叭口采用扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)。閘室下游設(shè)置了消力池、海漫和防沖槽。

2 地質(zhì)條件

大通湖東垸屬河湖相堆積地貌單元，區(qū)內(nèi)分布地層為第四系沖湖積堆積湖積、河流沖積和人工堆積層。區(qū)內(nèi)地下水類型為孔隙潛水和孔隙承壓水，水位受汛期外湖水位影響較大。閘基工程地質(zhì)情況見(jiàn)圖1，各土層力學(xué)及滲透性指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 大通湖東垸分洪閘土的物理力學(xué)及滲透性指標(biāo)推薦值

a 地質(zhì)探孔平面布置

閘基第四系覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉細(xì)砂、粘性土、砂壤土、粉細(xì)砂、砂卵礫石，防洪堤分布素填土[1]。閘基多為全新統(tǒng)沖湖積堆積Q4al+l淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾薄層粉細(xì)砂及砂壤土透鏡體，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土呈流塑～軟塑狀，厚度為5～7 m，其孔隙比和天然含水率大，壓縮系數(shù)高，抗剪強(qiáng)度低，透水性弱，因而淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地基承載力低；加之其分布厚度不均，使淤泥質(zhì)土物理力學(xué)性能在垂直和水平分布上有所差異，主要存在滲透變形和軟土引起的不均勻沉降及抗滑穩(wěn)定、抗沖刷穩(wěn)定等工程地質(zhì)問(wèn)題。

根據(jù)地勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后揭露地質(zhì)情況來(lái)看，分洪閘各建筑物地基大多位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾薄層粉細(xì)砂層中，為軟土地基，由于其具有高壓縮性，承載力低等特點(diǎn)，在上部建筑物荷載作用下，易發(fā)生較大的沉降。閘室西側(cè)第7、8聯(lián)持力層有部分為砂壤土，相對(duì)東側(cè)1、2聯(lián)地質(zhì)稍好，砂壤土具有中等壓縮性，承載力相對(duì)較高，在上部建筑物荷載作用下，沉降量相對(duì)軟土地基小，易導(dǎo)致地基產(chǎn)生不均勻沉降變形。

3 地基處理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采取水泥土攪拌樁復(fù)核地基的處理方案，攪拌樁成格柵式布置，每聯(lián)共布置886根，置換率為0.312；樁徑為500 mm，單樁長(zhǎng)13 m，水泥摻量為18%，樁頂設(shè)50 cm厚水泥土褥墊層和10 cm厚砼墊層。

閘室左右兩側(cè)邊墩與土堤連接處設(shè)空箱岸墻，左右各兩節(jié)，每節(jié)寬16 m，順流向長(zhǎng)22.5 m。建基面高程為24.5 m，頂部高程為35.6 m。箱涵岸墻底板厚1.5 m，頂板厚0.5 m，外側(cè)墻厚0.75 m，內(nèi)隔墻縱橫向各2道，墻厚0.5 m，中部空腔填土高程為30.5 m。

兩側(cè)連接堤為3級(jí)堤防，連接一線大堤與分洪閘閘頂交通橋。連接堤與原大堤成210°夾角布置，其中左岸連接堤段長(zhǎng)273.0 m，右岸連接堤段長(zhǎng)283.7 m。堤防外邊坡回填至35.60 m高程，然后與原堤防連接成一整體，內(nèi)邊坡為1∶3。堤頂設(shè)8.5 m寬堤頂路面。連接土堤的土料來(lái)源為原大堤開(kāi)挖料和部分結(jié)構(gòu)開(kāi)挖料，為粉質(zhì)黏土，設(shè)計(jì)壓實(shí)度要求不小于0.93。

箱形岸墻與連接土堤處20 m范圍設(shè)置了水泥土攪拌樁，樁間距975 mm，排距分別為1.2 m、1.8 m，共布置攪拌樁378根，置換率為0.143。水泥土攪拌樁樁徑為500 mm，單樁長(zhǎng)13 m，水泥摻量為18%。以緩解土堤段沉降對(duì)岸墻的影響。

4 沉降發(fā)生過(guò)程、處理措施

2017年11月，大通湖東垸分洪閘正式開(kāi)工。2018年9月，開(kāi)始對(duì)閘室進(jìn)行沉降觀測(cè)，2019年4月閘門安裝完成。2019年6月發(fā)現(xiàn)閘室出現(xiàn)不均勻沉降，且沉降差不斷擴(kuò)大。2019年10月將岸墻箱體內(nèi)土方減載開(kāi)挖，從原設(shè)計(jì)高程30.5 m挖除至高程28.5 m，沉降擴(kuò)大速率減緩，但仍繼續(xù)發(fā)展。至2020年3月4日，閘室兩側(cè)1、8聯(lián)變形較大，中間2～7聯(lián)變形較小。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：分洪閘上游側(cè)的16個(gè)臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)(見(jiàn)圖2)的平均沉降量為68.3 mm，其中第1聯(lián)平均沉降量為154.6 mm，第8聯(lián)平均沉降量為104.3 mm，中間2～7聯(lián)沉降相對(duì)均勻，平均沉降值為45 mm。由于不均勻沉降，導(dǎo)致兩側(cè)邊聯(lián)伸縮縫張開(kāi)、止水局部拉裂。

圖2 大通湖東垸分洪閘工程安全監(jiān)測(cè)臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)布置示意

2020年4月9日，建設(shè)單位組織專家召開(kāi)咨詢審查會(huì)議，制定了應(yīng)急處理方案和后續(xù)加固措施。根據(jù)咨詢意見(jiàn)，施工單位在2020年6月前完成閘室沉降初步處理，主要措施包括：修復(fù)伸縮縫止水、連接段增設(shè)攪拌樁和上游翼墻墻背削坡減載。同時(shí)，增設(shè)了箱形岸墻、上下游擋墻、上游鋪蓋等位置的臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行了持續(xù)系統(tǒng)的觀測(cè)[2]。

2020年7—9月，分洪閘超警戒水位運(yùn)行近2個(gè)月，閘前最高水位超設(shè)計(jì)分洪水位為0.3 m，閘門止水效果良好，水閘運(yùn)行正常。

2021年7月6日，項(xiàng)目法人組織了閘室地基沉降處理結(jié)果專家評(píng)審會(huì)議，評(píng)審意見(jiàn)如下：經(jīng)過(guò)沉降處理，截止2021年6月30日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示閘室地基整體平均沉降值77.2 mm，第1聯(lián)平均沉降量為151.3 mm，第8聯(lián)平均沉降量為136.6 mm。中間2～7聯(lián)平均沉降值為58 mm。兩側(cè)閘室的不均勻沉降，導(dǎo)致第1、2聯(lián)與第7、8聯(lián)之間的伸縮縫發(fā)生變形，其中第1、2聯(lián)之間的上游閘墩頂部伸縮縫最大寬度達(dá)105 mm(原設(shè)計(jì)寬度為20 mm)，第7、8聯(lián)之間伸縮縫最大寬度為66 mm。從2020年10月份起，閘室地基沉降基本穩(wěn)定。

圖3、4中橫軸樁號(hào)從東至西開(kāi)始排布，0樁號(hào)為第1聯(lián)室，188樁號(hào)為第8聯(lián)室。

圖3 閘室上游側(cè)各水準(zhǔn)點(diǎn)沉降量空間分部曲線示意

圖4 閘室下游側(cè)各水準(zhǔn)點(diǎn)沉降量空間分部曲線示意[3]

5 沉降形成的原因

5.1 沉降復(fù)核計(jì)算分析

影響水閘軟土地基沉降的因素主要有地基土的厚度、重度、強(qiáng)度、壓縮性、滲透性；結(jié)構(gòu)物的形狀、體積、重度地基處理方法加載方式及加載速率等[4]。以下通過(guò)對(duì)各部位的不同地質(zhì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行沉降理論值復(fù)核計(jì)算，并將理論值和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

1)閘室沉降復(fù)核

水泥攪拌樁復(fù)合地基的壓縮變形包括復(fù)合土層的平均壓縮變形S1和樁端下未加固土層的壓縮變形S2。

(1)

Esp=mEp+(1-m)Es

(2)

式中：

pz——攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值，kPa；

pz1——攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值，kPa；

Esp——攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量，kPa；

Ep——攪拌樁的壓縮模量，kPa；

Es——樁間土的壓縮模量，kPa。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[5]，攪拌樁的壓縮模量Ep取130 MPa。

S2采用分層總和法[5]，計(jì)算影響深度范圍內(nèi)的各土層壓縮量之和。

計(jì)算公式：

(3)

式中：

S——地基最終變形量，mm；

S′——按分層總和法計(jì)算出的地基變形量；

φs——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.6。

n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

p0——基礎(chǔ)底面處的附加壓力，kPa；

Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa；

zi、zi-1——基礎(chǔ)底面下第i層土、第i-1層土底面的距離，m；

地基變形計(jì)算深度，應(yīng)符合下式要求：

(4)

式中：

復(fù)合地基沉降量計(jì)算各參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 復(fù)合地基沉降量計(jì)算

按水閘完建工況的基底平均應(yīng)力計(jì)算，復(fù)合地基計(jì)算總沉降量為9.86 cm，滿足水閘規(guī)范對(duì)沉降量的控制要求。相比實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)沉降量峰值：1聯(lián)室+5.27 cm，8聯(lián)室+3.8 cm，2～7聯(lián)室-4.06 cm(“+”偏大，“-”偏小)，說(shuō)明中間聯(lián)室沉降可控，兩側(cè)邊聯(lián)室沉降受到不利因素影響，沉降值加大。

2)岸墻沉降復(fù)核

岸墻沉降計(jì)算方法與閘室沉降相同，經(jīng)計(jì)算，岸墻沉降計(jì)算結(jié)果為：原設(shè)計(jì)沉降計(jì)算值為14.74 cm，與閘室不均勻沉降相差4.88 cm，滿足規(guī)范要求；施工過(guò)程中沉降計(jì)算值為19.06 cm，與閘室不均勻沉降相差9.2 cm，超出規(guī)范值。相比實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)沉降量峰值：+4.32 cm，說(shuō)明受到不利因素影響加大了沉降值。

3)新建堤防沉降復(fù)核

因地下水位較高，土體在地下水位以下，自重應(yīng)力采用浮容重計(jì)算[6]。沉降計(jì)算最終厚度以附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比值為0.2左右來(lái)控制，本處沉降計(jì)算深度取值為35 m左右。

堤身和堤基的最終沉降量，可按下式計(jì)算[7]：

(5)

式中：

S——最終沉降量，mm；

n——壓縮層范圍的土層數(shù)；

e1i——第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；

e2i——第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；

hi——第i土層的厚度，mm；

m——修正系數(shù)，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.8，本處軟土地基取1.3，非軟土地基取1.0。

新建土堤堤高6 m，經(jīng)計(jì)算，沉降值為17.5 cm，與土堤旁的岸墻結(jié)構(gòu)沉降接近。

經(jīng)以上計(jì)算成果可知，閘室兩側(cè)結(jié)構(gòu)的理論沉降量均比閘室部分大，由此容易產(chǎn)生不均勻沉降現(xiàn)象，但不均勻沉降應(yīng)在規(guī)范值范圍內(nèi)。而實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，產(chǎn)生的不均勻沉降超出了理論計(jì)算值，且沉降超限位置集中在岸墻和閘室兩側(cè)邊聯(lián)。這點(diǎn)和理論計(jì)算的閘室兩側(cè)堤防、岸墻地基沉降量較大的特征吻合，由此推測(cè)閘室兩側(cè)堤防和岸墻地基沉降帶動(dòng)閘室邊聯(lián)地基沉降。

5.2 不均勻沉降原因綜合分析

第1聯(lián)、第8聯(lián)均為閘室邊聯(lián)，與岸墻、新建土堤相連，其基底應(yīng)力及沉降受兩側(cè)結(jié)構(gòu)施工和沉降影響較大，理論上相比2～7聯(lián)的沉降更大。目前從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)情況來(lái)看，第1聯(lián)、第8聯(lián)沉降明顯較其他聯(lián)室偏大，且實(shí)測(cè)沉降量比理論計(jì)算沉降量偏大，出現(xiàn)左右不均勻現(xiàn)象。主要有以下4方面原因：

1)本工程位于洞庭湖區(qū)，閘址地基存在較厚淤泥質(zhì)軟弱土層，土層的物理性能受地下水等情況影響較大，而洞庭湖區(qū)地下水豐富，且水位受汛期影響較大，流塑狀態(tài)的土層地質(zhì)情況受地下水影響也容易發(fā)生變化。此外，地勘資料難以全面反應(yīng)各個(gè)建設(shè)階段基礎(chǔ)處理部位的地質(zhì)情況，相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值只能代表地勘作業(yè)時(shí)期的地質(zhì)情況，與實(shí)際施工階段存在差別，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)算結(jié)果失真，沉降控制措施達(dá)不到預(yù)期效果。2～7聯(lián)室沉降相對(duì)計(jì)算結(jié)果偏小，1、8聯(lián)室相對(duì)計(jì)算結(jié)果沉降偏大，從而沉降差比預(yù)期大，不均勻沉降現(xiàn)象更加明顯。

2)中間閘室段沉降較小且均勻、兩岸閘室段沉降較大、不均勻的規(guī)律說(shuō)明兩側(cè)閘室段的沉降受到連接段邊荷載的影響大，中間閘室受影響較小。攪拌樁底的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)表明，1聯(lián)、8聯(lián)沉降量大部分發(fā)生在地基處理樁體以下的位置，且沉降變形也與岸墻及連接段填土?xí)r段明顯相關(guān)，說(shuō)明兩側(cè)連接段填土加載，引起地基沉陷，從而帶動(dòng)兩側(cè)閘室和岸墻的地基向連接段沉降，造成閘室1聯(lián)、8聯(lián)基礎(chǔ)整體向兩側(cè)傾斜。另外，堆載速率越快，則等價(jià)于加載模式等趨近于瞬時(shí)加載，沉降速率也隨之加快[8]，由此相對(duì)于緩慢堆載更容易帶動(dòng)周邊土體沉陷，加劇了閘室邊聯(lián)的沉降，增大了閘室結(jié)構(gòu)之間的不均勻沉降量。

3)施工過(guò)程中箱形岸墻內(nèi)空腔堆土過(guò)高，增加了岸墻荷載，岸墻基底應(yīng)力加大，引起沉降加大，加劇了不均勻沉降，發(fā)現(xiàn)該情況后，將箱形岸墻內(nèi)空腔堆土清至28.5 m高程后，岸墻沉降速率減緩，由此近一步說(shuō)明荷載過(guò)重，減載措施有效。

4)現(xiàn)場(chǎng)樁體檢測(cè)、地質(zhì)剖面圖和沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：8聯(lián)的沉降比1聯(lián)的沉降小，其主要原因是8聯(lián)位置地質(zhì)含砂壤土層厚度比1聯(lián)厚。水泥土攪拌樁的成樁效果在沙壤土中相對(duì)較好，且成樁后樁體抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的地層，水泥土攪拌樁的成樁效果稍差，成樁固結(jié)需要的時(shí)間更長(zhǎng)[9]。大型水閘選址的時(shí)候如果地質(zhì)不一致，結(jié)構(gòu)地基范圍跨越淤泥質(zhì)土和沙壤土。采用相同的水泥土攪拌樁處理方式進(jìn)行地基處理，攪拌樁成型后，雖然都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但不同區(qū)域的攪拌樁抗壓強(qiáng)度、復(fù)合地基承載力和壓縮量不一致，也容易加大結(jié)構(gòu)的不均勻沉降量。

在上述多種因素的影響下，使得不均勻沉降擴(kuò)大。采取閘室兩側(cè)土體減載和樁基礎(chǔ)加固等措施后，沉降現(xiàn)象得到控制，且局部發(fā)生回彈，沉降量縮小等現(xiàn)象，近一步佐證了超載等沉降形成的原因和減載等處理措施的合理性。

6 沉降影響評(píng)價(jià)

從計(jì)算復(fù)核和運(yùn)行情況看，閘室穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求，閘室沉降已基本穩(wěn)定，兩側(cè)雖發(fā)生了較大沉降，但閘室未發(fā)生水平位移，閘室整體結(jié)構(gòu)完好，閘門可正常啟閉，伸縮縫經(jīng)處理后滿足防滲要求，分洪閘整體安全，滿足正常運(yùn)行要求(工程實(shí)景見(jiàn)圖5)。

圖5 大通湖分洪閘完工實(shí)景(2022年6月7日汛期拍攝)

7 結(jié)語(yǔ)

洞庭湖區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，同期建設(shè)的錢糧湖垸、共雙茶垸分洪閘和三大垸安全區(qū)建設(shè)中的水閘也出現(xiàn)了不同程度的不均勻沉降問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)等單位要對(duì)軟土地基的不均勻沉降問(wèn)題引起高度重視，提前預(yù)防控制。

1)加強(qiáng)地質(zhì)勘探工作，因地制宜，選擇經(jīng)濟(jì)合理、可靠性更高的軟基處理方案。水泥土攪拌樁技術(shù)雖較成熟，但實(shí)際存在施工質(zhì)量不易控制和成樁效果達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期的問(wèn)題，尤其在地下水位較高且流動(dòng)的地方，水泥土攪拌樁成樁效果有待進(jìn)一步研究。建議加強(qiáng)地質(zhì)勘察工作，加密在結(jié)構(gòu)物周邊的地質(zhì)勘測(cè)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)選址盡量選擇土層接近的均質(zhì)地基。地質(zhì)條件較差、可能引起周邊地基沉陷帶動(dòng)建筑物地基沉降的，應(yīng)根據(jù)荷載情況適當(dāng)調(diào)整擴(kuò)大地基處理范圍和深度[10]，或者采用樁基礎(chǔ)、砂樁結(jié)合水泥攪拌樁等處理軟土地基的方案優(yōu)化地基處理的效果[11-13]。

2)軟土地基上的水閘，要充分考慮邊荷載對(duì)邊閘室的不利影響，盡量保證建筑物結(jié)構(gòu)自重均衡、荷載大小過(guò)渡緩和。如大型水閘兩側(cè)翼墻和堤防連接段的形式，建議采用斜坡、錐坡結(jié)構(gòu)，讓荷載逐步增加，起到過(guò)渡緩沖的作用。必要時(shí)，可先填土堆載預(yù)壓，待地基固結(jié)后再施工。

3)加強(qiáng)邊閘室和連接段的地基處理措施，設(shè)置軟性過(guò)渡裝置，可考慮增加結(jié)構(gòu)縫的寬度和縫內(nèi)填充物的厚度。防止不均勻沉降拉裂止水裝置和減小不均勻沉降對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

4)合理安排結(jié)構(gòu)物施工次序。水閘混凝土澆筑施工以閘室為中心，按“先深后淺、先重后輕、先高后矮、先主后次”的原則進(jìn)行，預(yù)留“重、高”結(jié)構(gòu)部位沉降時(shí)間，在連接段施工前，讓結(jié)構(gòu)沉降穩(wěn)定，再安排連接段施工，并做好預(yù)防結(jié)構(gòu)部位加載導(dǎo)致二次沉降的措施。

5)建筑物周邊填土應(yīng)注意填土的順序和速度，均衡上升，同時(shí)考慮填土速率及大小對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警值的影響，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[14]。避免因填土方式不當(dāng)或速度過(guò)快造成建筑物受力不均，從而發(fā)生不均勻沉降或滑移。

6)加強(qiáng)工程安全監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常，立即查明原因，采取合理的處理措施進(jìn)行控制。

為了洞庭湖區(qū)軟土地基水閘建設(shè)中不均勻沉降可控，相關(guān)設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)等單位技術(shù)人員要多查閱類似工程案例，吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，熟悉地質(zhì)情況，嚴(yán)格、加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，定期進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，分析沉降的原因，及時(shí)采取處理措施，預(yù)防和減少不均勻沉降的發(fā)生，促進(jìn)湖區(qū)水利工程建設(shè)健康可持續(xù)的發(fā)展。