新沭河三洋港樞紐海淤土地基高潮差擋土墻設計方案

陳高義 孫 勇 沈繼華 楊 中 崔 飛

新沭河三洋港樞紐海淤土地基高潮差擋土墻設計方案

陳高義 孫 勇 沈繼華 楊 中 崔 飛

一、工程概況

三洋港樞紐位于江蘇省連云港市郊新沭河入海口，具有擋潮減淤、降低上游灘地糙率、改善排澇條件，以及利用河槽蓄水，為連云港市增加水源，改善交通條件，促進港口發展等多項功能。三洋港擋潮閘為該樞紐的主要建筑物，設計泄洪流量6400m3/s，共33孔，單孔凈寬15m。樞紐工程靜態總投資5.5億元。

岸翼墻總體布置上游大體為圓弧形，下游為“八”字形。閘室底板高程-2.00m，消力池護坦-5.00m，上、下游翼墻頂高程根據泄洪、擋潮和正常蓄水等因素擬定為4.00m，上游翼墻凈高為6.00m，下游翼墻凈高為9.00m。岸墻頂高程考慮閘室和兩岸的平順連接擬定為8.00m，岸墻凈高為10.00m。地基表層的海淤土層底平均高程約為-10.00m，普遍較厚。

連云港潮位起落頻繁。根據現有潮位統計資料，最大漲潮潮差6.11m，最大落潮潮差5.93m，平均潮差3.48m。下游翼墻前水位跟隨著海潮頻繁地漲落，而墻后水位相對穩定在較高的水平。當墻前水位較高時，墻前、后水壓力能夠基本抵消，而當潮水落到較低位置時，則墻前、后水壓力相差懸殊，使翼墻的設計條件相當惡劣。本工程取20年一遇低潮位作為最不利的設計工況，該水位為-3.35m。相比于下游翼墻，上游翼墻要相對好得多，墻前水位即河道的蓄水位，其中正常蓄水位2.00m，最低蓄水位0.50m，即使在低潮位泄洪時，通過工程控制運用措施，也可使墻前水位不低于1.00m。

對于墻后水位，根據地質勘察報告，勘探期間地下水位在2.5m～3.0m，表層地下水靠大氣降水和人工蝦塘補給，受季節和潮水位變動的影響而變化。在擋潮閘建成后，分析墻后地下水位將受閘上蓄水位、遠處地下水位和潮水位變動的綜合影響，最終應相對穩定在2.50m高程左右。

二、設計難點

一是工程場區建基面為海相淤泥和淤泥質土，地基條件差；二是墻后地下水位高，淤泥質土對墻背的側壓力大，墻前潮水位周期性漲落使得設計條件更為復雜，增加了岸翼墻的設計難度；三是場區適合填筑的土料匱乏，水質具有腐蝕性，對岸翼墻工程材料的選用和處理措施起到了一定的制約作用；四是設計方案要便于施工。因上述因素，使得海口工程具備了有別于其他水利工程的施工特點，最突出的是海淤土基坑的場內道路以及大型施工設備的工作面因軟弱而易產生沉陷，致使施工難度加大，臨時工程費用增加。故在進行永久工程設計時，要盡量考慮降低施工的難度。

一般就內陸的水閘而言，影響擋土墻的穩定比較敏感的因素有墻后墻前水位差、墻后水平土壓力、擋土墻的寬高比等，而其中又以墻后墻前水位差為最，如水庫水位驟降對泄洪閘翼墻的影響、內陸河道水位降落對水閘翼墻的影響。前者問題突出一些，通過合理的設計，采取一些措施，能夠把墻后墻前水位差控制在1.5m以內。后者墻后墻前水位差一般更低，大多可以控制在0.5m以內，問題不是很突出。

三、設計方案

1.沉井基礎方案

岸翼墻采用沉井基礎，沉井刃腳插入較堅實的土層0.5m~1.0m，穩定分析時將沉井與墻身視作一體，相當于總墻高達15.2m。先按淺基礎計算，墻后水、土壓力非常大，按常規寬高比設計擋土墻，其穩定指標難以滿足要求。再按深基礎理論計算，依然達不到平衡。經過多次試算證實，當寬度足夠大時，擋土墻能夠達到穩定平衡，但寬高比過大，會使投資加大，施工復雜，工期延長，從經濟和技術角度看都不太令人滿意。

經研究后改進方案，擬對墻后的海淤土采用水泥土粉噴樁進行固化處理，上部回填土料也以水泥土代替。這相當于在擋土墻和沉井剛體后形成了“二級”墻體。設計時不僅計算一級墻體的穩定，同時要考慮二級墻體的穩定。但一、二級墻體之間的內力傳遞比較復雜，尤其是水壓力難以確定。為了明確水壓力，設計構思了一套“上堵下排、外堵內排”的防滲排水方案來解決，即將上下游翼墻、邊閘室的沉井基礎縫隙全部封堵形成半圍封，再在下游翼墻后設置外包中細砂的加勁排水軟管，將地下水集中引入空箱排出墻外。

岸翼墻沉井基礎方案的優點是減少了墻后土方回填量，緩解了工程場區天然土料匱乏的局面；能夠有效降低墻后填土的沉降和改善填土對擋土墻的邊載和負摩擦影響；此外還可以利用水泥土的防滲作用，降低作用于墻背的水壓力。

該方案的缺點：一是施工復雜且要求高。就岸翼墻而言，采用了較多的地基基礎型式：沉井、灌注樁、截滲墻、水泥土攪拌樁和水泥土。計算模式上將墻后水泥土攪拌樁和水泥土視為剛體，故此對水泥土和攪拌樁的要求較高，而淤泥質土內攪拌樁的成樁效果往往難以控制。二是管理難度高。“上堵下排、外堵內排”是本方案岸翼墻的必要條件，對墻后水位控制嚴格，雖然預測超設計水位的機率很低，但畢竟需要管理部門理解設計意圖并進行控制，加大了管理難度，也降低了可靠性。

2.換填水泥土地基方案

為解決方案一的問題，經進一步分析，大膽提出了岸翼墻地基大面積換填水泥土的方案，即將墻下的海淤土清至堅實粘土層，然后填筑水泥土。因換填量不大不足以解決問題，據計算換填范圍接近50m×120m，最深處約8m。上游翼墻采用鋼筋混凝土扶壁式，岸墻和下游翼墻采用鋼筋混凝土空箱式，其墻后仍需回填一定量的水泥土以增加抗滑穩定性。

穩定分析時首先計算各段墻身工況的穩定，然后再按最不利工況復核墻身與墻后水泥土整體的穩定，最后再復核墻身、墻后水泥土、換填水泥土地基整體的穩定。為驗證水泥土的指標，特地選取了灘地表層土進行了不同攙入比（8%、10%、12%）的壓實試驗（壓實度0.94），其10%摻入比水泥土28d齡期無側限抗壓強度達到0.58M Pa。本方案充分利用水泥土良好的承載能力、抗剪和防滲性能，解決了軟土地基擋土墻難以穩定的問題，使得結構布置和施工工藝簡化。缺點是水泥土的填筑量、基坑的開挖和回填量都相當大。由于基坑開挖較深，施工降排水難度都較大，還會受到降雨天氣的影響，同時對水泥土填筑質量的控制要求較高。

3.復合地基灌注樁基礎方案

設計過程中發現，因樁側海淤土過軟不能提供足夠的抗力，大直徑灌注樁深基礎方案不可行。如采用水泥土粉噴樁處理的方案，處理后的復合地基豎向承載力雖有很大提高，但水平承載力的改善非常有限。

基于此，考慮將灌注樁與粉噴樁兩方案結合起來，使它們優勢互補，揚長避短。利用粉噴樁造價低廉的特點，大面積地使用，增加海淤土的整體穩定性，從而保障地基能夠有效地對灌注樁提供水平抗力，使得灌注樁的水平承載能力得到充分發揮。經分析計算，理論上證明這種方案上可行。要在工程中應用，還需要通過現場試驗進行驗證并取得相關的設計參數。

從技術上看，方案三既不用增加永久工程運行管理的負擔，灌注樁和粉噴樁的施工又相對方便和靈活，大面積使用的粉噴樁還固化了基坑工作面，為施工創造了很好條件。從經濟角度分析，以上3個方案直接投資大致相當，但方案三節省了臨時工程量。又因其可以靈活安排，可以縮短工期，增加工作的彈性。因此，最終選定了方案三。

四、試驗驗證

由于鉆孔灌注樁在淤泥土質特別是在復合地基中的水平承載能力的確定還缺乏可靠的依據和工程實例，業主和設計單位聯合開展了“新沭河治理工程三洋港樞紐工程淤土地基灌注樁水平承載特性研究”的課題，并進行了現場試驗，試驗分為兩組，一組測試原狀地基灌注樁水平承載力，另一組測試經粉噴樁處理后的復合地基灌注樁水平承載力。研究結果表明，三洋港海淤土經粉噴樁處理后，灌注樁水平承載能力顯著提高，提高幅度在20%～30%。根據現場樁基試驗成果，經計算，將主要灌注樁直徑由1.2m~1.5m優化至1.1m~1.2m，僅此一項，就節省工程投資約300萬元。

三洋港樞紐岸、翼墻基礎灌注樁及粉噴樁目前已施工完畢，根據現場工程樁靜載試驗結果，岸、翼墻灌注樁基礎水平承載能力滿足設計要求。

五、施工實施

三洋港擋潮閘因防滲等需要采用沉井基礎。大型沉井的制作、下沉是一件非常繁雜的事情。首先必須將基坑開挖至建基面高程，然后施工單位在沉井上游修建了一條場內干道。因地基為海淤土，雖然路基采用了大量拋石，但在大型機械的碾壓下還是不斷地出現沉陷現象。

對比于閘室沉井的施工，岸翼墻的灌注樁和粉噴樁的施工要靈活得多。首先可以不必將基坑開挖到建基面高程就可以打樁，使工期安排具有彈性，而且基本不用考慮排水問題。樁施工完成后，將上覆土層清除即可進行上部岸翼墻的施工。同時粉噴樁對海淤土地基產生了固化作用，為上部結構提供了很好的工作面。

六、結語

穩定分析是三洋港樞紐擋潮閘岸翼墻設計的重中之重，墻前、墻后水頭差較大和海淤土軟弱地基是影響穩定的重要因素。

三洋港樞紐擋潮閘岸翼墻的設計以解決穩定問題為核心，同時考慮工程投資、施工難度和管理運行等因素，選擇灌注樁與粉噴樁相結合的地基設計方案，較好地解決了設計難點。

在海淤土地基中設置粉噴樁，能增強地基的整體穩定性。經試驗驗證，對灌注樁的水平承載力還有一定的提高作用，本工程提高的幅度為20%～30%，此項成果對今后的類似工程有一定的參考意義。

海淤土復合地基灌注樁方案便于施工。灌注樁和粉噴樁施工工藝成熟，兩種樁都可以先打樁后開挖基坑，使施工安排變得非常靈活，工期上有彈性。另外樁基還固化了基坑工作面，創造了較好的施工條件

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