南京市三汊河口閘水工建筑物設計特點

張志強 黃穎蕾

三汊河口閘位于江蘇省南京市外秦淮河東支流三汊河入長江口門處,是南京市外秦淮河環境整治的關鍵工程。其功能一是抬高外秦淮河水位,改善城市水環境和城市形象;二是通過非汛期過流改善秦淮河水質;三是在汛期視內外河水位差以及降雨情況,在允許條件下開閘泄洪;無航運功能。水閘平行水流方向布置,采用雙孔護鏡鋼閘門,共2孔,單孔凈寬40m,總凈寬80m,閘室總寬97 m,長37 m。允許閘頂過流。

三汊河口閘工程等級為二等2級。正常蓄水時閘頂過流30m3/s;非汛期閘頂過流80m3/s;汛期開閘泄洪能力為600m3/s。

閘址選擇余地小,閘址地質條件差,總體景觀要求高,是三汊河口閘的設計難點;因此水工建筑物設計采用了具有針對性的方案,實現了工程的各項功能。

1 水工建筑物設計特點

1.1 閘址選擇

閘址區域位于新三汊河大橋與河口之間的三汊河道上,長度約450m。閘址的選擇主要受左岸居民小區 (民佳園)的限制。

根據地質、地形條件及閘室水力學分析,最佳閘址位于民佳園正對的河段,但存在的最大問題是施工期間對該小區的安全影響。根據閘址分析,閘室基坑開挖放坡的上口線已侵入到臨河側第1排居民樓的基礎下。由于該處為深厚的軟土地基,水閘深基坑的開挖將改變原樓房地基處理時的邊界條件,尤其是臨河側土體抗力體將大幅度減小,而在樓房豎向荷載作用下,樓房基礎將發生向河道臨空面方向的變位和不均勻沉陷,嚴重危及到居民樓的安全和居民的正常生活。由于閘室寬達97 m,若采用深基坑支護,施工將非常困難,并且難以完全消除對居民樓的安全隱患;另一方面,由于為確保居民樓安全采取的工程措施很復雜,不但造價高昂,而且將占用大量關鍵工期,影響主體工程的施工。

基于上述原因,經多方案比較,最終將閘址向長江側移位90m,完全避開了民佳園。根據地質資料,該閘址河道的基礎地質條件越靠近河口越差,因此新閘址在施工開挖過程中,左岸發生了大面積邊坡滑坡位移,后經頂部減載、加設馬道、底部打入木樁等措施后,限制了邊坡滑移,保證了基坑安全,同時也證明閘址避開居民區,向河口側移位是非常必要的。

水閘建成后,事實證明該調整后的閘址與周圍的環境協調一致,實現了城市水利既滿足工程要求,又體現人文水利、環境水利的目標,閘址選定是合理的。水閘平面布置見圖1。

圖1 三汊河口閘布置示意圖

1.2 深厚軟基基礎處理

1.2.1 地質條件

三汊河口閘坐落在南京市城西長江漫灘軟土地基上,根據有關地質資料統計[1],該區域軟土系現代沉積物,在單一的土自重應力作用下形成的一種緩慢堆積形成的欠固結土,該軟土的前期所承受的固結壓力較低,原始結構連接強度低,無彈性變形。

根據地質資料,場地地貌單元簡單,屬長江河床漫灘。場地地層主要為第四紀松散堆積層,底部為中風化砂巖。地震基本烈度為7度。閘室建基于②層淤泥質粉質粘土上,閘底板范圍內平均深度24.05m,標貫擊數小于4,壓縮系數0.608mP,天然含水量37.2%,天然孔隙比1.078,液性指數1.18,塑性指數13.7,壓縮模量3.51MPa,地基承載力特征值為65 kPa,屬于強度低的高壓縮性土,地質參數見表1。

表1 閘址處工程地質參數

經計算,天然地基不能滿足閘室上部結構對地基的強度和變形要求,因此需要進行地基處理,解決3個問題:提高地基承載力、滿足抗滑穩定和控制壓縮變形。

1.2.2 方案擬定

閘址處的地基土層滲透系數一般為10-7～10-8cm/s量級,屬于高靈敏土,該軟土在荷載作用下固結速率緩慢,在軟土層上的建筑物基礎沉降穩定時間很長,大大加劇了改善地基土工程特性的難度。

考慮閘址處的地基土層實際情況,閘底板的基礎處理采用樁基。

根據南京市有關規定,閘址處嚴禁采用任何形式的錘擊以及震動成樁工藝,因此在設計中不考慮預制樁以及含有震動成樁的處理方案。

根據上述限制條件,設計的原則是采用非錘擊及震動型剛性樁,經比選采用灌注樁。研究了3個技術方案:方案1,鉆孔灌注直樁加斜樁;方案2,底板下滿布鉆孔灌注直樁;方案3,閘墩及側向相鄰底板基礎采用深54m鉆孔灌注直樁加6m深齒槽,其他部位設置水泥攪拌樁。

1.2.3 方案比選

方案比選見表2。

表2 不同地基處理方案綜合比較表

從表2可見,3個方案均具有可行性,但是,方案1投資較大,不經濟,且斜樁施工困難;方案2投資最大;方案3工序多,但是投資省。該方案同時解決了3個主要問題:控制閘墩與底板之間不均勻沉降差在規范規定范圍內;控制樁頂水平變位在規范規定范圍內;滿足閘墩承載力以及閘室水平抗滑穩定要求,因此閘底板地基處理選擇方案3。

1.2.4 樁位布置

由于閘墩及側向相鄰底板基礎采用鉆孔灌注樁處理,閘室的大部分荷載由灌注樁承擔,相對于灌注樁的沉降,未設灌注樁的底板中間基礎土層的沉降量更大。為防止閘底板與地基土脫開而產生接觸滲流,也為了更多地利用齒坎前土體的被動土壓力以提供抵抗水平變位的抗力,減小灌注樁樁頂變位,在底板上游側下部設置深6m的鋼筋混凝土阻滑墻。閘室樁位布置見圖2。

圖2 閘室樁位布置

1.3 結構設計

三汊河口閘工程區位于深厚軟弱地基上,根據地勘資料,閘址越靠近河口,下部淤泥質粉質粘土厚度越大,極易產生不均勻沉降。

三汊河口閘采用國內首創的雙孔護鏡鋼閘門,單孔凈寬為40m,總凈寬80m,也是目前國內惟一的一座已建成的、采用該種門型的水閘。考慮到對閘門變形控制嚴格的要求,使工程適應軟土地基,將閘室的不均勻沉降控制在要求的范圍內。采用了結構平面上縱橫向剛度大、整體性能優良的塢式閘室結構。啟閉機排架坐落在閘墩頂部,根據閘門特點和啟門要求,排架采用受力合理、傳力明確、外形流暢、簡潔明快的前弧后斜 “豎琴式”結構,受力條件好,閘室結構合理,外形優美,見圖3。啟閉機房布置在啟閉排架頂部,通過設在閘墩上的螺旋樓梯實現上下交通。

圖3 閘室結構示意圖

1.4 設計中采用的新技術、新材料及新工藝

1.4.1 三維空間鋼筋混凝土支撐梁格體系

三汊河口閘閘室寬度大于上下游河道底寬,兩岸翼墻頂后設有土坡,翼墻擋土高度大,采用增加高翼墻結構剛度、在翼墻下設置灌注樁,對高翼墻穩定很有效果,但對限制高翼墻變位的效果并不明顯。雖然在翼墻范圍內的河床布置了漿砌石護底,并且對下部土體進行了水泥攪拌處理,但仍然不能完全限制翼墻的相向水平位移,為此,本工程采用三維空間鋼筋混凝土支撐梁格體系,限制閘址處大跨度河道兩岸的高翼墻水平變位。

采用三維空間支撐體系,限制了軟土地基上高翼墻的變位;若采用U型塢式結構,當跨度過大時底板往往較厚;而采用該體系,施工方便,節約工程量;減少了兩岸高翼墻擋土結構基礎下的樁基根數;暗梁交叉點下根據暗梁重量和上拔力設置支撐樁,確保河床護底在翼墻承臺的壓力下不破壞。

1.4.2 大體積閘室底板采用加強帶一次澆筑

為防止和減少溫度變化及混凝土干縮引起的閘底板裂縫,需設置施工縫。由于工期緊張,若在底板上設置后澆帶,不僅延長工期,還會給工程施工帶來許多困難。經研究論證,采用了補償收縮混凝土超長結構無縫設計及施工的新方法,在單塊閘底板中設置2條膨脹加強帶,與底板大面積結構混凝土同時澆筑,加快了施工工期,簡化了施工工序。

1.4.3 閘底板、閘墩混凝土中添加抗裂增強纖維

為進一步提高混凝土的防裂性能,在閘底板和閘墩混凝土中添加抗裂增強纖維,有效地提高了混凝土的抗裂能力,改善了混凝土的耐久性能。

1.4.4 充分利用閘墩混凝土后期強度

為降低水泥用量,有利于溫控,閘墩混凝土采用60 d的混凝土強度等級達到C40,并在閘墩變截面混凝土內部增加配置溫度鋼筋和水平受力鋼筋。

2 結 語

三汊河口閘工程有較高的景觀要求,雙孔護鏡式水閘在我國尚屬首次應用,工程美觀、實用。通過對水工建筑物特點的深入分析,在閘址選擇、地基處理、結構設計、新技術新材料和新工藝應用方面都進行了大膽創新,取得了預期的效果,確保了結構安全,滿足了施工進度和質量的要求。