江西某船閘圍堰滲流及穩定性分析

姚紹松 中交灣區（廣東）投資發展有限公司

1.工程概況

1.1 基坑概況

江西西萬安某船閘臨時擋水二期圍堰工程位于土壩段上游庫區內，呈折線形布置，總長約為465m，二期上游圍堰頂高程為105.0m，庫底地面高程為75m～92m，圍堰體高度10m～26m。大壩采用土石壩，大壩防滲以塑性混凝土防滲墻為主（800mm厚的塑性混凝土防滲墻加帷幕灌漿的處理措施，防滲墻嵌入強風化巖層，其下帷幕灌漿深度達到透水率小于5Lu的頂板高程以下1.0m，深度52.5m～68.0m，平均深度57.2m）。96.5m高程以下的石渣料填筑的上、下游戧堤，其坡比均為1：1.5；96.5m高程以上的壩體，其上、下游坡比均為1：2.25。

圍堰最高填筑約37m，施工期最大擋水高度約21m，其結構及防滲施工是船閘主體基坑圍堰施工的重點及難點，具有工期緊、技術難度大、安全風險高和環保要求嚴格等特點。

1.2 場地地質條件

該場地位于贛江中游，呈倒L形布置，基礎原始地貌為Ⅰ級階地和Ⅱ級階地并逐漸過渡到右岸山體，庫底地面高程為75m～92m，左側低，向右側漸高過渡，至右岸山體壩肩處高程為105m。階地內松散覆蓋層厚度為14.7m～20.0m，主要地層為人工填土、粘性土和砂礫石層及其混合土，基巖面高程為64m～70m。人工填土、砂礫石混粘性土為弱～強透水性，砂礫石層為中等～強透水性并具有管涌滲透破壞形式，劇強風化和碎塊狀強風化層為中～強透水性主要地層為人工填土。圍堰體最大高度10m～30m，并將形成最大20m左右的高水頭差。

1.3 項目設計要求

根據相關要求，該臨時圍堰設計等級為1級，圍堰抗滑穩定最小安全系數見表1。本區在Ⅱ類場條件下，50年超越概率10%的基本地震動峰值加速度為0.05g，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.35s，相應地震基本烈度為Ⅵ度。

表1 圍堰抗滑穩定最小安全系數表

2.計算模型

二期圍堰主要包括水下開挖與清淤、堰體填筑、防滲墻施工三個重點工序，其中水下開挖與清淤約28×104m3，堰體填筑+96.5以下拋填（含護腳塊石）方量為932900m3、陸上填筑（含粘土心墻）130500m3，混凝土防滲墻的工程量約14900m3，帷幕灌漿施工的工程量約6542m。

根據勘察資料，圍堰區域存在不均勻、軟弱土地基等不良地質現象，需要對其進行加固、處理，以滿足設計要求。原設計中為確保壩體穩定安全，要求采用級配塊石對基礎一定范圍內的壩基淤泥和素填土層進行挖除置換，換填深度3m～10m不等，并在迎水面設置拋石壓腳戧臺，戧臺在弧形連接段及其以左頂高程82.0m，寬度32.0m，其余部分頂高程85.0m，寬度20.0m；坡比1：1.5。結合現場實際情況，即圍堰基底淤泥及素填土清除開挖方量較大，附近無大型水上清淤船機，且周邊卸泥點難以容納如此大方量的淤泥，擬探索采用高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層的可行性。

高壓旋噴樁具有施工速度快、固結體強度大、水泥漿不會造成環境和地下水污染，且耐久性較好，施工噪音較小等優點。其加固效果以及優勢與水泥攪拌樁相同，且在淤泥內成樁質量好，施工過程中不需要較高支架，較為安全。高壓旋噴樁采用水泥、外加劑和水的拌和體(水泥漿液)做為固化劑，水泥宜選用水泥強度等級為32.5以上。當采用非緩凝水泥時，水泥漿中宜摻入緩凝型外加劑，其品種和用量通過試驗確定。施工前，應根據加固工程的地基土、拌和用水、擬采用的水泥和外加劑進行水泥漿室內配合比試驗，確定高壓旋噴樁的水泥品種、水泥摻量、水灰比等。試驗土料應采用需加固地基的原狀土樣，水泥強度等級32.5以上。樁身90d無側限抗壓強度應不小于1.2MPa。

表2 高壓旋噴加固后地層參數取值

2.1 圍堰穩定性分析模型

圍堰滲流計算根據圍堰結構及防滲設計成果選取典型斷面，該斷面在原設計中開挖面最低（+68.0m）為最危險的斷面，本次的計算選用這個斷面，也可與原設計方案進行對比分析。

計算擬采用的工況：在原設計的基礎上，對淤泥層和素填土層進行地基加固。加固的方法為：滿堂腳手架+高壓旋噴處理。高壓旋噴樁加固常用的為單管布置和三管布置，考慮到單管布置水下成樁效果一般，本次高壓旋噴樁的布置建議為：三管旋噴φ850mm，間距為2.0m，梅花形布樁。

2.2 數值分析參數取值

軟基加固后的參數，復合地基的抗剪強度可以采用公式（1）計算：

式中，m為置換率（%）；c為粘聚力（kPa）。內摩擦角可以根據原地基土的土質、含水率等綜合判斷取值范圍為20°～30°。文中數值模擬參數取值見表2。

2.3 數值計算結果

2.3.1 滲流計算結果

圍堰滲流分析工具采用河海巖土軟件AutoBank7.07版，通過劃分單元采用有限元分析方法進行計算。本次分析采用的圍堰滲流計算典型斷面為原設計中開挖面最低（+68.0m）的最危險的斷面。模型中臨時擋水圍堰上游水位采用設計蓄水位+96m，壩頂高程+105m，下游水位+85m，圍堰兩側水頭差為11m。

滲透計算結果顯示素填土層滲透比降小于0.25，滿足設計要求；溢出點3m范圍內滲透比降小于0.25，滿足設計要求。

2.3.2 圍堰穩定計算結果

圍堰穩定計算的斷面與滲流計算斷面相同。穩定計算擬考慮正常蓄水水位條件下的迎水面邊坡和背水面邊坡，分別計算正常運行期、施工期及正常運行期（地震工況）三種情形下的圍堰穩定性。地震工況參數采用50年超越概率10%的基本地震動峰值加速度為0.05g，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.35s，相應地震基本烈度為Ⅵ度。計算公式采用簡化畢肖普法，穩定滲流期水的作用考慮采用有效應力法，通過指定滑裂面并自動搜索最小安全系數。各工況下的計算參數見上文中表1和表2。

計算結果表明，迎水面坡在正常運行期、施工期及正常運行期+地震三種工況下抗滑穩定安全系數分別為2.218、1.491、1.322，背水面坡則為2.382、2.205、1.662，其結果均不小于表1最小允許值，由此可見，在原設計上部結構不變的基礎上，采用高壓旋噴樁對淤泥層和素填土層進行地基加固的方案可以滿足設計中圍堰穩定性的要求，該方案具有可實施性。

3.高壓旋噴樁工藝總結

（1）原設計水下開挖方量較大，附近無大型水上清淤船機，且周邊卸泥點難以容納如此大方量的淤泥，高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層方案對于本項目具有更強的適應性，且其經濟效益顯著；（2）各工況下的滲流計算、穩定分析結果顯示，均能滿足設計的要求，采用高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層可行性較強。

但需要注意的是，本次計算中采用的地基加固后、塊石拋填后的土層參數，需要在施工時進一步根據現場試驗結果進行復核。

4.結束語

在船閘建設項目中，圍堰是工程基坑施工的重要屏障，其擋水防滲和堰體穩定能力直接影響建設成本、項目工期及施工安全，另外在施工期間圍堰還需要經歷防洪度汛的考驗，若發生圍堰失事后果將非常嚴重，因此圍堰安全是保障船閘工程順利施工的關鍵措施。本文以江西萬安某船閘臨時擋水圍堰工程為背景，采用數值分析法對圍堰滲流及穩定性進行了分析，提出了采用高壓旋噴樁加固淤泥和素填土層的優化方案，可實施性較強，對指導類似工程有著重要意義。