大套船閘除險加固工程設計重難點與解決方案

陶圣葉，於維偉，浦 慶

(鹽城市水利勘測設計研究院有限公司，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樞紐，擔負著確保通榆運河安全暢通，為社會和航運企業提供優質服務的重任。大套船閘工程為Ⅲ級通航建筑物，主體工程為2級水工建筑物，其他永久性建筑物為3級。設計最大船舶噸位為1000t，船閘閘室平面尺寸為16m×220m×3.3m。

根據2020年7月鹽城市水利局安全鑒定結論，大套船閘安全類別為二類閘，大套船閘現狀人字型閘門損壞嚴重，存在問題較多，已嚴重影響船閘的安全運行，因此須對船閘進行除險加固。

文章從設計角度出發，為了確保大套船閘除險加固工程在施工過程中的安全穩定，根據工程施工的主要流程，對存在安全隱患的步驟進行了分析，提出解決方案，且最終在施工中得到了驗證，證明了方案的合理性與可行性。

2 工程總體分析

大套船閘除險加固工程主要建設內容為人字門、閥門工程等金屬結構項目的維修加固。因人字門在運行過程中會突然下沉，在閘門完全關閉時存在回彈情況，同時伴隨著縱向連接系嚴重變形，閘門存在變形和漏水等現象，故本次需要對大套船閘的閘門進行徹底的檢查和大修。

大套船閘除險加固工程需在通榆河航道斷航期間進行，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，對墻后地下水進行同步降水，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。

根據本次施工主要流程，最容易出現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時的穩定性，文章主要對以上兩種狀態下閘室的穩定性進行研究和設計。

3 工程地質與水文地質

3.1 工程地質

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

表1 勘區鉆探范圍內主要土層相關參數表

3.2 水文地質

根據工程勘區水文地質工作單孔注水試驗，鉆探范圍內主要含水層及有關數據見表2。

表2 勘區鉆探范圍內主要含水層及有關數據表

4 閘室穩定設計

大套船閘工程由上下閘首、閘室、上下游導航墻和上下游靠船墩組成。其中上下閘首、上下游導航墩及上下游靠船墩均為常規結構，按照正常的設計考慮即可，文章不再細述。閘室采用分離式結構，閘室墻型式下部為鋼筋混凝土地下連續墻，上部接現澆鋼筋混凝土錨錠板墻，閘室底板處設鋼筋混凝土頂撐框構，底板型式為干砌石透水底板，墻后設自流排水設施及抽降水井，自流排水設施功能為運行期排除墻后地下高水，排水管出口位于下游翼墻上，并設置逆止拍門，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。

閘室結構如圖1所示。

圖1 閘室結構圖(高程單位：m；尺寸單位：cm)

4.1 突涌驗算

一方面閘室底板與兩側墻身為分離式結構，另一方面閘室底板型式為干砌石透水底板，為防止閘室底板發生承壓水突涌，確保本工程順利實施，首先進行閘室突涌驗算。

本次突涌驗算主要驗算閘室底板至承壓含水層頂間的土壓力應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，取1.10。

閘室底板抗突涌示意圖如圖2所示，突涌計算成果詳見表3。

圖2 閘室底板抗突涌示意圖

表3 承壓水安全系數計算成果表

經計算，在3-3層與5-1層承壓水作用下，安全系數均小于1.10，承壓水水頭能頂裂或沖毀底板，發生突涌。因此，需要在檢修期降低承壓水水頭，經計算，在滿足規范要求的情況下，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降水，經復核，大套船閘原設計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降水的方法來降低，井點降水是通過對地下水施加作用力來促使地下水的排出，井點降水有輕型井點、噴射井點、電滲井點和管井(深井)井點等方式，大套船閘閘室兩側原設計分別布置管井5口，經檢查確認，其中1口已經損壞，4口已經堵塞，剩余5口深淺不一，詳情如圖3所示。故本次降水的重點在于承壓水降水。

圖3 大套船閘降水井檢測結果圖

經比較，洗井與新打井概算價格相差不大，參考原有降排水設計方案，本次設計采用新打管井降水方案，參考原設計降水井布置，初擬新打管井10口，均布于閘室兩側，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 大套船閘新設降水井布置圖(單位：cm)

4.3 降水設計

本工程降水地下滲流特征如圖5所示。

根據圖5，屬于第二類基坑滲流。此類降水的圍護結構未深入降水含水層，其地下水滲流特征是由于不受圍護結構影響，基坑底部承壓水內外連續相通，呈二維流態，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)降水系統總涌水量

工程采用管井井點降水。將整個布井范圍視為一個大口井(如圖6所示)，采用如下的承壓-潛水井穩定流公式計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算簡圖

(2)

計算得出

=1154m3/d(0.0134m3/s)。

(5)管井過濾器進水部分單井的單位進水量

(3)

式中，r—濾管半徑，m，按設計取用0.18m；l—有效濾管長度，m，根據表2，主要滲水層為3-3層，按設計取用1.25m；K—滲透系數，m/d，取0.95m/d。

(5)工程需設置降水井數

n=1.1Q/q=1.1×1154/129.11=9.83，降水井數取10口。故本工程初擬降水井(即新打管井、余同)數量滿足設計要求。

(6)工程實際抽水監測

本次閘室抽水時間為2021年5月5—9日，閘室2臺水泵抽水，墻后降壓井共10臺水泵，24小時抽水。

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，將水泵放置在-7.00m位置，24小時抽水，每日觀測一次水位。詳細觀測數據見表4。

表4 閘室墻后降壓井水位觀測表

根據觀測數據得出以下結論：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，控制水位不再發生變化，抽空閘室。根據觀測資料，閘室底板沒有滲水現象；根據變形觀測數據分析(詳見安全檢測章節)，水位已穩定，且不會造成閘室墻位移。

5 安全監測

在除險加固過程中，為確保檢修期的施工安全，需監測船閘在檢修期的穩定情況，便于及時發現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據，本次檢修期對閘室墻等水工建筑物進行了位移、沉降等觀測工作。

根據GB 50026—2007《工程測量規范》、JGJ 8—2016《建筑變形測量規范》及JTS 131—2012《水運工程測量規范》中對位移、沉降觀測的各項規定，本次采用GB 50026—2007規定，以大型船閘監測點位中誤差為±(3～6)mm作為本次觀測工作的精度指標，沉降觀測點的高程中誤差為±0.5mm。

本次位移沉降均采用天寶S9全站儀測量，該儀器測角精度為0.5秒，測距為0.6mm+1ppm，該儀器可以自動跟蹤瞄準，觀測三維坐標數據自動記錄并保存。

每次觀測應遵守“四固定”原則，即觀測使用同一臺儀器，觀測人員固定，觀測路線固定，觀測環境和條件基本相同。

在整個除險加固過程中，位移和沉降共觀測了16次。得出如下觀測結論：閘室墻無上浮趨勢，左岸、右岸均有向閘室中心線位移的趨勢，但均未超過標準(位移突變值為5mm，累計為12mm；沉降突變值為5mm，累計為10mm)，閘室墻基本穩定。

通過本次安全監測結論以及現場竣工驗收成果，本次降水設計滿足規范要求，也是安全可靠的。

6 總結

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，重點需要基坑深層降水設計，從后期的檢測資料、現場查勘結果以及對施工單位的回訪，普遍認為本次管井降水設計是安全可靠的。

本次研究，理論計算結果和實際觀測結論存在一定的偏差，但是總體能保證工程施工的安全。本工程在設計過程中查閱了大量巖土工程系列資料，在相應的水利工程相關設計規范中缺少對詳細應用的說明或案例，希望在以后科研中能加強對基坑降排水在水利工程中的應用研究，編制技術標準、完善設計理論、開發計算軟件，填補行業空缺。