雙線(xiàn)船閘單線(xiàn)通航環(huán)境下船閘圍堰設(shè)計(jì)技術(shù)研究

王 濤，陳志斌

(1.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；2.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水運(yùn)交通的需求量也日益增大，內(nèi)陸河道通過(guò)提升航道和船閘樞紐等級(jí)，對(duì)現(xiàn)有的單線(xiàn)船閘進(jìn)行改造升級(jí)或增設(shè)二線(xiàn)船閘形成雙線(xiàn)船閘工程已成為趨勢(shì)，像株洲二線(xiàn)船閘(3000t級(jí))、清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘(1000t級(jí))、西津二線(xiàn)船閘(3000t級(jí))。相較單線(xiàn)船閘，新增二線(xiàn)船閘圍堰體系設(shè)計(jì)是工程主要重難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)管控要點(diǎn)。

1 工程背景

1.1 工程概況

本工程為引江濟(jì)淮八大樞紐之一，位于淮南市壽縣八公山鄉(xiāng)東淝河入淮河口約2.5km處。

老船閘(一線(xiàn)船閘)因年久失修，已不通航。由于引江濟(jì)淮江淮溝通段航道規(guī)劃為Ⅱ級(jí)航道，本工程通過(guò)對(duì)老船閘進(jìn)行改造升級(jí)為Ⅱ級(jí)船閘以滿(mǎn)足過(guò)運(yùn)能力。改造后船閘閘室尺寸280m×34m×5.6m(長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深)，與在建的復(fù)線(xiàn)船閘形成雙線(xiàn)船閘，復(fù)線(xiàn)船閘為一期工程，一線(xiàn)改造船閘為二期工程。兩座船閘中心線(xiàn)相距83m。根據(jù)規(guī)劃要求，復(fù)線(xiàn)船閘需在本工程開(kāi)工半年后滿(mǎn)足通航要求。

1.2 既有圍堰

復(fù)線(xiàn)船閘建設(shè)時(shí)，于2018年修建了平面尺寸約為635m×220m的3級(jí)圍堰。上游側(cè)1∶3放坡，下游側(cè)1∶2放坡。迎水側(cè)兩級(jí)放坡，背水側(cè)一級(jí)放坡。二級(jí)坡面設(shè)置模袋混凝土護(hù)坡。本工程繼續(xù)沿用該導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

1.3 地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)區(qū)地形起伏，地面高程一般為14.5～27.9m。場(chǎng)地周邊現(xiàn)有東淝河老閘、在建東淝河復(fù)線(xiàn)船閘、房屋及道路等。擬建場(chǎng)地地貌區(qū)屬江淮波狀平原區(qū)，地貌亞區(qū)為江淮北部丘陵和波狀平原，微地貌單元為東淝河河床、河漫灘及一級(jí)階地。具體地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 地質(zhì)參數(shù)表

1.4 水文條件

由于與本閘平行間距約83m的復(fù)線(xiàn)船閘目前正在建設(shè)中，在場(chǎng)地的上下游均設(shè)置了施工圍堰，故本次勘察場(chǎng)地內(nèi)除地形低洼處的少量積水外，未見(jiàn)其它地表水。

擬建場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要為上層滯水和承壓水。

上層滯水：主要分布于填土層中，接受大氣降水補(bǔ)給，由于場(chǎng)區(qū)的填土埋深和密實(shí)度變化很大，導(dǎo)致上層滯水的分布具有區(qū)域局限性及不連續(xù)性。

承壓水：主要賦存于④1層粉土、④2層細(xì)砂、⑤層碎石、⑥2層強(qiáng)風(fēng)化礫巖層中，與東淝河的水力聯(lián)系較強(qiáng)，水量較豐富，富水性中等。場(chǎng)地地下水綜合水位埋深為3.6～11.0m，高程為9.76～24.09m。

2 圍堰方案

為確保復(fù)線(xiàn)船閘航道正常通航，對(duì)既有圍堰進(jìn)行改擴(kuò)建，與復(fù)線(xiàn)船閘連接形成一個(gè)新的封閉圍堰。該圍堰共由上下游圍堰、復(fù)線(xiàn)船閘北側(cè)部分和船閘岸側(cè)部分構(gòu)成。根據(jù)防汛要求，上下游圍堰具有擋水防洪和基坑圍護(hù)雙重功能，其余圍堰僅作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1 上下游圍堰選型

若參照既有土圍堰迎水側(cè)坡率放坡，坡腳將占用航道區(qū)域。前期計(jì)劃航道區(qū)域采用雙排鎖扣鋼管樁將復(fù)線(xiàn)船閘和土圍堰連接[1]，經(jīng)初步計(jì)算，應(yīng)選用長(zhǎng)24m，直徑Φ1000mm鋼管樁，且需入中風(fēng)化層(⑦1層中風(fēng)化礫巖)深度不少于6m。但采用YZ300振動(dòng)錘進(jìn)行試樁沉放發(fā)現(xiàn)，樁底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層(⑥1層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖)僅3m，入土深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，達(dá)不到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求。

采用土圍堰直接與復(fù)線(xiàn)船閘相連，迎水側(cè)坡面設(shè)置模袋混凝土[2]，在臨近航道處的坡腳處設(shè)置Φ1000mm抗滑樁[3]，將該處邊坡坡率調(diào)整成1∶2，不占用通航航道；背水側(cè)坡腳處優(yōu)先施工護(hù)坦護(hù)底，作為排水帶，可降低浸潤(rùn)線(xiàn)；連接處采用預(yù)埋鋼齒板處理，可延長(zhǎng)滲透路徑進(jìn)行防滲，同時(shí)具有防沖刷的作用[4]。

2.2 上下游圍堰計(jì)算

基于Autobank有限元軟件，建立圍堰模型，將圍堰計(jì)算斷面進(jìn)行分區(qū)，并考慮不同工況，開(kāi)展?jié)B流穩(wěn)定計(jì)算。受篇幅限制，本文只針對(duì)最不利的上游圍堰進(jìn)行分析介紹。

2.2.1滲透分析

回填粘性土壓實(shí)度應(yīng)不小于0.93，滲透系數(shù)不大于10-4cm/s。臨界水力坡降icr=(Gs-1)/(1+e)，安全系數(shù)取值2.0，回填黏性土的容許坡降為0.48。如圖1所示。

圖1 上游圍堰水力坡降等值線(xiàn)圖

上游圍堰浸潤(rùn)線(xiàn)在背水側(cè)斜坡逸出的最大水力坡降為0.33<0.48，滿(mǎn)足要求。

2.2.2穩(wěn)定性分析

考慮圍堰頂部作用20kPa均布附加荷載的情況下，采用瑞典條分法和畢肖普法分別對(duì)圍堰施工期(施工水位)、正常運(yùn)行期(設(shè)計(jì)洪水位)和水位降落期(從洪水水位短時(shí)間內(nèi)降至常水位)3種工況進(jìn)行分析[5]。如圖2所示。

圖2 上游連接邊坡穩(wěn)定分析圖

由GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》3.2.2及3.2.3條可知，對(duì)于3級(jí)堤防的邊坡穩(wěn)定要求見(jiàn)表3。

表3 上游圍堰邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值與允許值對(duì)比表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與規(guī)范允許值對(duì)比，因此，上游圍堰穩(wěn)定性計(jì)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.3 支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑開(kāi)挖主要采用多級(jí)放坡開(kāi)挖，坡度為1∶2。針對(duì)放坡距離不足區(qū)域采用頂部放坡、底部支護(hù)。根據(jù)開(kāi)挖深度、所處的地質(zhì)條件及周邊是否存在建筑物等因素的影響，采用不同的支護(hù)方式。其中上下閘首南北兩側(cè)、閘室岸側(cè)辦公樓對(duì)應(yīng)區(qū)域均采用雙排灌注樁+水泥攪拌樁咬合形式支護(hù)；而閘室靠復(fù)線(xiàn)船閘側(cè)采用單排灌注樁+水泥攪拌樁咬合的形式支護(hù)，具體布置形式如圖3所示。

圖3 船閘支護(hù)工程平面布置圖

以開(kāi)挖深度最大的上閘首岸側(cè)邊坡支護(hù)為例進(jìn)行介紹。上部為兩級(jí)放坡，坡度1∶2。下部為雙排樁支護(hù)，樁徑1.6m，樁長(zhǎng)32m。最大開(kāi)挖深度23.8m，支護(hù)樁懸臂高度15.16m，嵌固深度16.84m。如圖4所示。

圖4 上閘首支護(hù)工程斷面圖

取最不利工況：一次性開(kāi)挖至基坑坑底，通過(guò)《理正深基坑軟件》計(jì)算，結(jié)果顯示：前排樁最大水平位移3.18mm。如圖5所示。

圖5 上閘首支護(hù)內(nèi)力、位移包絡(luò)圖

依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，本工程基坑安全等級(jí)為一級(jí)。另根據(jù)4.2.3、4.12.5和4.12.7規(guī)定，分別計(jì)算：

(1)整體穩(wěn)定驗(yàn)算：采用圓弧滑動(dòng)條分法進(jìn)行分析，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.484>1.35，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(2)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Kem=12.272>1.25，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

(3)嵌固構(gòu)造深度驗(yàn)算：實(shí)際嵌固深度1.84+15=16.84m>0.6×23.800=14.28m。滿(mǎn)足嵌固深度要求。

2.4 截滲設(shè)計(jì)

考慮滲透穩(wěn)定要求，結(jié)合船閘基坑坑底以下存在連續(xù)分布、埋深較淺的隔水層地質(zhì)特點(diǎn)，采用落底式帷幕進(jìn)行截水。具體形式為采用素混凝土截滲墻作為垂直防滲設(shè)施，混凝土截滲墻墻厚80cm，采用四面包圍布置，全長(zhǎng)約1370m。頂標(biāo)高為19.64m(其中穿過(guò)船閘構(gòu)筑物區(qū)域時(shí)為構(gòu)筑物相應(yīng)底標(biāo)高)，底部需穿透砂層與強(qiáng)風(fēng)化巖進(jìn)入中風(fēng)化巖層最少1.5m。

對(duì)截滲墻進(jìn)行防滲計(jì)算，出逸比降為0.281，滿(mǎn)足規(guī)范中允許比降范圍要求(規(guī)范要求礫類(lèi)土允許滲流坡降值0.17—0.30，砂類(lèi)土允許滲流坡降值0.22—0.35)。

2.5 降水設(shè)計(jì)

復(fù)線(xiàn)船閘基坑施工前采用《Visual ModFlow》軟件建立地下水三維滲流數(shù)值及截滲墻模型，模擬計(jì)算出水位降至開(kāi)挖底面位置時(shí)，基坑總涌水量約為5120m3/d。再結(jié)合降水試驗(yàn)，實(shí)測(cè)單井最大抽水量168m3/d，考慮后期降水井出水能力減小，同時(shí)適當(dāng)考慮部分井淤堵，最終實(shí)際在基坑兩側(cè)按30m間距各布置19口管井，井口孔徑500mm，井底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化2m，基底實(shí)現(xiàn)干作業(yè)環(huán)境。

相較復(fù)線(xiàn)船閘，本工程船閘更臨近岸側(cè)；基坑寬度小了近一半；最重要的是截滲墻截滲效果更佳，復(fù)線(xiàn)船閘截滲墻墻底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層1.5m，而本工程進(jìn)入中風(fēng)化巖層1.5m。本工程繼續(xù)采用38口井進(jìn)行降水。其中19口井延用兩座船閘之間的“老井”，另外在管理用房側(cè)新增19口“新井”，布置在截滲墻以?xún)?nèi)，深度進(jìn)入中風(fēng)化巖層1.5m。

3 工程實(shí)施情況

(1)本工程如期的完成復(fù)線(xiàn)船閘單線(xiàn)通航的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，通航對(duì)本工程船閘基坑未產(chǎn)生影響，船閘的施工按計(jì)劃執(zhí)行。

(2)施工期間圍堰未出現(xiàn)明顯滲水、邊坡滑移等不良現(xiàn)象。

(3)基坑開(kāi)挖期間，排樁樁頂最大累計(jì)豎向位移和水平位移分別是9.7mm和4.3mm，與計(jì)算變形量7mm和3.18mm較為接近。整個(gè)基坑降水和基坑截滲效果良好，開(kāi)挖施工進(jìn)展順利。

(4)對(duì)基坑周邊的建筑物也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，復(fù)線(xiàn)船閘最大累計(jì)豎向位移和水平位移分別是8.5mm和8.4mm，復(fù)線(xiàn)船閘正常運(yùn)行；管理辦公樓最大累計(jì)豎向位移和水平位移分別是1.4mm和1.2mm。對(duì)周邊建筑物的影響均在規(guī)范允許范圍內(nèi)[6]。

(5)截滲墻采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，墻體內(nèi)反射波較弱，同相軸較連續(xù)，墻體內(nèi)未見(jiàn)明顯異常反射，說(shuō)明截滲墻的連續(xù)性與均勻性較好。

通過(guò)實(shí)施情況分析，得到以下結(jié)論。

①組合式圍堰的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了永臨結(jié)合，五節(jié)一環(huán)保的綠色建筑施工理念。該方案工效快，成本低，工藝簡(jiǎn)潔易操作。

②圍堰連接處采用鋼齒板處理，起到了良好的防滲防沖刷效果。相較混凝土齒墻，后期拆除更為簡(jiǎn)便。

③利用新建船閘護(hù)坦護(hù)底的透水層透水，等同于在斜面加截水槽防滲，可以有效的將浸潤(rùn)線(xiàn)下移，保證圍堰的滲流穩(wěn)定。

④采用地連墻作為截滲措施，有效的阻斷了外部地下水的補(bǔ)給，確保了基坑干作業(yè)施工的條件；同時(shí)也阻斷了基坑周邊建筑物地下水的流通，減小了降水對(duì)周邊建筑物的影響。

⑤排樁支護(hù)結(jié)合截滲墻的設(shè)置，大幅度提高了基坑穩(wěn)定性，又能夠有效地控制基坑周邊建筑物變形。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的組合式圍堰有效的實(shí)現(xiàn)了單線(xiàn)通航目標(biāo)，同時(shí)也保證了船閘施工的進(jìn)度和質(zhì)量，貫徹了永臨結(jié)合的綠色施工理念，為今后類(lèi)似工程提供參考，以期推動(dòng)船閘綠色建造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。