既有水閘新增閘墩的地基處理方法研究

關鍵詞：既有水閘；新增閘墩；地基處理；預留沉降

中圖法分類號：TU472 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki. slsdkb.2025.05.011

文章編號：1006-0081（2025）05-0070-04

0 引言

目前，有些軟土地區的中小型水閘，前期設計閘室寬度過寬，運行不久后，閘門自身變形，會出現無法啟閉的問題。盡管可以通過置換剛度更大的閘門來減小變形，但仍然會由于閘室過寬導致閘門兩側啟閉難以同步、閘門運行不暢等問題，使水閘喪失功能。常規的處理方法是對水閘拆除重建，但會導致重復投資，造成浪費。

對于新建水閘軟弱地基的處理，郭紅亮等[1]為解決水閘地基沉降量大與飽和砂土震動液化問題，采用水泥土攪拌樁進行處理；牛勇等針對閘址區淤泥深厚，含水量高等特點，采用預制管樁和水泥攪拌樁剛柔相濟的組合式地基處理方案，有效解決深厚軟基問題；夏德渲[3]、沈昊等[4]針對淤泥質地基，采用灌注樁法進行加固處理。但對于既有水閘地基處理的研究較少。為了避免拆除水閘進行重復建設，研究在既有水閘底板上新增閘墩，使單孔水閘變為雙孔水閘，達到減少閘室寬度，從而減小閘門寬度的目的，使閘門自身的變形與閘室能夠充分協調，閘門兩側同步啟閉更加順暢。然而，新增閘墩會對既有水閘底板產生新的壓力，影響水閘原有的安全格局，甚至可能對水閘的安全產生影響，需要妥善解決。

本文提出一種既有水閘新增閘墩的設計方法，通過在既有水閘閘室底板上開孔，進行灌注樁施工，利用新增灌注樁來承擔新增閘墩荷載。同時，為了確保新增閘墩對既有水閘底板不產生壓力影響，需要在新增閘墩荷載作用下達到沉降穩定后，在新增閘墩與底板之間留出一定的安全空隙，且從安全角度出發，該空隙越小越好。

為此，對新增灌注樁在新增閘墩荷載下的沉降進行計算，通過新增灌注樁預留沉降的方法，使新增閘墩對既有水閘底板不產生新的壓力。

1基本理論

1.1 灌注樁沉降計算

如圖1所示，在新增閘墩荷載下，新增灌注樁本身的壓縮變形 s₁ 采用下式計算：

式中： σ_ι，σ_b 分別為新增灌注樁樁頂和樁底上所受的 應力， kPa;l 為新增灌注樁樁長， m;E_p 為新增灌注樁樁 身壓縮模量，常取 30GPa 。

在新增閘墩荷載下，新增灌注樁樁端往下刺入地基的位移 s₂ 采用下式計算[5]：

式中： E_s 分別為新增灌注樁樁底下地基土的變形模量， MPa;ν_s 為泊松比； r 為新增灌注樁樁身半徑， m 當新增灌注樁樁底位于不可壓縮土層時， s₂=0 。

注： P 為新增閘墩作用在每一根新增灌注樁樁頂上的壓力， kN;A 為每一根新增灌注樁樁頂截面積， m²;l_s1，l_s2，…，l_si 為新增灌注樁長度范圍內樁周第 ^1，2，… ，第 i 層土的厚度 ，m;U_s1，U_s2，…，U_si 為新增灌注樁樁周第 ^1，2，… ，第 i 層土的側摩阻力， kN

新增灌注樁樁頂所受的應力 σ_t

式中： P 為新增閘墩作用在每一根新增灌注樁樁頂上的壓力， kN 。

新增灌注樁樁底所受的應力 σ_b ：

在新增閘墩荷載下，新增灌注樁總沉降為 s=s₁+s₂ 。

1.2 算例驗證

1.2.1 算例1

廣東省蘆苞大型水閘采用CFG樁復合地基進行處理[6]。CFG 樁均長 22.0m ，共布置451根，樁直徑為 500mm ，樁體壓縮模量取 1500MPa 。閘室底板尺寸為 92.0m×22.0m×2.0m （長 x 寬 × 厚），CFG樁面積置換率為 0.0437 。根據CFG樁樁身范圍內不同土層的厚度和變形模量，將成層地基轉換為均質地基，得到地基平均變形模量約 88.3MPa 。根據天然地基的 p-s 曲線，可得到天然地基承載力特征值約135kPa ，樁端下為卵石粗砂層。樁頂與基礎之間鋪設300mm 粗砂墊層，墊層變形模量為 80MPa ，泊松比為0.3。設計要求復合地基承載力特征值為 300.0kPa 。

根據公式（1）和（2）計算得到樁基沉降為33.0mm 。文獻[4]實測資料表明，復合地基沉降為 24～35 mm 。本文方法所得計算值與實測值具有較好的吻合性[3]。

1.2.2 算例2

杭州市某塔形商住樓[7]，采用長－短樁復合地基進行處理，場地處理范圍為 30.84m×14.70m 。鋼筋混凝土長樁共44根，直徑 500mm ，樁長 37m ，樁身壓縮模量 30000MPa 。水泥攪拌樁共60根，直徑600mm ，樁長 9m ，樁身壓縮模量 360MPa 。碎石墊層厚0.15m ，壓縮模量 105MPa ，泊松比為0.35。長樁樁端處土層為中風化巖層。外部荷載為 74168kN 。天然地基承載力取 。

計算得到短樁范圍內土體加權平均壓縮模量為8.4MPa^[8] ，短樁樁端至長樁樁端范圍內加權平均壓縮模量為 13.69MPa 。根據長-短樁平面布置，可得長樁和短樁面積置換率分別為0.019和0.037。

根據公式（1）和公式（2）計算樁基沉降量為28.8mm ，與實際沉降 33.0mm 較為接近[7]

1.3 灌注樁預留沉降

在新增閘墩荷載作用下，新增灌注樁會產生向下的沉降，為了確保新增閘墩對既有水閘底板不產生壓力影響，需要在新增灌注樁達到沉降穩定后，新增閘墩與底板之間留出一定的安全空隙，且從安全角度出發，該空隙越小越好。為此，需要對新增灌注樁預留沉降（圖2）。

注：1.既有閘墩；2.既有水閘底板；3.既有墊層；4.既有灌注樁；5.新增灌注樁；6.新增閘墩。

當新增閘墩施工時，其重量荷載將作用在新增灌注樁上，使灌注樁產生沉降，其最終沉降為 。為保證新增閘墩與既有水閘底板不接觸，新增閘墩底面與既有水閘底板頂面需要保留一定的空隙 h₂ ，即要求 h₂? s ，從安全角度出發，最好 h₂=s ，此時新增閘墩剛好與既有底板嚴絲合縫，且不對底板產生壓力， h₂ 即為灌注樁預留沉降。

當新增閘墩分層澆筑時，在每一級閘墩荷載的作用下，灌注樁產生向下的沉降，當閘墩澆筑完成時，灌注樁也沉降穩定。此時，閘墩剛好坐落在底板上，對底板不產生壓力作用。

當地基條件較為復雜時，為了保證新增閘墩與既有水閘底板不接觸， h₂ 的取值范圍為 1.0s～1.1s 。

1.4 灌注樁設計

由于閘墩荷載全部由灌注樁承擔，與底板不產生接觸，為了保證閘墩的安全，必須對灌注樁與閘墩的連接進行結構計算。一般來說，閘墩所受的力為閘門擋水時水傳遞的水平推力作用，這個推力對灌注樁與閘墩的交接截面產生剪力作用。因此，灌注樁設計除考慮豎向閘墩重量作用外，還需要復核灌注樁與閘墩交接截面的剪力作用。

除了結構計算外，還需要考慮灌注樁的構造設計。當灌注樁在 h₂ 范圍內澆筑施工完成后，新增灌注樁在h₃ 范圍內的鋼筋必須伸入新增閘墩，伸入長度根據結構計算確定，且新增灌注樁鋼筋伸入新增閘墩的高度h₃ 不小于新增閘墩高度的1/4。

1.5 閘墩與底板之間的空隙填充

當新增灌注樁沉降穩定后，若新增閘墩與既有水閘底板之間存在空隙，對空隙可以采取樹脂砂漿、水泥砂漿或瀝青等材料進行填充。

2 工程實例

廣州市南沙區某3孔水閘，位于深厚軟土地基上，中孔閘門原設計寬度為 36m ，建成于2010年，在2015年初出現閘門變形、啟閉不暢問題后，長期沒有啟用，基本喪失功能（圖3）。

為了解決這個問題，初步設計時考慮將水閘拆除，原地重建，需要投入約1.82億元。后經論證，水閘結構基本完好，只是閘門啟閉困難，建議采用新增閘墩減小閘門寬度的方法進行處理（圖4）。由于原水閘地基處理采用灌注樁復合地基，且經復核，如果新增閘墩，則原灌注樁復合地基承載力和沉降安全不能滿足規范要求，需要對閘室地基采取加固措施。具體加固措施如下所述。

（1）在既有水閘底板上進行開孔，新增灌注樁直徑為 1200mm ，開設的通孔直徑為 1 300mm ，新增灌注樁設在兩個既有灌注樁之間（圖2）。

（2）為了使新增灌注樁不影響既有水閘底板，穿過既有水閘底板部應與底板分離，采用套筒進行分隔，以盡量減小新增灌注樁在新增閘墩荷載作用下產生沉降時對既有水閘底板產生的向下摩擦作用。鋼套管壁厚 20mm ，鋼套筒與既有水閘底板之間采用膨脹性黏土進行填充。

（3）根據公式（1）計算得到新增灌注樁在新增閘墩荷載下的壓縮變形 s₁ 為 5.5mm 。

（4）根據公式（2）計算得到新增灌注樁在新增閘墩荷載下樁端往下刺入地基的位移 s₂ 為 63.7mm 。

（5）取新增閘墩與既有水閘底板之間預留沉降h₂ 為 69.2mm 。

（6）新增閘墩采用分層澆筑，第一層混凝土澆筑厚度為 500mm ，采用鋼模板，板底面下設支撐橫梁和縱梁，縱梁上承受的重量由上下游兩臺吊機吊設纜繩進行支撐。

（7）第一層混凝土澆筑完成達到齡期后形成首層新增閘墩，可撤走吊機，直接在首層新增閘墩上進行后續澆筑加高。

（8）施工過程中密切監測新增閘墩與既有水閘底板之間的空隙。

（9）新增閘墩竣工后，根據現場監測數據，閘底板整體沉降為 67.4mm ，新增閘墩和既有水閘底板之間剩余空隙為 1.8mm 。

（10）對剩余空隙采用熱瀝青進行填充處理

經上述加固改造，工程投入約4800萬元，僅為拆除重建投資費用的 26.4% ，工期由2a縮短到6個月，達到了既經濟又節約工期的目的，改造后水閘如圖5所示。該工程于2023年9月完工，2023年12月通過竣工驗收，至今運行良好。

上述既有水閘新增閘墩的地基處理方法和工程實例，可以為類似工程和相關規范的修編提供支撐。

3結論

本文提出了一種既有水閘新增閘墩的設計方法，采用新增灌注樁承擔新增閘墩的荷載。工程實踐表明，這種方法僅對水閘閘室局部進行改造，節約了工程投資；同時，工期較短，可以盡快地恢復水閘的功能，對水閘防洪排澇安全不造成影響，達到了既經濟又安全的目的。

參考文獻：

[1] 郭紅亮，石運深，焦雨佳，等.漢江興隆水利樞紐泄水閘地基處理設計[J].人民長江，2015（15）：26-29.

[2] 牛勇，暨柳華，李強.廣州市番禹區新礪江水閘工程設計難點與對策[J].人民長江，2012，43（13）：24-27.

[3] 夏德渲.灌注樁法加固長江赤湖排水閘軟基［J].人民長江，1999，30（7） ：14-17.

[4] 沈昊，余代廣，馬力.南京市九鄉河水利樞紐閘室軟基處理方案研究[J].水利水電快報，2022，43（5）：73-77.

[5] 彭良泉.芻議多樁型復合地基的設計方法[J」.土工基礎，2023，37（5）：802-806，815.

[6] 楊光華，蘇卜坤，喬有梁.剛性樁復合地基沉降計算方法[J].巖石力學與工程學報，2009，28（11）：2193-2200.

[7] 葛忻聲，龔曉南，張先明.長短樁復合地基有限元分析及設計計算方法探討[J].建筑結構學報，2003（4）：91-96.

[8]彭良泉.考慮樁土變形協調的復合地基計算方法研究[J].人民長江，2024，55（5）：157-162.

（編輯：李慧）

Research on foundation treatment method for adding new piers to existing sluice

PENG Liangquan1.2 （1.ChangjiangSureying，Planng，DesignandResearchCo.，Ld.，Wuhan43oChina；.NtionalDmSafetyEin TechnologyResearchCenter，Wuhan43OO1O，China）

Abstract：To address the issue of sluice demolition whenadding new piers to existing sluice gates，we proposed a foundation treatment method.Theapproach utilized bored pilesto bear the pierloads whilemitigating adverse effectson the existing sluice floor through reserved settlement.Enginering practice showed that this methodcan onlymakepartial renovations tothesluice chamber floor，andavoid complete demolitionand significantlyreducing projectcosts.The localized modifications entail a shorter construction period，making faster restoration of sluice function without compromising flood control and drainage safety.This cost -effctive and safe solution is worthy of widespread application.

Key words：existing sluice gate；new pier addition；foundation treatment； reserved settlement