上董水閘除險加固技術(shù)探討

王洪娜

(福建省溪源水庫管理處，福建 福州 350001)

1 工程概況

上董水閘位于福州市倉山區(qū)城門鎮(zhèn)上董村境內(nèi)，水閘位于福州市閩江北港南岸防洪堤城門段上，東經(jīng)119°22′35”，北緯26°01′10”，是一座承擔著擋洪潮、排澇水任務(wù)的小(2)型水閘，最大過閘流量20.72 m3/s。水閘設(shè)計內(nèi)澇水位為6.75 m(P=5%)，設(shè)計外江水位為6.68 m(P=5%)，校核外江水位為7.02 m(P=1%)。閘門為單孔閘，現(xiàn)狀閘門為木閘門，孔口尺寸為3.5 m×3.5 m,閘底板高程為2.10 m，閘頂設(shè)有胸墻，胸墻底高程5.60 m，胸墻頂高程8.16 m。閘門采用螺桿啟閉機啟閉[1-4]。

2 水閘存在主要問題

上董水閘經(jīng)10多年運行，存在一定的安全隱患，影響水閘的安全運行。主要存在以下幾個問題：

(1)水閘基礎(chǔ)存在問題。水閘基礎(chǔ)為淤泥，基礎(chǔ)采用木樁進行處理，木樁間距為500 mm。閘基巖土層自上而下為淤泥及卵石，其中淤泥層分布深厚，工程性能差，閘基穩(wěn)定性較差，經(jīng)復核計算地基承載力不滿足要求。

(2)閘門、閘墩存在的問題。閘門止水扁鋼及螺栓銹蝕嚴重，止水橡皮脫落嚴重。木閘門上的扁鋼及螺栓銹蝕嚴重，閘門門體整體性較差。閘門埋件銹蝕嚴重，木閘門損壞嚴重。閘室邊墩整體完好，局部混凝土存在輕微脫落現(xiàn)象。

(3)胸墻及消能防沖設(shè)施存在的問題。胸墻局部混凝土保護層存在輕微脫落現(xiàn)象。內(nèi)河及外江側(cè)護坦段及海漫段淤積嚴重，無法直接對護坦底板及海漫進行檢查，據(jù)管理員介紹兩側(cè)護坦段整體完好，但外江側(cè)海漫段部分部位已經(jīng)被沖毀。

(4)啟閉房、交通橋存在的問題。啟閉房墻面存在裂縫，裂縫滲水；邊梁整體完好，梁下部混凝土存在不同程度的混凝土保護層剝落現(xiàn)象，啟閉梁存在橫向裂縫，縫寬約1～2 cm。交通橋梁底多見順筋裂縫。橋底板混凝土多見銹斑。交通橋兩側(cè)欄桿破損嚴重。外江交通橋橋板已出現(xiàn)露筋，兩側(cè)欄桿出現(xiàn)了銹蝕。

3 除險加固設(shè)計方案

3.1 閘室設(shè)計方案

水閘閘室段加固改造總體布置方案。 閘室段長12 m，共1孔，孔口尺寸(寬×高) 3.5 m×3.5 m，由閘室、胸墻、交通橋、啟閉機房等組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。閘門布置在閘室后半部，距閘室末端2.60 m;閘底板項高程2.10 m,底板厚1.0 m,底板前后端設(shè)有深1.0 m的齒墻;邊墩頂高程8.20 m，邊墩厚度均為 1.0 m;設(shè)置1扇工作閘門，工作閘門采用平面鋼閘門;胸墻位于工作閘門的內(nèi)河側(cè)，底高程為5.70 m,頂高程8.20 m，胸墻厚度0.30 m;交通橋高程為8.20 m，橋?qū)?.0 m;檢修橋橋面高程為6.00 m,橋?qū)?.60 m。閘室上部設(shè)置啟閉機房，啟閉機房頂高程為17.45 m，采用框架式結(jié)構(gòu)。

3.2 閘室抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算

3.2.1 計算工況

(1)基本組合。

工況1:內(nèi)河為常水位2.60 m,外江為多年平均低潮位0.85 m；

工況2:內(nèi)河為常水位2.60 m，外江為100 a一遇洪水位7.02 m；

工況3:內(nèi)河為20 a一遇澇水位6.75 m，外江為100 a一遇洪水位7.02 m;

(2)特殊組合。

工況4:內(nèi)河為常水位2.60 m，外江為多年平均低潮位0.85 m，并考慮地震情況。

3.2.2 閘室抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計算

閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算，見式(1):

(1)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑H為作用在閘室的水平荷載之和，kN；∑G為作用在閘室基地上的豎向荷載之和(包括揚壓力在內(nèi))，kN；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

閘室基底應(yīng)力計算公式(2)如下:

(2)

3.2.3 計算成果

沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和基底應(yīng)力詳見下表1和表2。

表1 抗滑穩(wěn)定計算成果

表2 應(yīng)力計算成果

(1)在各種計算工況及水位組合下，沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。(2)閘室最大壓應(yīng)力和最小壓應(yīng)力均小于地基承載力的1.2倍,閘室基地平均應(yīng)力均小于地基承載力，滿足規(guī)范要求。(3)各工況的應(yīng)力比均能滿足規(guī)范要求。

因此上董水閘加固后閘室整體抗滑穩(wěn)定能滿足規(guī)范要求，且閘室地基的承載力能滿足應(yīng)力方面的安全要求。

3.3 閘室基礎(chǔ)加固改造設(shè)計方案3.3.1 地基處理方案

上董水閘閘基地質(zhì)結(jié)構(gòu)均為多層結(jié)構(gòu):淤泥+卵石，其中淤泥厚約15.0 m。淤泥為本區(qū)的主要軟弱層，不宜選作天然地基。水閘現(xiàn)狀地基處理方案為松木樁，根據(jù)地質(zhì)勘察所確定的地質(zhì)條件，分別采用水泥攪拌樁、高壓旋噴樁2個方案進行比選。

(1)方案一：水泥攪拌樁。 利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的攪拌機械，在地基深處將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理-化學反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的優(yōu)質(zhì)復合地基。

(2)方案二：高壓旋噴樁。 利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進至預定土層位置后，用高壓設(shè)備使?jié){液或水以壓力為20 MPa左右的高壓流從噴嘴中噴出，破壞周圍土體，同時鉆桿以一定速度漸漸向上提升，將漿液與土粒強制攪拌混合,漿液凝固后，在土體中形成固結(jié)體。

以上兩個方案均有其特點。水閘現(xiàn)狀由于地基淤泥層較厚，挖除既不經(jīng)濟、也不安全，考慮到地基處理后強度要求，高壓旋噴樁方案成樁后樁基的效果較好，地基處理后的強度較高等優(yōu)點。同時考慮到水閘位于閩江北港南岸防洪堤上，水閘的重要性較高。因此推薦采用高壓旋噴樁作為基礎(chǔ)處理設(shè)計方案。在高壓旋噴樁施工前對原有的松木樁基礎(chǔ)進行拆除，采用拔除松木樁的型式進行處理。故本次水閘閘室地基處理采用方案二。

3.3.2 地基處理計算

本次采用換填砂及高壓旋噴樁復合基礎(chǔ)作為水閘基礎(chǔ)處理方案。先拔除原有的松木樁基礎(chǔ)，高壓旋噴樁沿閘室和門庫底板四周連續(xù)布置φ600高壓旋噴樁，中間部分采用φ 600@1500×1500高壓旋噴樁，樁體深至淤泥層與卵石層分界線處。經(jīng)加固后，可認為基底為中等堅實土，可以滿足要求。復合地基計算成果表，見表3。

表3 復合地基計算成果

樁體置換率0.126，復合地基承載力特征值為115.40 kPa，滿足規(guī)范要求。上董水閘經(jīng)地基處理后，基礎(chǔ)最大沉降為29.04 mm<150.00 mm，沉降量均滿足規(guī)范要求要求。

3.4 消能防沖設(shè)施加固方案

(1)外江消力池及海漫段。 外江消力池段總長11.0 m，消力池深0.5 m，寬3.5～10.0 m，池底高程1.6 m，為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。池底板厚度1.0 m，底板下設(shè)1.0 m換填砂墊層，并設(shè)置重75 mm 排水管，并用土工布包裹；消力池與閘室高差采用1∶4坡度連接。邊墻頂高程為6.6 m,采用C25鋼筋混凝土懸壁式擋墻結(jié)構(gòu)，邊墻厚0.8 m，背水坡坡比1∶0.1。

外江海漫段采用干砌塊石護底，長12.0 m，寬度為10.0 m,海漫底板高程2.1 m，海漫厚度為0.5 m，下設(shè)土工布(400 g/m2)。

(2)內(nèi)河護坦及海漫段。內(nèi)河護坦段為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，長5.0 m，寬3.5～6.5 m，護坦底高程2.10 m,護坦底板厚度0.6 m，底板下設(shè)0.1 m厚C10混凝土墊層、1.0 m換填砂墊層;護坦邊墻頂高程為7.5 m，采用C25鋼筋混凝土扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)，邊墻厚0.80 m，背水坡坡比1：0.1。

3.5 閘基防滲設(shè)計方案

3.5.1 設(shè)計方案

根據(jù)工程地質(zhì)報告，水閘的地基為淤泥，因此擬在閘室底板外江側(cè)齒墻底設(shè)重600 mm高壓旋噴樁防滲墻，樁距0.5 m，墻深12 m。并在閘室邊墩外側(cè)設(shè)置C20鋼筋混凝土刺墻,頂寬1.0 m,底寬2.5 m,厚度為50 cm。刺墻底部與高壓旋噴防滲墻相連，頂部與防洪堤的防浪墻相連。

3.5.2 抗?jié)B計算

(1)基本條件。 閘址位于淤泥基礎(chǔ)上，根據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范，計算方法采用改進阻力系數(shù)法進行計算。上董水閘水平段和出口段允許滲流坡降值由《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265—2016)表6.0.4查得。閘基滲透系數(shù)見表4。

表4 閘基滲透系數(shù)

(2)計算工況。 滲流計算采用改進阻力系數(shù)法，選取以下工況進行計算。

工況1:內(nèi)河為20 a一遇澇水位6.75 m，外江為多年平均低潮位0.85 m；

工況2:內(nèi)河為常水位2.60 m,外江為100 a一遇洪水 位7.02 m；

工況3:內(nèi)河為20 a一遇澇水位6.75 m，外江為100 a一遇洪水位7.02 m。

(3)計算成果。 滲流計算采用改進阻力系數(shù)法，成果如表5所示。

表5 抗?jié)B穩(wěn)定計算成果

計算的水平段滲透坡降最大為0.142，滿足規(guī)范要求;出口段滲透坡降最大為0.150，計算成果大于允許滲透坡降，滿足規(guī)范要求。

3.6 啟閉房加固改造設(shè)計方案

啟閉房墻面存在裂縫，裂縫滲水;啟閉梁、邊梁整體完好，梁下部混凝土存在不同程度的混凝土保護層剝落現(xiàn)象。

本次加固改造設(shè)計擬對啟閉房進行拆除重建，新建啟閉房尺寸為4.5 m×4.4 m(長×寬)，新建啟閉室為磚混結(jié)構(gòu)，頂高程為17.45 m,啟閉室頂為坡式，坡面高度為2.0 m,啟閉房底板高程為12.50 m。新建啟閉梁混凝土為C25鋼筋混凝土。同時應(yīng)加強控制施工質(zhì)量。

3.7 交通橋及檢修橋加固改造設(shè)計方案

(1)交通橋加固改造設(shè)計方案。 現(xiàn)狀內(nèi)河側(cè)交通橋橋面高程為7.66 m，橋面寬4.0 m。交通橋設(shè)計荷載按公路 -Ⅱ級荷載。交通橋梁底多見順筋裂縫。橋底板混凝土多見銹斑。交通橋兩側(cè)欄桿破損嚴重。本次加固改造設(shè)計擬對其拆除重建。新建橋梁為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),新建交通橋為板梁式結(jié)構(gòu)，橋面高程為8.20 m,橋面寬為4.0 m，設(shè)計橋板厚為150 mm，梁高800 mm。橋兩側(cè)護欄采用大理石欄桿。

(2)檢修橋加固改造設(shè)計方案。 新建橋梁為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，新建檢修橋為單跨簡支板結(jié)構(gòu)，橋面高程為5.95 m，橋面寬為2.60 m，設(shè)計橋板厚為0.25 m。檢修橋外江側(cè)護欄采用鍍鋅欄桿。

4 結(jié) 語

上董水閘除險加固工程初步設(shè)計于2016年10月報批，2018年7月完成施工。與南江濱東段休閑璐一期工程規(guī)劃歷年相銜接，天福水閘外引港左翼墻采用鉆孔灌注樁，可減少墻后土方開挖量，滿足規(guī)劃及景觀需要，適本水閘加固方案可供類似工程參考。