■代 軍 ■珠海市城鄉(xiāng)防洪設(shè)施管理和技術(shù)審查中心，廣東 珠海 519000

1 概況

水閘閘室結(jié)構(gòu)預(yù)制浮箱式鋼筋砼，2孔，總凈寬12m，閘室長(zhǎng)17m。水閘投入使用至今已近30年，通過(guò)現(xiàn)閘閘室穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算，最大地基應(yīng)力(圍內(nèi)蓄水期，σ2=45.60KN)大于下臥淤泥層承載力特征值40KN，限于當(dāng)時(shí)的建設(shè)條件，其基礎(chǔ)沒(méi)有進(jìn)行加固處理，閘室存在嚴(yán)重的整體沉降與不均勻沉降現(xiàn)象。

2 存在問(wèn)題

水閘原設(shè)計(jì)防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，經(jīng)過(guò)近30年的運(yùn)行使用與自然沉降，閘室的整體沉降在37～107cm之間，大大降低了工程的防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)，目前狀況相當(dāng)于甚至低于20年一遇防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)。

由于浮運(yùn)閘地基下臥淤泥軟土，對(duì)閘室基底應(yīng)力變化較為敏感，加上浮運(yùn)閘特殊薄壁砼箱筏結(jié)構(gòu)，潮位變化、交通橋動(dòng)荷載變化均能導(dǎo)致基底應(yīng)力大小比變幅較大，并造成閘室不均勻沉降。珠海乃至珠三角地區(qū)上世紀(jì)80～90年代修建的浮運(yùn)閘，出現(xiàn)整體沉降與不均勻沉降的情況較為普遍，導(dǎo)致閘門啟閉困難，影響防洪安全而進(jìn)行重建。

本水閘由于沉降差，已導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)損壞和閘門啟閉運(yùn)行困難，上部門架砼梁、柱出現(xiàn)剪切和扭裂等損壞情況，水閘啟閉運(yùn)行受到困擾。

水閘閘室為預(yù)制浮箱式鋼筋砼結(jié)構(gòu)，閘室上部結(jié)構(gòu)包括交通橋、排架、工作橋?yàn)楝F(xiàn)澆砼。據(jù)了解，鑒于當(dāng)時(shí)外海灘圍墾的施工條件，上部結(jié)構(gòu)砼施工存在使用海水、海砂拌合的情況，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)砼老化、開(kāi)裂砼剝落和鋼筋外露、銹蝕較為嚴(yán)重，目前水閘上部門架因?yàn)轫艅冸x和銹蝕較嚴(yán)重，已采用水泥砂漿批擋包裹，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)問(wèn)題并未解決，加上閘室不均勻沉降造成結(jié)構(gòu)剪切和扭裂情況，閘室結(jié)構(gòu)均存在較大安全隱患。

此外，由于浮運(yùn)閘采用薄壁砼箱筏結(jié)構(gòu)(空箱格筏)，鋼筋保護(hù)層厚度與結(jié)構(gòu)剛度均受到一定制約。水閘交通橋與閘墩以下結(jié)構(gòu)可見(jiàn)結(jié)構(gòu)破裂、砼剝離和鋼筋銹蝕情況較為普遍，初步判斷為砼老化和閘室不均勻沉降致使結(jié)構(gòu)斷裂所致，對(duì)箱筏式浮運(yùn)閘底板，一旦出現(xiàn)斷裂或開(kāi)裂，閘底漏水情況較難處理和修復(fù)。

針對(duì)以上問(wèn)題，需對(duì)水閘進(jìn)行拆除重建。

3 水閘設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)選型

閘室結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)形式有開(kāi)敞式、胸墻式、涵洞式和雙層式等。由于本地區(qū)地基為淤泥軟土，閘室易出現(xiàn)沉降(包括不均勻沉降)，故水閘無(wú)通航要求時(shí)，優(yōu)先采用胸墻式閘室結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)閘室整體剛度，也可減小閘門結(jié)構(gòu)尺寸及重量以及門架高度。考慮到水閘將來(lái)內(nèi)河清淤以及遭遇臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣時(shí)小船過(guò)閘進(jìn)入內(nèi)河避風(fēng)的需要，故水閘重建閘室結(jié)構(gòu)采用開(kāi)敞式。

3.2 閘孔規(guī)模

本工程現(xiàn)狀水閘為雙孔閘，單孔凈寬6m，總凈寬12m。

根據(jù)閘基土質(zhì)及渠底高程等條件，鶴洲北水閘選用平底板，堰頂高程－2.50m。按照排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和外江潮水位變化過(guò)程，結(jié)合現(xiàn)有閘的排澇及納潮情況，初步擬定的閘孔總凈寬:單孔6米凈寬，經(jīng)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算，閘孔總凈寬的計(jì)算結(jié)果均小于初擬的閘孔寬度、引水流量亦滿足灌溉要求，故閘孔總凈寬滿足要求。

3.3 底板高程及長(zhǎng)度

閘室底板設(shè)計(jì)高程根據(jù)閘址上下游河床高程、水閘過(guò)流斷面要求并參考原閘設(shè)計(jì)高程等確定，設(shè)計(jì)為－2.50 m。

閘室底板長(zhǎng)度結(jié)合閘基防滲長(zhǎng)度與閘上工作橋、閘上交通橋布置等綜合考慮。

閘基防滲長(zhǎng)度L初步擬定按:L=C△H

式中:L——閘基防滲長(zhǎng)度(m)，為閘基輪廓線防滲部分水平段與垂直段長(zhǎng)度總和。

△H——上、下游水位差(m)

C——允許滲徑系數(shù)，由地勘資料所得并對(duì)照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。本水閘底板底鋪填中粗砂，取值5。

設(shè)計(jì)按:L=5×(2.57+0.3)=14.35(m)

本工程設(shè)計(jì)結(jié)合閘室結(jié)構(gòu)布置，水閘閘室底板長(zhǎng)度為18 m，滲徑長(zhǎng)度滿足防滲要求。

3.4 閘頂及門頂高程

水閘閘頂高程指擋水閘門上游閘墩頂部高程。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265－2001第4.2.4條規(guī)定，水閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定。擋水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位或最高擋水位加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高值之和;泄水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位與相應(yīng)安全超高值之和。并考慮閘基沉降、水位變化、堤頂加高等因素的影響。

由于水閘為淤泥軟土地基，預(yù)計(jì)工后會(huì)存在一定的沉降，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.4:位于防洪堤上的水閘，閘頂高程不得低于防洪堤堤頂高程，故本工程閘頂高程為4.40 m。

本工程為開(kāi)敞式，閘門頂高程為3.50 m。

3.5 交通橋

新建水閘閘上交通橋均采用梁板式結(jié)構(gòu)，兩端與閘墩固結(jié)，以增加閘室整體剛度。交通橋橋面高程4.06m，橋面凈寬為6.0m，兩側(cè)設(shè)C25砼欄桿。橋面為鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過(guò)載標(biāo)準(zhǔn)為“公路－II”級(jí)。

3.6 啟閉機(jī)工作橋

水閘為雙孔閘，各布設(shè)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)2臺(tái)，啟閉機(jī)工作平臺(tái)長(zhǎng)17.0m，寬4.0m，橋面高程為11.90m。

3.7 消力池及翼墻設(shè)計(jì)

水閘具有雙向排、灌功能要求，故在閘室上、下游各設(shè)置消力池及導(dǎo)流翼墻。經(jīng)消能計(jì)算，設(shè)計(jì)消力池長(zhǎng)度為8.50 m，池深0.50m。

3.8 海漫及防沖槽設(shè)計(jì)

護(hù)坦采用格賓石籠，具有整體性好、抗沖性能高并且適應(yīng)地基變形等特點(diǎn)。防沖槽采用拋石構(gòu)筑。如上圖。

式中:Lp—海漫長(zhǎng)度(m)

q1—消力池末端單寬流量

ΔH'—泄水時(shí)上下游水位差

Ks—海漫長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)

經(jīng)計(jì)算海漫設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)p=15.0 m。

海漫末端設(shè)拋石防沖槽，長(zhǎng)5m，深0.4～1.2m。

3.9 防滲設(shè)計(jì)

閘室長(zhǎng)度確定既要以防滲為主，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合閘上結(jié)構(gòu)及公路橋布置進(jìn)行統(tǒng)一考慮，現(xiàn)確定采用閘室長(zhǎng)度L=18m。結(jié)合基礎(chǔ)處理，防滲可以滿足要求。

水閘承受雙向水頭，由于水閘為淤泥軟土地基，地基采用砂墊層及粉噴樁處理。水閘地基防滲結(jié)合地基加固一并設(shè)計(jì)，考慮在水閘閘室底板上游設(shè)2道防滲密封樁，下游設(shè)1道防滲密封樁，采用深層攪拌樁搭接的形式，樁徑0.50m，樁長(zhǎng)為8.0m，間、排距0.40m。此外，4#船閘為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，地基采用換填素砼及砂墊層，可滿足防滲要求。

3.1 0 地基加固設(shè)計(jì)

(1)地基加固

設(shè)計(jì)水泥粉噴樁，分承重樁和防滲樁。

承重樁:方形間隔布置，樁距1.2米(見(jiàn)設(shè)計(jì)圖冊(cè):樁基礎(chǔ)布置圖)，樁徑為500mm，樁長(zhǎng)20米。水泥摻入量暫定為16～20%，具體摻入量由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

防滲樁:為增強(qiáng)閘底防滲，地基加固在底板上游設(shè)2道、下游設(shè)1道防滲樁，樁徑為500mm，樁距為400mm，相互搭接成連續(xù)墻，樁長(zhǎng)8米。水泥摻入量暫定為16～20%，具體摻入量由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

(2)承載力驗(yàn)算

主要計(jì)算內(nèi)容有單樁豎向承載力、復(fù)合地基承載力特征值和地基沉降，計(jì)算公式按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79－2002有關(guān)公式計(jì)算。

1)單樁承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的兩公式作為單樁承載力的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，并取其中較小值:

fcu·k—與攪拌樁加固土配比相同的室內(nèi)水泥試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，計(jì)算取1200Kpa;

η—強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.35～0.50，計(jì)算取0.45

Ap—單樁橫截面積(按r=0.5，=0.196);

qsi—樁周土的平均摩擦力，淤泥取5～8KPa，淤泥質(zhì)土取8～12KPa，對(duì)粘性土取12～15KPa;

U—樁周長(zhǎng)，1.57m;

li—樁身有效長(zhǎng)(按永久樁長(zhǎng)計(jì))，計(jì)算取15m;

qp—樁端天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，40KPa;

α—樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6，計(jì)算取0.5;

2)攪拌樁復(fù)合地基承載力驗(yàn)算

式中:fspk—復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，Kpa;

Ap—單樁橫載面積，0.196m2;

AB—單樁所承擔(dān)的加固土的面積，可取1～2 m2，計(jì)算取1.50m2;

fs·k—樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，40KPa;

β—樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁端土為軟土?xí)r，可取0.5～1.0，計(jì)算取0.85;

σ—要求的復(fù)合地基承載力，設(shè)計(jì)取65.8Kpa(無(wú)水完建期平均值);

(3)下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算

本工程區(qū)域淤泥層深厚，計(jì)算樁長(zhǎng)15米，局部區(qū)域樁基以下仍有軟弱淤泥層，驗(yàn)算下臥層的地基強(qiáng)度:

Pa＜PS

Rs—基礎(chǔ)實(shí)體承載力修正后標(biāo)準(zhǔn)值

Rs=fk+ ηbγ(b － 3)+ ηdγp(d － 0.5)

=40+1.1×8×(14.85－3)+1.1×(18.5－10)×(3－0.5)=167.66Kpa

滿足要求。

(4)地基沉降計(jì)算

本工程經(jīng)水泥粉噴樁加固處理后，閘室沉降量計(jì)算結(jié)果如下:

外江側(cè) S=3.98+3.04=7.02cm＜15cm，滿足要求。

內(nèi)江側(cè)S=3.98+1.84=5.82 cm＜15cm，滿足要求。

兩側(cè)沉降差:7.02－5.82=1.2cm＜5.0cm，滿足要求。

均滿足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265－2001)第8.3.6要求。

4 結(jié)語(yǔ)

水閘拆除重建后，可消除安全隱患，確保水閘發(fā)揮正常的防洪、灌溉效益，確保圍內(nèi)群眾的正常生產(chǎn)生活，改善堤上交通狀況，特別是對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉有著重要意義。