段元振， 周 燦， 黃圣平

(湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410011)

1 工程概況

株洲二線船閘位于湘江流域中游河段株洲境內(nèi)，布置在湘江右岸株洲航電樞紐一線船閘右側(cè)，是湘江二級航道二期工程的重要組成部分，關(guān)鍵控制性工程之一。

株洲二線船閘為Ⅱ等單級船閘，主要建筑物3級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇。設(shè)計(jì)年單向通過能力為2450×104t，閘室有效尺度280m×34m×4.5m(長×寬×門檻水深)，采用閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)。

株洲二線船閘閘址河床地質(zhì)以白堊系紅色礫巖為主，成分復(fù)雜，含灰?guī)r、砂巖、板巖等，灰?guī)r礫石占40%以上，膠結(jié)物多為鐵質(zhì)、鈣質(zhì)。在地質(zhì)演化過程中，受巖性和地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)因、地下水活動的外因、溶蝕和風(fēng)化等共同作用，形成了多個溶蝕風(fēng)化帶、風(fēng)化槽，槽內(nèi)充填松散的風(fēng)化殘積土，物理力學(xué)性能較差。由于溶蝕風(fēng)化的隨機(jī)性、差異性、突變性等特征，影響了船閘水工建筑物的布置。早在2002年建設(shè)株洲航電樞紐期間，建設(shè)者就閘壩區(qū)域的風(fēng)化深槽地質(zhì)問題做了大量的科研和技術(shù)攻關(guān)。包括采用電測深方法探測風(fēng)化深槽的分布[1]，提出了全挖全填、部分挖填部分拱梁、巖體灌漿等處置方案[2]，湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院還專門開展了紅層溶蝕風(fēng)化土固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究[3]。上述科研及工程實(shí)踐，對現(xiàn)風(fēng)化深槽的技術(shù)處理，仍具有借鑒意義。

2 風(fēng)化深槽地質(zhì)構(gòu)造

勘察場地地處衡陽盆地邊緣，株洲盆地南端，位于區(qū)域構(gòu)造長壽街-雙排斷裂帶之西南側(cè)，場地內(nèi)主要構(gòu)造形跡表現(xiàn)為北北東-北東向的斷層、構(gòu)造盆地等。新構(gòu)造運(yùn)動主要表現(xiàn)為以上升為主的大面積升降運(yùn)動，未見活動性斷裂帶分布。區(qū)內(nèi)歷史地震烈度均小于6°，屬于相對穩(wěn)定板塊。

圖1 風(fēng)化深槽地質(zhì)剖面圖

表1 巖石主要地質(zhì)參數(shù)推薦值地層代號風(fēng)化程度巖性允許承載力/kPa彈性模量/GPa變形模量/GPa砼與巖間抗剪斷強(qiáng)度f 'C/MPa永久開挖坡比透水率/LuE強(qiáng)風(fēng)化礫巖300～5002.51.30.650.11∶12.0中風(fēng)化礫巖1 5005.02.50.800.31∶0.750.5K22強(qiáng)風(fēng)化礫巖400～7003.01.50.700.11∶12.0中風(fēng)化礫巖1 8006.03.00.900.31∶0.750.5～1.0

3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水。場地地下水以松散層孔隙水為主，接受大氣降水及河水側(cè)向補(bǔ)給，最終排泄于湘江，基巖裂隙水較為貧乏。

粉質(zhì)粘土層滲透系數(shù)為4×10-6～3×10-5cm/s，屬于微透水層；圓礫層滲透系數(shù)為3.4×10-2～9.9×10-2cm/s，屬于強(qiáng)透水層。場地內(nèi)中風(fēng)化較完整巖體透水率一般<1.0 Lu，屬微透水層，較破碎巖體透水率一般<4.50 Lu。全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、全風(fēng)化含礫砂巖、全風(fēng)化礫巖的滲透系數(shù)一般介于1×10-4～5×10-5cm/s，均屬于弱透水層；強(qiáng)風(fēng)化礫巖、強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的滲透系數(shù)一般介于1×10-4～2×10-5cm/s，屬于弱透水層。

風(fēng)化深槽邊緣部位滲透系數(shù)最大達(dá)到1×10-1cm/s，說明風(fēng)化深槽特別是不整合接觸帶滲透性極強(qiáng)，巖性不均勻。在滲流作用下，地基軟化、風(fēng)化巖崩解、強(qiáng)度降低等，容易造成建筑物不均勻沉降和位移；同時，飽和后的松散土體被滲流攜帶流失形成空洞坍塌，存在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

4 風(fēng)化深槽對二線船閘方案影響

通過理論計(jì)算方法定量分析風(fēng)化深槽對一線船閘的影響程度，評估危害后果。針對施工過程中一線船閘安全問題，采用抗剪強(qiáng)度公式和抗傾公式計(jì)算結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性；針對施工過程中邊坡穩(wěn)定性問題，采用簡單條分法和摩根斯坦法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。

4.1 影響一線船閘安全

株洲一、二線船閘軸線距離100m，風(fēng)化深槽自一線船閘下閘首穿過下輔導(dǎo)航墻至二線下游導(dǎo)航墻，影響區(qū)域見圖2。

圖2 風(fēng)化深槽影響區(qū)域

一線船閘最不利工況為圍堰高水位擋水且二線船閘開挖至建基面但主體砼尚未澆筑時。不采取任何措施情況下，一線船閘臨基坑側(cè)閘室墻抗傾覆不滿足要求;采取基坑充水平壓后，經(jīng)計(jì)算一線船閘的迎水側(cè)抗裂、基底應(yīng)力等不受影響，但位于風(fēng)化深槽部位的一線船閘導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不滿足要求。其摩擦系數(shù)0.35，地基承載力約為300kPa，按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算的抗滑移安全系數(shù)0.93～1.0，小于1.05的要求。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 二線船閘基坑開挖后一線船閘導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算成果表部位抗傾覆安全系數(shù)抗滑移安全系數(shù)備注上游進(jìn)水墻1.402.33巖基,按主動土壓力計(jì)算閘室墻Ⅰ2.171.78土基,按主動土壓力計(jì)算閘室墻Ⅱ2.732.43巖基,按靜止土壓力計(jì)算下游導(dǎo)航墻Ⅰ1.790.93土基,按主動土壓力計(jì)算下游導(dǎo)航墻Ⅱ1.791.0土基,按靜止土壓力計(jì)算

4.2 影響基坑邊坡穩(wěn)定

二線船閘基坑采用高壓旋噴墻防滲處理后，防滲墻起到降低浸潤線的作用，經(jīng)條分法計(jì)算，除風(fēng)化深槽部位的邊坡外，其余部位均滿足穩(wěn)定性要求(見圖3)，風(fēng)化深槽部位的邊坡采用簡單條分法計(jì)算，K值為0.89(見圖4);采用摩根斯坦法計(jì)算，K值為1.04。如果進(jìn)一步放緩開挖邊坡，則需要將圍堰軸線外移，進(jìn)而影響通航和行洪安全，并不可取。

圖3 基坑邊坡條分法圖

圖4 風(fēng)化深槽處旋噴處理后條分法

4.3 影響施工方案和地基處理圖

株洲二線船閘基坑最大開挖深度達(dá)30m，地質(zhì)缺陷決定了基坑局部處置方案，開挖方式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、坡面防護(hù)、基坑降排水、安全監(jiān)測措施等均需要采取專項(xiàng)施工方案。同時，對結(jié)構(gòu)布置、地基處理方式、工程造價(jià)等都會產(chǎn)生不同程度影響。

5 工程措施

5.1 基礎(chǔ)處理

研究認(rèn)為，一線船閘建設(shè)期間，采用“有蓋重和有側(cè)限”灌漿能有效改善溶蝕風(fēng)化土的物理力學(xué)性能[3]，滿足地基承載力要求，同時提出了換填、人工挖孔樁等處理方案。在此基礎(chǔ)上，二線船閘建設(shè)充分吸收前期科研成果，運(yùn)用施工工藝較為成熟的鉆孔灌注樁、固結(jié)灌漿等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)化深槽處理方式。

1) 下閘首位于不整合接觸帶附近，基本建筑在中風(fēng)化巖層上。中風(fēng)化巖層的承載力和完整性均滿足地基要求，不整合接觸帶對下閘首的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性影響很小，為提升地基性能，采用固結(jié)灌漿、對局部破碎巖基換填C15混凝土等處理措施。

2) 下游導(dǎo)航墻位于風(fēng)化深槽邊緣，基本建筑在中風(fēng)化巖層上。下游導(dǎo)航墻緊鄰下閘首，閘首基底面積較大，達(dá)60m×35m，開挖深度也大于導(dǎo)航墻奠基面，有一定側(cè)限作用，能夠提升固結(jié)灌漿效果。因此，導(dǎo)航墻基礎(chǔ)遇風(fēng)化深槽時采用有蓋重固結(jié)灌漿方案進(jìn)行地基處理。從灌漿各序孔水泥單位注入量來看，隨著孔序的加密，總體上呈現(xiàn)單位注入量遞減的變化趨勢，符合正常灌漿遞減規(guī)律；單點(diǎn)壓水試驗(yàn)，實(shí)測透水率為1.70～2.29Lu，滿足小于5 Lu的要求。

3) 對于趨近風(fēng)化深槽中心部位，早期有研究表明，無蓋重和側(cè)限、排水不良的情況下，固結(jié)灌漿作用有限[3]。換填的開挖工程量較大且影響一線船閘安全，因此采用聯(lián)排C30砼灌注樁基礎(chǔ)；為減少樁基側(cè)向受壓，按上導(dǎo)下排的原則，樁間間隔15cm空隙作為排水通道，面板留排水孔，樁頂設(shè)橫梁增強(qiáng)剛度和抗側(cè)向力。樁基基本參數(shù)為樁徑1.5m、間距1.6m、排距6.4m、樁長27m，建筑在強(qiáng)風(fēng)化礫巖上(見圖5)。采用樁基后，輔導(dǎo)航墻及邊坡滿足穩(wěn)定要求[5]，計(jì)算結(jié)果見表3。

5.2 基坑邊坡處理

1) 利用雙排旋噴墻增加滲透穩(wěn)定性。

一、二線船閘軸線間距較小，下游引航道地質(zhì)條件復(fù)雜多變，為減少滲透破壞，在下游主導(dǎo)航墻采用雙排旋噴樁防滲墻防滲。防滲墻布置宜盡量靠近迎水側(cè)，增強(qiáng)土體穩(wěn)定性，并避開一線船閘墻后排水管。

2) 采用支護(hù)樁加強(qiáng)基坑圍護(hù)。

圖5 風(fēng)化深槽基礎(chǔ)處理

表3 下游排樁式輔導(dǎo)航墻計(jì)算結(jié)果計(jì)算內(nèi)容樁彎矩設(shè)計(jì)值/(kN·m)樁剪力設(shè)計(jì)值/kN整體穩(wěn)定安全系數(shù)抗傾覆安全系數(shù)抗隆起安全系數(shù)抗管涌安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果4 5651 4862.921.6320.913.64

全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、全風(fēng)化含礫砂巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低，其凝聚力15～20kPa，內(nèi)摩擦角15°～18°，巖性遇水軟化，軟化系數(shù)0.3～0.5，極易滲透液化。在下閘首及靠近下閘首的2個閘室結(jié)構(gòu)段等薄弱部位采用單排灌注樁進(jìn)行邊坡支擋，支護(hù)樁頂部設(shè)置橫梁。

6 變形觀測

株洲一線船閘與二線船閘共布置56個沉降位移觀測點(diǎn)，分布在閘首、閘室、導(dǎo)航墻等部位。觀測數(shù)據(jù)顯示，施工期的一線船閘和通航后的二線船閘均沒有發(fā)生明顯變形，累計(jì)變形量微小，客觀反映了船閘建筑物在設(shè)計(jì)工況下正常運(yùn)行的可靠性，驗(yàn)證了風(fēng)化深槽處理措施的可行性。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。

表4 變形監(jiān)測統(tǒng)計(jì)表點(diǎn)號相對坐標(biāo)值/m累計(jì)變形量/mmXYHΔXΔYΔH部位SC13105.786.845.0000一線船閘閘室SC1418.786.845.0011一線船閘導(dǎo)航墻SC50-31.922.045.0011二線下游重力式輔導(dǎo)航墻SC53-91.153.845.0232二線下游樁承式輔導(dǎo)航墻SC56-59.2-18.845.01-11二線下游主導(dǎo)航墻

7 結(jié)語

株洲一線船閘與二線船閘間分布有風(fēng)化深槽和不整合接觸帶、粉細(xì)砂、圓礫等強(qiáng)透水層，風(fēng)化深槽對兩線船閘間壩體穩(wěn)定性影響非常明顯，強(qiáng)透水層易發(fā)生“滲透液化”。在深入研究其影響機(jī)理和范圍的基礎(chǔ)上，針對船閘建筑物布置在風(fēng)化深槽的不同部位，提出了針對性措施，即風(fēng)化深槽中心部位采用樁基、不整合接觸帶采用換填和有蓋重固結(jié)灌漿等一系列措施，較好地解決了風(fēng)化深槽的地基處理問題。風(fēng)化深槽等地質(zhì)缺陷隱蔽性很強(qiáng)、隨機(jī)分布概率很大、地質(zhì)條件很復(fù)雜，大幅增加了勘察、地基處理的工作量和難度，同時也增加了工程風(fēng)險(xiǎn)，因此在工可階段做好地質(zhì)詳勘十分必要。