新沭河三洋港樞紐海淤土地基高潮差擋土墻設(shè)計(jì)方案

陳高義 孫 勇 沈繼華 楊 中 崔 飛

新沭河三洋港樞紐海淤土地基高潮差擋土墻設(shè)計(jì)方案

陳高義 孫 勇 沈繼華 楊 中 崔 飛

一、工程概況

三洋港樞紐位于江蘇省連云港市郊新沭河入?？?，具有擋潮減淤、降低上游灘地糙率、改善排澇條件，以及利用河槽蓄水，為連云港市增加水源，改善交通條件，促進(jìn)港口發(fā)展等多項(xiàng)功能。三洋港擋潮閘為該樞紐的主要建筑物，設(shè)計(jì)泄洪流量6400m3/s，共33孔，單孔凈寬15m。樞紐工程靜態(tài)總投資5.5億元。

岸翼墻總體布置上游大體為圓弧形，下游為“八”字形。閘室底板高程-2.00m，消力池護(hù)坦-5.00m，上、下游翼墻頂高程根據(jù)泄洪、擋潮和正常蓄水等因素?cái)M定為4.00m，上游翼墻凈高為6.00m，下游翼墻凈高為9.00m。岸墻頂高程考慮閘室和兩岸的平順連接擬定為8.00m，岸墻凈高為10.00m。地基表層的海淤土層底平均高程約為-10.00m，普遍較厚。

連云港潮位起落頻繁。根據(jù)現(xiàn)有潮位統(tǒng)計(jì)資料，最大漲潮潮差6.11m，最大落潮潮差5.93m，平均潮差3.48m。下游翼墻前水位跟隨著海潮頻繁地漲落，而墻后水位相對(duì)穩(wěn)定在較高的水平。當(dāng)墻前水位較高時(shí)，墻前、后水壓力能夠基本抵消，而當(dāng)潮水落到較低位置時(shí)，則墻前、后水壓力相差懸殊，使翼墻的設(shè)計(jì)條件相當(dāng)惡劣。本工程取20年一遇低潮位作為最不利的設(shè)計(jì)工況，該水位為-3.35m。相比于下游翼墻，上游翼墻要相對(duì)好得多，墻前水位即河道的蓄水位，其中正常蓄水位2.00m，最低蓄水位0.50m，即使在低潮位泄洪時(shí)，通過(guò)工程控制運(yùn)用措施，也可使墻前水位不低于1.00m。

對(duì)于墻后水位，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，勘探期間地下水位在2.5m～3.0m，表層地下水靠大氣降水和人工蝦塘補(bǔ)給，受季節(jié)和潮水位變動(dòng)的影響而變化。在擋潮閘建成后，分析墻后地下水位將受閘上蓄水位、遠(yuǎn)處地下水位和潮水位變動(dòng)的綜合影響，最終應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定在2.50m高程左右。

二、設(shè)計(jì)難點(diǎn)

一是工程場(chǎng)區(qū)建基面為海相淤泥和淤泥質(zhì)土，地基條件差；二是墻后地下水位高，淤泥質(zhì)土對(duì)墻背的側(cè)壓力大，墻前潮水位周期性漲落使得設(shè)計(jì)條件更為復(fù)雜，增加了岸翼墻的設(shè)計(jì)難度；三是場(chǎng)區(qū)適合填筑的土料匱乏，水質(zhì)具有腐蝕性，對(duì)岸翼墻工程材料的選用和處理措施起到了一定的制約作用；四是設(shè)計(jì)方案要便于施工。因上述因素，使得?？诠こ叹邆淞擞袆e于其他水利工程的施工特點(diǎn)，最突出的是海淤土基坑的場(chǎng)內(nèi)道路以及大型施工設(shè)備的工作面因軟弱而易產(chǎn)生沉陷，致使施工難度加大，臨時(shí)工程費(fèi)用增加。故在進(jìn)行永久工程設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量考慮降低施工的難度。

一般就內(nèi)陸的水閘而言，影響擋土墻的穩(wěn)定比較敏感的因素有墻后墻前水位差、墻后水平土壓力、擋土墻的寬高比等，而其中又以墻后墻前水位差為最，如水庫(kù)水位驟降對(duì)泄洪閘翼墻的影響、內(nèi)陸河道水位降落對(duì)水閘翼墻的影響。前者問(wèn)題突出一些，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，采取一些措施，能夠把墻后墻前水位差控制在1.5m以?xún)?nèi)。后者墻后墻前水位差一般更低，大多可以控制在0.5m以?xún)?nèi)，問(wèn)題不是很突出。

三、設(shè)計(jì)方案

1.沉井基礎(chǔ)方案

岸翼墻采用沉井基礎(chǔ)，沉井刃腳插入較堅(jiān)實(shí)的土層0.5m~1.0m，穩(wěn)定分析時(shí)將沉井與墻身視作一體，相當(dāng)于總墻高達(dá)15.2m。先按淺基礎(chǔ)計(jì)算，墻后水、土壓力非常大，按常規(guī)寬高比設(shè)計(jì)擋土墻，其穩(wěn)定指標(biāo)難以滿(mǎn)足要求。再按深基礎(chǔ)理論計(jì)算，依然達(dá)不到平衡。經(jīng)過(guò)多次試算證實(shí)，當(dāng)寬度足夠大時(shí)，擋土墻能夠達(dá)到穩(wěn)定平衡，但寬高比過(guò)大，會(huì)使投資加大，施工復(fù)雜，工期延長(zhǎng)，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度看都不太令人滿(mǎn)意。

經(jīng)研究后改進(jìn)方案，擬對(duì)墻后的海淤土采用水泥土粉噴樁進(jìn)行固化處理，上部回填土料也以水泥土代替。這相當(dāng)于在擋土墻和沉井剛體后形成了“二級(jí)”墻體。設(shè)計(jì)時(shí)不僅計(jì)算一級(jí)墻體的穩(wěn)定，同時(shí)要考慮二級(jí)墻體的穩(wěn)定。但一、二級(jí)墻體之間的內(nèi)力傳遞比較復(fù)雜，尤其是水壓力難以確定。為了明確水壓力，設(shè)計(jì)構(gòu)思了一套“上堵下排、外堵內(nèi)排”的防滲排水方案來(lái)解決，即將上下游翼墻、邊閘室的沉井基礎(chǔ)縫隙全部封堵形成半圍封，再在下游翼墻后設(shè)置外包中細(xì)砂的加勁排水軟管，將地下水集中引入空箱排出墻外。

岸翼墻沉井基礎(chǔ)方案的優(yōu)點(diǎn)是減少了墻后土方回填量，緩解了工程場(chǎng)區(qū)天然土料匱乏的局面；能夠有效降低墻后填土的沉降和改善填土對(duì)擋土墻的邊載和負(fù)摩擦影響；此外還可以利用水泥土的防滲作用，降低作用于墻背的水壓力。

該方案的缺點(diǎn)：一是施工復(fù)雜且要求高。就岸翼墻而言，采用了較多的地基基礎(chǔ)型式：沉井、灌注樁、截滲墻、水泥土攪拌樁和水泥土。計(jì)算模式上將墻后水泥土攪拌樁和水泥土視為剛體，故此對(duì)水泥土和攪拌樁的要求較高，而淤泥質(zhì)土內(nèi)攪拌樁的成樁效果往往難以控制。二是管理難度高?！吧隙孪屡拧⑼舛聝?nèi)排”是本方案岸翼墻的必要條件，對(duì)墻后水位控制嚴(yán)格，雖然預(yù)測(cè)超設(shè)計(jì)水位的機(jī)率很低，但畢竟需要管理部門(mén)理解設(shè)計(jì)意圖并進(jìn)行控制，加大了管理難度，也降低了可靠性。

2.換填水泥土地基方案

為解決方案一的問(wèn)題，經(jīng)進(jìn)一步分析，大膽提出了岸翼墻地基大面積換填水泥土的方案，即將墻下的海淤土清至堅(jiān)實(shí)粘土層，然后填筑水泥土。因換填量不大不足以解決問(wèn)題，據(jù)計(jì)算換填范圍接近50m×120m，最深處約8m。上游翼墻采用鋼筋混凝土扶壁式，岸墻和下游翼墻采用鋼筋混凝土空箱式，其墻后仍需回填一定量的水泥土以增加抗滑穩(wěn)定性。

穩(wěn)定分析時(shí)首先計(jì)算各段墻身工況的穩(wěn)定，然后再按最不利工況復(fù)核墻身與墻后水泥土整體的穩(wěn)定，最后再?gòu)?fù)核墻身、墻后水泥土、換填水泥土地基整體的穩(wěn)定。為驗(yàn)證水泥土的指標(biāo)，特地選取了灘地表層土進(jìn)行了不同攙入比（8%、10%、12%）的壓實(shí)試驗(yàn)（壓實(shí)度0.94），其10%摻入比水泥土28d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.58M Pa。本方案充分利用水泥土良好的承載能力、抗剪和防滲性能，解決了軟土地基擋土墻難以穩(wěn)定的問(wèn)題，使得結(jié)構(gòu)布置和施工工藝簡(jiǎn)化。缺點(diǎn)是水泥土的填筑量、基坑的開(kāi)挖和回填量都相當(dāng)大。由于基坑開(kāi)挖較深，施工降排水難度都較大，還會(huì)受到降雨天氣的影響，同時(shí)對(duì)水泥土填筑質(zhì)量的控制要求較高。

3.復(fù)合地基灌注樁基礎(chǔ)方案

設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因樁側(cè)海淤土過(guò)軟不能提供足夠的抗力，大直徑灌注樁深基礎(chǔ)方案不可行。如采用水泥土粉噴樁處理的方案，處理后的復(fù)合地基豎向承載力雖有很大提高，但水平承載力的改善非常有限。

基于此，考慮將灌注樁與粉噴樁兩方案結(jié)合起來(lái)，使它們優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。利用粉噴樁造價(jià)低廉的特點(diǎn)，大面積地使用，增加海淤土的整體穩(wěn)定性，從而保障地基能夠有效地對(duì)灌注樁提供水平抗力，使得灌注樁的水平承載能力得到充分發(fā)揮。經(jīng)分析計(jì)算，理論上證明這種方案上可行。要在工程中應(yīng)用，還需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證并取得相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

從技術(shù)上看，方案三既不用增加永久工程運(yùn)行管理的負(fù)擔(dān)，灌注樁和粉噴樁的施工又相對(duì)方便和靈活，大面積使用的粉噴樁還固化了基坑工作面，為施工創(chuàng)造了很好條件。從經(jīng)濟(jì)角度分析，以上3個(gè)方案直接投資大致相當(dāng)，但方案三節(jié)省了臨時(shí)工程量。又因其可以靈活安排，可以縮短工期，增加工作的彈性。因此，最終選定了方案三。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

由于鉆孔灌注樁在淤泥土質(zhì)特別是在復(fù)合地基中的水平承載能力的確定還缺乏可靠的依據(jù)和工程實(shí)例，業(yè)主和設(shè)計(jì)單位聯(lián)合開(kāi)展了“新沭河治理工程三洋港樞紐工程淤土地基灌注樁水平承載特性研究”的課題，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)分為兩組，一組測(cè)試原狀地基灌注樁水平承載力，另一組測(cè)試經(jīng)粉噴樁處理后的復(fù)合地基灌注樁水平承載力。研究結(jié)果表明，三洋港海淤土經(jīng)粉噴樁處理后，灌注樁水平承載能力顯著提高，提高幅度在20%～30%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)樁基試驗(yàn)成果，經(jīng)計(jì)算，將主要灌注樁直徑由1.2m~1.5m優(yōu)化至1.1m~1.2m，僅此一項(xiàng)，就節(jié)省工程投資約300萬(wàn)元。

三洋港樞紐岸、翼墻基礎(chǔ)灌注樁及粉噴樁目前已施工完畢，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程樁靜載試驗(yàn)結(jié)果，岸、翼墻灌注樁基礎(chǔ)水平承載能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

五、施工實(shí)施

三洋港擋潮閘因防滲等需要采用沉井基礎(chǔ)。大型沉井的制作、下沉是一件非常繁雜的事情。首先必須將基坑開(kāi)挖至建基面高程，然后施工單位在沉井上游修建了一條場(chǎng)內(nèi)干道。因地基為海淤土，雖然路基采用了大量拋石，但在大型機(jī)械的碾壓下還是不斷地出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象。

對(duì)比于閘室沉井的施工，岸翼墻的灌注樁和粉噴樁的施工要靈活得多。首先可以不必將基坑開(kāi)挖到建基面高程就可以打樁，使工期安排具有彈性，而且基本不用考慮排水問(wèn)題。樁施工完成后，將上覆土層清除即可進(jìn)行上部岸翼墻的施工。同時(shí)粉噴樁對(duì)海淤土地基產(chǎn)生了固化作用，為上部結(jié)構(gòu)提供了很好的工作面。

六、結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)定分析是三洋港樞紐擋潮閘岸翼墻設(shè)計(jì)的重中之重，墻前、墻后水頭差較大和海淤土軟弱地基是影響穩(wěn)定的重要因素。

三洋港樞紐擋潮閘岸翼墻的設(shè)計(jì)以解決穩(wěn)定問(wèn)題為核心，同時(shí)考慮工程投資、施工難度和管理運(yùn)行等因素，選擇灌注樁與粉噴樁相結(jié)合的地基設(shè)計(jì)方案，較好地解決了設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

在海淤土地基中設(shè)置粉噴樁，能增強(qiáng)地基的整體穩(wěn)定性。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)灌注樁的水平承載力還有一定的提高作用，本工程提高的幅度為20%～30%，此項(xiàng)成果對(duì)今后的類(lèi)似工程有一定的參考意義。

海淤土復(fù)合地基灌注樁方案便于施工。灌注樁和粉噴樁施工工藝成熟，兩種樁都可以先打樁后開(kāi)挖基坑，使施工安排變得非常靈活，工期上有彈性。另外樁基還固化了基坑工作面，創(chuàng)造了較好的施工條件

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