透水軟基上大跨度閘室結構選型——走馬塘江邊樞紐船閘閘室大跨度結構設計探討

高興和 嚴棟興 呂 犇

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設計研究院有限公司 江蘇蘇州 215128）

1 引言

經(jīng)國家和省發(fā)改委審批實施的走馬塘江邊樞紐工程是走馬塘在長江交匯口處設置的重要控制性建筑物。針對松散粉砂土地基的特殊地質(zhì)條件，本文就其中對投資影響較大的船閘閘室結構，通過多方案綜合比選設計研究，選擇水泥攪拌樁復合地基上的大跨度整體塢式結構，經(jīng)施工實踐檢驗，達到了設計預期的效果。

2 工程概況

工程位于張家港市境內(nèi)的七干河入江口處，由節(jié)制閘、船閘和魚道三部分組成，是水利結合航運的通江控制性樞紐建筑物。其中，船閘與節(jié)制閘分開布置，船閘按通行 1000t標準貨船設計，閘室總長 240m，凈寬 23m，閘室分節(jié)長度15m，共16節(jié)。

閘室基礎坐落在松散粉砂土地基上，厚度6～10m，滲透系數(shù) 1.28×10-3cm/s，中等透水，地基允許承載力85kPa，為透水軟弱地基，需結合結構設計進行相應的地基加固處理。下臥層為中密－密實的砂壤土，承載力較高。

3 結構方案的引入

鑒于閘室總長度較長，且跨度較大，相應工程量較大，閘室結構方式的確定，對工程投資影響較大，為合理選擇閘室結構，體現(xiàn)經(jīng)濟、適用的設計原則，結合透水軟弱地基上的防滲及地基處理設計，有必要進行多方案設計比選。

閘室方案的選擇，需綜合考慮工程地質(zhì)條件、總布置要求、閘室輸水條件、防滲和抗浮安全等因素。由于閘室凈寬較大，高寬比小，常用的鋼筋混凝土單鉸或雙鉸懸臂式結構因底板懸臂及偏心距較大，抗浮難以滿足要求，已不再適用。經(jīng)仔細篩選，適合本工程的有鋼筋混凝土整體塢式（方案1）、空箱扶臂式（方案2）和撐錨直墻式（方案3）等三種結構型式。

4 閘室結構方案設計

3個方案均為鋼筋混凝土結構，閘室斷面均為軸對稱結構。各方案結構布置、基礎處理及防滲排水設計如下：

4.1 復合地基上的整體塢式結構方案（方案1）

（1）結構設計。采用倒“∏”型鋼筋混凝土整體塢式結構，利用大跨度整體底板降低地基應力。由于閘室為全封閉結構，可較好地解決透水地基的防滲安全問題。根據(jù)大體積混凝土精減體量，進一步優(yōu)化大跨度結構受力條件的需要，底板和墩墻均設計為變截面結構，底板總寬28m，厚 1.6～2.8m，墻高 10.3m，墻厚 0.6～2.6m，底板兩端懸挑0.85m抗浮。（見圖1）。

（2）基礎處理。由于采用整體全封閉結構，閘室基底應力減小，滿足軟土地基上的閘室承載及沉降要求。采用水泥攪拌樁形成復合地基，設計面積置換率0.25，樁長7～12m。

（3）大體積混凝土抗裂措施。大跨度整體閘室結構屬大體積混凝土，需采取適當抗裂措施，減少大體積混凝土內(nèi)部溫升，控制內(nèi)外溫差，避免產(chǎn)生溫度裂縫。經(jīng)測算，抗裂措施費增加約105元/m3，投資比選時一并計入。

圖1 復合地基上的鋼筋混凝土整體塢式閘室結構圖

4.2 復合地基上的空箱扶壁式結構方案（方案2）

（1）結構設計。采用分離、透水的空箱擋墻式閘室結構，結構主要尺寸：閘室墻底板寬10.2m，厚 0.8m，墻身厚 0.6m，空箱寬 4.3m，閘室底部結構總寬41.5m（見圖2）。

（2）基礎處理。對于空箱擋墻式閘室結構，因空箱減小并均衡閘室擋墻基底應力，也可采用水泥攪拌樁復合地基，滿足承載力和地基變形要求，設計面積置換率0.33，樁長12～14m。

（3）閘室防滲排水設計。對于粉砂土上的分離式透水閘室結構，因防滲水頭較大，僅靠水平防滲是不夠的，必須采用垂直防滲和水平防滲相結合的方法，才能滿足粉砂土地基的防滲要求。閘室墻底板以及閘室墻前 5m寬度范圍的閘室底部設為水平防滲段，防滲鋪蓋厚 0.5m；中間為透水鋪蓋，厚 0.5m；其下反濾層厚 0.5m。同時，翼墻底板的后齒下設置混凝土地下連續(xù)墻防滲，墻頂高程-3.3m，墻底高程-19.5m，墻厚0.3m（見圖 2）。

圖2 復合地基上的鋼筋混凝土空箱扶壁式閘室結構圖

4.3 鋼筋混凝土地下連續(xù)墻上的撐錨直墻式結構方案（方案3）

（1）結構設計。根據(jù)工程總體布置要求，閘室兩側具備錨拉布置條件，采用鋼筋混凝土地連墻上的撐錨結構，利用底部頂撐和上部錨拉作用構成閘室穩(wěn)定體系，可同時有效解決閘室防滲和閘室地基處理問題（見圖3）。

圖3 鋼筋混凝土地下連續(xù)墻上的撐錨直墻式閘室結構圖

撐錨閘室墻分為上下兩部分，高程 2.0m以下為鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，墻厚 0.8m，高程2.0m處設鋼筋混凝土導梁，錨桿自導梁通過張緊器與兩側鋼筋混凝土錨錠墻上錨桿連接，形成穩(wěn)定的閘室錨拉結構，錨桿長20m，直徑80mm，間距 2.5m，2.0m以上為鋼筋混凝土直墻，墻厚0.6m。閘室底部設四道縱橫分格的鋼筋混凝土頂撐結構，撐梁斷面b×h=（0.8～1）m×1.5m。根據(jù)結構布置需要，閘室結構總寬65.1m，施工開挖總寬度約80m。

（2）防滲排水設計。為滿足施工期閘室降水防滲及撐錨結構承載變形要求，鋼筋混凝土地下連續(xù)墻墻底高程為-25.0m，閘室護底為頂撐框格內(nèi)的鋼筋混凝土鋪蓋，厚 0.4m，透水結構鋪蓋上設冒水孔，鋪蓋下設反濾排水層，總厚0.5m，為減小墻后水壓力，降低錨拉結構內(nèi)力，墻后設降排水系統(tǒng)，收集地下水進入排水井，并通過排水管道排向內(nèi)河。

5 閘室結構方案比選

根據(jù)以上方案設計，3個方案在技術上均可行。為了進一步確定閘室結構推薦方案，應從工程造價、結構和施工技術等幾個方面進行綜合比較，按結構可靠、投資省、施工方便的原則，綜合確定閘室結構方案。

5.1 經(jīng)濟比較

對3個結構方案分別進行工程量統(tǒng)計，對照相應子目編制其單價，并分別列出分項子目造價，匯總后得出各方案造價見表1。

表中造價比較顯示：方案1雖然閘室結構造價較大，但由于閘室為全封閉結構，省去了防滲排水工程費用，且地基應力較小，相對基礎處理費用較低；方案 2、3雖然閘室結構較省，但增加了防滲排水工程費用，且基礎處理費用較高。統(tǒng)計結果表明：整體塢式結構因結構簡單，施工模板及腳手等措施分攤費用相對較少，因而，混凝土綜合單價較低，計入大體積混凝土抗裂措施費用后，總造價仍然最省。

5.2 結構技術比較

經(jīng)以上結構設計，確定了各方案的結構尺寸，且結構設計均滿足規(guī)范要求，故技術上3個方案均可行。但由于結構型式不同，各方案在結構技術上各有優(yōu)缺點，各方案結構優(yōu)勢比較如下：

（1）整體塢式結構。該結構具有整體性好、剛度大、地基應力小以及抗?jié)B性能好等優(yōu)點，在滿足抗浮要求的前提下可有效地解決防滲問題。由于基礎處理采用了攪拌樁分節(jié)梯級加深的處理方法，加上分期填土、回升地下水位、預留沉降和預留二期混凝土后澆帶等措施，彌補了攪拌樁復合地基在沉降變形方面的不足，可較好地滿足地基承載穩(wěn)定和變形要求。

表1 閘室結構造價比選匯總表

（2）空箱扶壁式結構。該結構具有透水、地基應力均衡、結構內(nèi)力較小等優(yōu)點，但地基承載力要求較高，與方案1相比，滿足閘室結構穩(wěn)定需要，閘室擋墻地基應力相對較大，攪拌樁復合地基處理深度較深，且樁距減小，基礎處理工程量相對增大。在防滲排水方面，必須另外增加防滲排水工程措施，解決工程運行及檢修期防滲排水及結構穩(wěn)定問題。

（3）撐錨直墻式結構。鋼筋混凝土地連墻上的撐錨直墻結構可同時有效解決松散粉砂土閘室防滲和地基處理問題，但閘室底部的頂撐和上部導墻結合錨桿的錨拉作用，使得施工期和運行期結構受力復雜多變，結構技術要求相對較高。

5.3 施工技術比較

就3個方案結構而言，方案1、2在施工方法上均為常規(guī)施工，無特殊施工技術要求，施工實施簡單易行；方案3由于頂撐、錨拉作用必須按設計程序分先后完成，其鋼筋方案地連墻和錨定墻施工、錨桿張拉、灰土及素土回填等工序，施工精度要求高，土方開挖也必須按相應程序進行，不但施工期結構受力復雜多變，而且施工技術要求也相對較高。

3個方案的工程施工進度和難度因工序和內(nèi)容繁簡不同而不同。方案1基礎處理完成，基坑開挖并封底后，即可進行底板和閘室墻施工，施工內(nèi)容最少，工程施工難度最小。方案2次之，方案 3除了地連墻基礎處理和閘墻頂撐結構施工外，還有兩側錨定墻、錨桿張拉、灰土回填、排水系統(tǒng)等工程的施工，其施工內(nèi)容最多，施工難度最大。在施工工期上，整體塢式結構施工工序最少，工期最短，空箱扶壁式方案次之，撐錨直墻方案施工工序最多，工程施工工期最長。

針對粉砂土地質(zhì)特性滿足旱地施工要求，施工期必須進行降排水處理。各方案結構尺度不同，閘塘開挖深度、寬度均不相同，導致降排水措施費用有所區(qū)別。經(jīng)測算，方案1底板寬度最小，閘塘開挖面積小，整體底板澆筑后，便可形成較好的旱地施工條件，降水周期最短，費用較低；方案2開挖寬度增大，降水面積較大，因底板為透水結構，滿足施工期閘室防滲要求，降水周期相對較長，費用較高；方案3因地連墻先期實施，利用其防滲作用，閘室內(nèi)的降水面積減小，但由于閘室外開挖寬度較大，仍需大面積降排水，降水費用比方案1高，比方案2略省。

5.4 比選結論及推薦方案

綜上所述，以上3種閘室結構方案在設計技術上均可行，相比較方案1更安全可靠。在投資方面，結合防滲和地基處理，計入大體積混凝土方案抗裂措施費用和施工期臨時降排水措施費用，方案1的攪拌樁復合地基上的整體閘室結構投資最省。在施工難度和工期方面，方案1難度最小，工期最短。另外，在工程建成、運行后期的維護和管理方面，方案2、方案3需要檢修的工程項目內(nèi)容相對較多。因此，3個方案相比之下，攪拌樁復合地基上的整體閘室結構方案綜合起來具有明顯優(yōu)勢，為推薦采用方案。

6 閘室沉降處理措施

雖然復合地基上的整體結構地基應力較小，但閘首結構由于荷載較大采用灌注樁基礎，閘室與閘首之間地基處理的差別，必然導致兩者之間存在一定的沉降差(不均勻沉降)。因此，解決好閘室與閘首之間的安全銜接問題是整體閘室結構設計成敗的關鍵。

根據(jù)復合地基的特性，面積置換率指標控制復合地基的承載力，處理深度（樁長）決定地基變形量。因此，可適當調(diào)整面積置換率，加深復合地基的處理深度，盡量將樁底落到好土層，使設計成果做到既能滿足復合地基承載力要求，又能將地基變形減小到規(guī)范允許的范圍內(nèi)。經(jīng)研究，通過以下幾個簡易可行的技術措施，有效地解決了閘室沉降帶來的閘首與閘室安全銜接的問題。

（1）分期填土。施工期閘室地基應力最大，放水后，整體閘室在水的浮力作用下，地基應力將減小。實際施工中，土方回填可分期、分批實施，預留土方在放水之后回填，可減小地基應力，達到減小施工期沉降的目的。

（2）回升地下水位。整體閘室墩墻封閉之后，隨著墻后填土的抬高，可撤除墻后降排水措施，讓墻后地下水位慢慢回升抬高，利用地下水的浮托力作用，減小整體閘室基底應力，不但節(jié)省降排水措施費用，而且可減小施工期閘室沉降。

（3）梯級加深基礎。位于過渡段的閘室首末各3節(jié)基礎處理深度呈梯級加深，通過加深第1、2節(jié)基礎處理深度，減少其沉降量的同時，將閘首與第1節(jié)閘室之間的沉降差分攤到3節(jié)閘室墻上，進一步減小沉降差。

（4）預留沉降。施工階段預留適當?shù)某两盗?，使其沉降后的高程更加接近于設計高程。

（5）二期混凝土后澆帶。第 1節(jié)閘室墻與閘首銜接處可預留 2m寬度的后澆帶，以二期混凝土與閘首銜接，讓閘室整體沉降后再與閘首銜接，以避免沉降的閘室結構拉壞止水，確保全封閉閘室結構防滲安全。

（6）加強止水。設置兩道銅片止水以加強止水，放水前，再用JSP遇水自膨脹橡膠條對接縫進行封閉處理，確保結構防滲效果達到設計要求。

7 大跨度、大體積混凝土的抗裂措施及效果

對于鋼筋混凝土大跨度整體閘室結構，因結構厚度和體積較大，屬大體積混凝土，必須采取適當?shù)墓こ檀胧苊猱a(chǎn)生結構有害裂縫。針對工程實際情況，設計通過優(yōu)化結構體積、改善地基約束條件，并采取布管通水冷卻、摻抗裂外加劑以及配置溫度鋼筋（提高架立鋼筋含鋼率）等多個設計措施加以控制。同時結合施工方面的自拌混凝土選用中低熱水泥、控制水灰比、優(yōu)化混凝土配合比、施工溫度控制及監(jiān)測、養(yǎng)護等施工控制措施，有效地實現(xiàn)了大體積混凝土內(nèi)外溫差小于 25℃的設計控制目標。經(jīng)統(tǒng)計測算，實際增加大體積混凝土抗裂措施費用約98元/m3。目前，閘室結構已驗收通水，裂縫常見發(fā)生部位始終未發(fā)現(xiàn)有裂縫發(fā)生。通過設計和施工的多重有效控制，在大跨度、大體積混凝土結構抗裂方面獲得了較好的效果。

8 結語

在松散粉砂土地基上大跨度閘室結構設計中，通過綜合比選，推薦采用的水泥攪拌樁復合地基上的整體塢式結構方案。此方案具有整體性好、剛度大、地基應力小、抗?jié)B性能好、結構簡單、施工方便等優(yōu)點。通過墻后分期回填、回升地下水位、梯級加深復合地基、預留沉降、加強止水和設置后澆帶等一系列簡易可行的措施，加上大體積混凝土抗裂控制措施，不但節(jié)省工程投資，而且有效地解決了大跨度整體閘室結構抗裂、基礎處理、防滲、抗浮、穩(wěn)定和沉降等一系列結構設計問題。該工程已驗收通水，工程實測數(shù)據(jù)顯示閘室之間，特別是閘室與閘首銜接處變形差均小于設計控制值，且閘室大體積混凝土結構始終未有裂縫發(fā)生。經(jīng)施工實踐檢驗，本工程在大跨度閘室結構選型設計、大體積混凝土抗裂、沉降變形等方面的設計研究，達到了設計預期的既經(jīng)濟又確保結構安全的效果。

因設計周期較緊，本工程只是按常規(guī)方法進行設計，未能嘗試進行“非常規(guī)”結構設計研究，如各種條件許可，類似工程可將預應力技術引進大跨度水工結構的設計中，為水下大跨度結構設計嘗試新方法、開拓新思路。