透水軟基上大跨度閘室結(jié)構(gòu)選型——走馬塘江邊樞紐船閘閘室大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

高興和 嚴(yán)棟興 呂 犇

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128）

0 引言

走馬塘江邊樞紐工程是走馬塘在長(zhǎng)江交匯口處設(shè)置的重要控制性建筑物。針對(duì)松散粉砂土地基的特殊地質(zhì)條件，本文就其中對(duì)投資影響較大的船閘閘室結(jié)構(gòu)，通過(guò)多方案綜合比選設(shè)計(jì)研究，選擇水泥攪拌樁復(fù)合地基上的大跨度整體塢式結(jié)構(gòu)，經(jīng)施工實(shí)踐檢驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。

1 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(yú)道三部分組成，是水利結(jié)合航運(yùn)的通江控制性樞紐建筑物。船閘與節(jié)制閘分開(kāi)布置，船閘按通行1000 t標(biāo)準(zhǔn)貨船設(shè)計(jì)，閘室總長(zhǎng)240 m，凈寬23 m，閘室分節(jié)長(zhǎng)度15 m，共16節(jié)。

閘室基礎(chǔ)坐落在松散粉砂土地基上，厚度6～10 m，滲透系數(shù)1.28×10-3cm/s，中等透水，地基允許承載力85 kPa，為透水軟弱地基，需結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的地基加固處理。下臥層為中密～密實(shí)的砂壤土，承載力較高。

2 結(jié)構(gòu)方案

鑒于閘室總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且跨度較大，相應(yīng)工程量較大，閘室結(jié)構(gòu)方式的確定對(duì)工程投資存在較大影響。為合理選擇閘室結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、適用的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合透水軟弱地基上的防滲及地基處理設(shè)計(jì)，有必要進(jìn)行多方案設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)因底板懸臂及偏心距較大，且抗浮難以滿足要求，不適用。經(jīng)仔細(xì)篩選，適合本工程的有：鋼筋混凝土整體塢式（方案一）、空箱扶臂式（方案二）和撐錨直墻式（方案三）等三種結(jié)構(gòu)型式。

3 閘室結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

適合本工程的三種方案均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，閘室斷面均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。各方案結(jié)構(gòu)布置、基礎(chǔ)處理及防滲排水設(shè)計(jì)如下：

3.1 復(fù)合地基上的整體塢式結(jié)構(gòu)方案

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用倒“∏”型鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，利用大跨度整體底板降低地基應(yīng)力；由于閘室為全封閉結(jié)構(gòu)，可較好地解決透水地基的防滲安全問(wèn)題；根據(jù)大體積混凝土精減體量、進(jìn)一步優(yōu)化大跨度結(jié)構(gòu)受力條件的需要，底板和墩墻均設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)，底板總寬28 m，厚 1.6～2.8 m，墻高 10.3 m，墻厚0.6～2.6 m；底板兩端懸挑0.85 m抗浮。見(jiàn)圖1。

圖1 復(fù)合地基上的鋼筋混凝土整體塢式閘室結(jié)構(gòu)圖

（2）基礎(chǔ)處理：由于采用整體全封閉結(jié)構(gòu)，閘室基底應(yīng)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(fù)合地基，設(shè)計(jì)面積置換率0.25，樁長(zhǎng)7～12 m。

（3）大體積混凝土抗裂措施：大跨度整體閘室結(jié)構(gòu)屬大體積混凝土，需采取適當(dāng)抗裂措施，以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(cè)算，抗裂措施增加費(fèi)用約105元/m3，投資比選時(shí)需一并計(jì)入。

3.2 復(fù)合地基上的空箱扶壁式結(jié)構(gòu)方案

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用分離、透水的空箱擋墻式閘室結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主要尺寸：閘室墻底板寬10.2 m，厚0.8 m，墻身厚0.6 m；空箱寬4.3 m，閘室底部結(jié)構(gòu)總寬41.5 m。見(jiàn)圖2。

（2）基礎(chǔ)處理：對(duì)于空箱擋墻式閘室結(jié)構(gòu)，因空箱減小并均衡閘室擋墻基底應(yīng)力，也可采用水泥攪拌樁復(fù)合地基，滿足承載力和地基變形要求，設(shè)計(jì)面積置換率0.33，樁長(zhǎng)12～14 m。

（3）閘室防滲排水設(shè)計(jì)：對(duì)于粉砂土上的分離式透水閘室結(jié)構(gòu)，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(jié)合的方法，才能滿足粉砂土地基的防滲要求。將閘室墻底板以及閘室墻前5 m寬度范圍的閘室底部設(shè)為水平防滲段，防滲鋪蓋厚0.5 m，中間為透水鋪蓋，厚0.5 m，其下反濾層厚0.5 m；同時(shí)，在翼墻底板的后齒下設(shè)置混凝土地下連續(xù)墻防滲，墻頂高程-3.3 m，墻底高程-19.5 m，墻厚0.3 m。

3.3 鋼筋混凝土地下連續(xù)墻上的撐錨直墻式結(jié)構(gòu)方案

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)工程總體布置要求，閘室兩側(cè)具備錨拉布置條件。采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻上的撐錨結(jié)構(gòu)，利用底部頂撐和上部錨拉作用構(gòu)成閘室穩(wěn)定體系，可同時(shí)有效解決閘室防滲和閘室地基處理問(wèn)題。見(jiàn)圖3。

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

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

4 閘室結(jié)構(gòu)方案比選

上述三種方案在技術(shù)上均可行。為了進(jìn)一步確定閘室結(jié)構(gòu)方案，應(yīng)從工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合比較，按結(jié)構(gòu)可靠、投資省、施工方便的原則，綜合確定閘室結(jié)構(gòu)方案。

4.1 經(jīng)濟(jì)比較

對(duì)三種結(jié)構(gòu)方案分別進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，對(duì)照相應(yīng)子目編制其單價(jià)，并分別列出分項(xiàng)子目造價(jià)，匯總后得出各方案造價(jià)，見(jiàn)表1。

圖2 復(fù)合地基上的鋼筋混凝土空箱扶壁式閘室結(jié)構(gòu)圖

圖3 鋼筋混凝土地下連續(xù)墻上的撐錨直墻式閘室結(jié)構(gòu)圖

表1 閘室結(jié)構(gòu)造價(jià)比選匯總表

表中造價(jià)比較顯示，方案一雖然閘室結(jié)構(gòu)造價(jià)較大，但由于閘室為全封閉結(jié)構(gòu)，省去了防滲排水工程費(fèi)用，且地基應(yīng)力較小，相對(duì)基礎(chǔ)處理費(fèi)用較低；方案二、三雖然閘室結(jié)構(gòu)較省，但增加了防滲排水工程費(fèi)用，且基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：整體塢式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工模板及腳手等措施分?jǐn)傎M(fèi)用相對(duì)較少，因而，混凝土綜合單價(jià)較低，計(jì)入大體積混凝土抗裂措施費(fèi)用后，總造價(jià)仍然最省。

4.2 結(jié)構(gòu)技術(shù)比較

經(jīng)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了各方案的結(jié)構(gòu)尺寸，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均滿足規(guī)范要求，故技術(shù)上三方案均可行。但由于結(jié)構(gòu)型式不同，各方案在結(jié)構(gòu)技術(shù)上各有優(yōu)缺點(diǎn)。各方案結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)比較如下：

（1）整體塢式結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)具有整體性好、剛度大、地基應(yīng)力小以及抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn)，在滿足抗浮要求的前提下可有效地解決防滲問(wèn)題。由于基礎(chǔ)處理采用了攪拌樁分節(jié)梯級(jí)加深的處理方法，加上采取分期填土、回升地下水位、預(yù)留沉降和預(yù)留二期混凝土后澆帶等措施，彌補(bǔ)了攪拌樁復(fù)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。

（2）空箱扶壁式結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)具有透水、地基應(yīng)力均衡、結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小等優(yōu)點(diǎn)，但地基承載力要求較高；與方案一相比，在滿足閘室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需要時(shí)，閘室擋墻地基應(yīng)力相對(duì)較大，攪拌樁復(fù)合地基處理深度較深，且樁距減小，基礎(chǔ)處理工程量相對(duì)增大；在防滲排水方面，必須另外增加防滲排水工程措施，以解決工程運(yùn)行及檢修期防滲排水和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題。

（3）撐錨直墻式結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土地下連續(xù)墻上的撐錨直墻結(jié)構(gòu)可同時(shí)有效解決松散粉砂土閘室防滲和地基處理問(wèn)題，但閘室底部的對(duì)撐和上部導(dǎo)墻結(jié)合錨桿的錨拉作用使得施工期和運(yùn)行期結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜多變，對(duì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求相對(duì)較高。

4.3 施工技術(shù)比較

就三方案結(jié)構(gòu)而言，方案一、二在施工方法上均為常規(guī)施工，無(wú)特殊施工技術(shù)要求，施工實(shí)施簡(jiǎn)單易行；方案三由于頂撐、錨拉作用必須按設(shè)計(jì)程序分先后完成，其鋼筋混凝土地下連續(xù)墻和錨定墻施工、錨桿張拉、灰土及素土回填等工序的施工精度要求高，土方開(kāi)挖也必須按相應(yīng)程序進(jìn)行，因此，不但施工期結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜多變，而且施工技術(shù)要求相對(duì)較高。

三種方案的工程施工進(jìn)度和難度因工序和內(nèi)容繁簡(jiǎn)不同而異。方案一基礎(chǔ)處理完成、基坑開(kāi)挖并封底后，即可進(jìn)行底板和閘室墻施工，施工內(nèi)容最少，工程施工難度最小，方案二次之，方案三除了地下連續(xù)墻基礎(chǔ)處理和閘墻頂撐結(jié)構(gòu)施工外，還有兩側(cè)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)。

針對(duì)粉砂土地質(zhì)特性，且要滿足旱地施工要求，施工期必須進(jìn)行降排水處理。各方案結(jié)構(gòu)尺度不同，閘塘開(kāi)挖深度、寬度均不相同，導(dǎo)致降排水措施費(fèi)用有所區(qū)別。經(jīng)測(cè)算，方案一底板寬度最小，閘塘開(kāi)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(fèi)用較低；方案二開(kāi)挖寬度增大，降水面積較大，因底板為透水結(jié)構(gòu)，為滿足施工期閘室防滲要求，降水周期相對(duì)較長(zhǎng)，費(fèi)用較高；方案三因地下連續(xù)墻先期實(shí)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(kāi)挖寬度較大，仍需大面積降排水，降水費(fèi)用比方案一高、比方案二略省。

4.4 比選結(jié)論及推薦方案

以上三種閘室結(jié)構(gòu)方案在設(shè)計(jì)技術(shù)上均可行，方案一相對(duì)更安全可靠。在投資方面，結(jié)合防滲和地基處理，計(jì)入大體積混凝土抗裂措施費(fèi)用和施工期臨時(shí)降排水措施費(fèi)用，方案一的攪拌樁復(fù)合地基上的整體閘室結(jié)構(gòu)投資最省；在施工難度和工期方面，方案一難度最小，工期最短。另外，在工程建成、運(yùn)行后期的維護(hù)和管理方面，方案二、三需要檢修的工程項(xiàng)目?jī)?nèi)容相對(duì)較多，因此，三種方案相比之下，攪拌樁復(fù)合地基上的整體閘室結(jié)構(gòu)方案綜合起來(lái)具有明顯優(yōu)勢(shì)，為推薦采用方案。

5 閘室沉降處理措施

雖然復(fù)合地基上的整體結(jié)構(gòu)地基應(yīng)力較小，但閘首結(jié)構(gòu)由于荷載較大需采用灌注樁基礎(chǔ)，而閘室與閘首之間地基處理的差別，必然導(dǎo)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(wèn)題是整體閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

根據(jù)復(fù)合地基的特性，面積置換率指標(biāo)控制復(fù)合地基的承載力，處理深度（樁長(zhǎng)）決定地基變形量，因此，可適當(dāng)調(diào)整面積置換率，加深復(fù)合地基的處理深度，盡量將樁底落在好土層上，將設(shè)計(jì)成果做到既能滿足復(fù)合地基承載力要求，又能將地基變形縮小到規(guī)范允許的范圍內(nèi)。經(jīng)研究，通過(guò)采取以下幾個(gè)簡(jiǎn)易可行的技術(shù)措施，可有效地解決閘室沉降帶來(lái)的閘首與閘室安全銜接的問(wèn)題。

（1）分期填土：施工期閘室地基應(yīng)力最大，放水后，整體閘室在水的浮力作用下，地基應(yīng)力將減小，實(shí)際施工中，土方回填可分期、分批實(shí)施，預(yù)留土方在放水之后回填，可減小地基應(yīng)力，達(dá)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(yīng)力，這樣不但節(jié)省降排水措施費(fèi)用，而且可減小施工期閘室沉降。

（3）梯級(jí)加深基礎(chǔ)：位于過(guò)渡段的閘室首末各三節(jié)基礎(chǔ)處理深度呈梯級(jí)加深，通過(guò)加深第一、二節(jié)基礎(chǔ)處理深度，在減少其沉降量的同時(shí)，將閘首與第一節(jié)閘室之間的沉降差分?jǐn)偟饺?jié)閘室墻上，可進(jìn)一步減小沉降差。

（4）預(yù)留沉降：施工階段預(yù)留適當(dāng)?shù)某两盗浚蛊涑两岛蟮母叱谈咏咏谠O(shè)計(jì)高程。

（5）二期混凝土后澆帶：在第一節(jié)閘室墻與閘首銜接處可預(yù)留2 m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(jié)構(gòu)拉壞止水，確保全封閉閘室結(jié)構(gòu)防滲安全。

（6）加強(qiáng)止水：設(shè)置兩道銅片予以加強(qiáng)止水，放水前，再用JSP遇水自膨脹橡膠條對(duì)接縫進(jìn)行封閉處理，確保結(jié)構(gòu)防滲效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 大跨度、大體積混凝土的抗裂措施及效果

針對(duì)工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)體量、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(gè)設(shè)計(jì)措施加以控制。施工中，采取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(cè)、養(yǎng)護(hù)等施工控制措施，有效地實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土內(nèi)外溫差小于25℃的設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)測(cè)算，實(shí)際增加大體積混凝土抗裂措施費(fèi)用約98元/m3。目前，閘室結(jié)構(gòu)已驗(yàn)收通水，裂縫常見(jiàn)發(fā)生部位始終未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。

7 結(jié)語(yǔ)

松散粉砂土地基上大跨度閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)綜合比選，推薦采用水泥攪拌樁復(fù)合地基上的整體塢式結(jié)構(gòu)方案。它具有整體性好、剛度大、地基應(yīng)力小以及抗?jié)B性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)墻后分期回填、回升地下水位、梯級(jí)加深復(fù)合地基、預(yù)留沉降、加強(qiáng)止水和設(shè)置后澆帶等一系列簡(jiǎn)易可行的措施及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(jié)構(gòu)抗裂以及基礎(chǔ)處理、防滲、抗浮、穩(wěn)定和沉降等一系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。本工程已驗(yàn)收通水，工程實(shí)測(cè)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(shè)計(jì)控制值，且閘室大體積混凝土結(jié)構(gòu)始終未有裂縫產(chǎn)生，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的既經(jīng)濟(jì)又確保結(jié)構(gòu)安全的效果。