耳閘樞紐老船閘兩岸擋墻穩(wěn)定加固處理

劉修水

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

耳閘樞紐是新開河首閘，始建于1919年，位于天津市河北區(qū)八馬路和志誠(chéng)道之間，閘上為海河干流，閘下為新開河，由順直水利委員會(huì)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和施工，在原滾水壩的基礎(chǔ)上建成耳閘樞紐工程，由攔河節(jié)制閘、船閘及之間的分水島組成。主要功能是汛期分洪；平時(shí)擋水、通航[1-2]。

船閘位于攔河節(jié)制閘右側(cè)，1921年建成。上下閘首為漿砌條石結(jié)構(gòu)，船閘孔寬5.2m，閘室長(zhǎng)115m，原設(shè)計(jì)可通航50～100t級(jí)船隊(duì)，用以溝通天津市區(qū)至北塘、漢沽等地的航運(yùn)樞紐。

近百年來(lái)，船閘在歷史上曾對(duì)天津市水陸航運(yùn)起了一定作用。隨著現(xiàn)代交通工具的發(fā)展，船閘已失去了航運(yùn)的功能，現(xiàn)成為海河歷史風(fēng)貌建筑，故人們又稱其為老船閘。

根據(jù)天津市1951～1980年氣象資料，本地區(qū)年平均氣溫12.2℃，最高氣溫39.7℃，最低氣溫-22.9℃。多年平均降雨量559.9mm，60%以上集中在7～8月。多年平均風(fēng)速3.0m/s，最大風(fēng)速28.0m/s，主要風(fēng)向?yàn)楸蔽鳌獤|南向。

根據(jù)地質(zhì)勘察及2003年完成的地質(zhì)勘察成果顯示，在揭露的60m深范圍內(nèi)的地層，其土層依沉積年代、沉積環(huán)境、巖性及工程地質(zhì)特性，可以劃分為2層。第1層為河堤部位地表層，為人工填土。上部為素填土，呈褐黃色，團(tuán)塊狀，由黏土、石灰及砂粒組成，膠結(jié)良好，該層平均底高程為-3.95m；第2層為全新統(tǒng)陸相層。土質(zhì)為粉質(zhì)壤土，褐黃色，潮濕，松散，含砂粒及貝殼碎片，上部含水量較高。該層在ZK9號(hào)孔附近為淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土，灰黑色，接近飽和、軟塑狀，屬高壓縮性土，層底高程-8.79m，平均厚度4.54m。

2 加固緣由

由于工程老化，老船閘兩岸存在明顯的地基沉降和護(hù)砌破損現(xiàn)象，經(jīng)鑒定列為水利病險(xiǎn)工程。

在船閘室抽水施工期間，右岸八馬路一側(cè)距閘室岸邊約5.0m和7.0m位置，大致平行閘室岸邊出現(xiàn)兩條縱向裂縫，裂縫寬度達(dá)20～30mm，長(zhǎng)度約100m。同時(shí)兩岸坡上部直墻段局部又出現(xiàn)了明顯傾斜，左岸辦公區(qū)院落的地面出現(xiàn)了不同程度的塌陷、裂縫，說(shuō)明岸墻的穩(wěn)定存在問(wèn)題。

由于左岸為信息中心辦公室，一旦出現(xiàn)塌岸易造成坍塌，危及職工人身安全和造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失；右岸八馬路一側(cè)，由于海河改造常有重型運(yùn)料車通行，在載重和振動(dòng)的影響下，時(shí)刻威脅著岸墻穩(wěn)定。因此，對(duì)船閘室兩側(cè)岸墻采取有針對(duì)性的加固處理措施是非常必要和迫切的。

3 加固處理措施

3.1 處理方案

船閘兩側(cè)岸墻加固處理措施可歸納為兩個(gè)方案。

3.1.1 方案1[3]

砂漿錨桿+表土置換方案優(yōu)點(diǎn)是錨桿兩端受力明確，加固效果相對(duì)較好；缺點(diǎn)是工程量大，施工技術(shù)要求高，施工設(shè)備和施工程序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，施工時(shí)對(duì)周邊影響干擾大，還需移走右岸的變電箱和切斷八馬路的交通等。

3.1.2 方案2

土釘墻方案加固效果可靠，施工技術(shù)比較簡(jiǎn)單，施工程序單一，施工時(shí)對(duì)周邊的影響和干擾比較小，故推薦方案2。

3.2 土釘鉆孔

土釘鉆孔應(yīng)布滿閘室兩側(cè)整個(gè)岸坡。最頂端的一排鉆孔左岸布置在地表以下0.65m，即高程3.705m的位置；右岸頂端第一排筋布置在墻頂以下0.65m，高程4.665m。下部各排沿護(hù)坡坡面布孔，排距1.5m，由上至下布置6排。土釘行距1.5m，鉆孔孔徑采用φ100mm（護(hù)坡面錨頭部分?jǐn)U孔至150m）。鉆孔方向與坡面呈90°角，直墻段鉆孔方向與水平面夾角為15°。鉆孔深度按照現(xiàn)狀裂縫的滑孤計(jì)算，錨桿穿過(guò)滑弧面2m。

3.3 土釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 滑裂面確定

滑裂面通常有直線滑裂面、雙直線滑裂面及圓弧滑裂面等，對(duì)船閘的邊坡而言，邊坡外的土體長(zhǎng)期浸泡在水下，地下水位以下土體呈飽和狀態(tài)，在閘室抽干水時(shí)，閘室兩側(cè)路面已出現(xiàn)縱向裂縫。飽和土體的邊坡失穩(wěn)多為圓弧滑動(dòng)，故本設(shè)計(jì)將滑裂面確定為圓弧面也是安全的。該圓弧經(jīng)由邊坡坡腳及裂縫位置，滑弧圓心通過(guò)《土壩設(shè)計(jì)》中“尋找最危險(xiǎn)滑裂圓弧的方法”求出，滑裂圓弧的圓心位于邊坡坡腳及裂縫位置兩點(diǎn)的垂直平分線上，并通過(guò)“最危險(xiǎn)滑裂圓弧”的控制區(qū)，垂直平分線剛好交在其控制區(qū)的邊界線上，該點(diǎn)即為所求滑裂圓弧的圓心，經(jīng)計(jì)算滑裂圓弧半徑R=100.7m[4]。

3.3.2 水壓力計(jì)算

取斜坡頂水面為自由水面 （高于正常水面），水面高程3.105m，設(shè)計(jì)水深H=4.565m，斜坡長(zhǎng)度L=8.5m，設(shè)計(jì)土釘行距Sx=1.5m。

當(dāng)閘室抽干水時(shí)，每行寬斜坡下的水壓力如式（1）：

式中 H為設(shè)計(jì)水深（m）；γ為水容重（kN/m3）；L為斜坡長(zhǎng)（m）；Sx為土釘行距（m）。

本工程計(jì)算水壓力P為291.02kN，如圖1。

圖1 斜坡面地下水壓力分布

3.3.3 土釘抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值

土釘?shù)目拱瘟橥玲敶┻^(guò)破裂面后土釘長(zhǎng)度的阻滑力，因此需復(fù)核土釘?shù)目拱螛?biāo)準(zhǔn)值。每根土釘抗拔能力標(biāo)準(zhǔn)值如式（2）：

式中 LB為土釘伸入破裂面外約束區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度（m）；τf為土釘與土體間的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），τf查《錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)》[5]；D為鉆孔直徑（m）。

單根土釘抗拔力，土釘穿過(guò)破裂面（7m處產(chǎn)生的破裂面）長(zhǎng)度2m，孔直徑100mm，τf按稍密砂土考慮取160kPa/m2，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 單根土釘抗拔能力計(jì)算

3.3.4 坡面穩(wěn)定計(jì)算

閘室外水壓力對(duì)護(hù)坡呈三角形分布，與閘室內(nèi)水壓力大小相等方向相反，隨水深的增加而增大。土釘抗拔力呈矩型均勻分布，如圖2。

圖2 斜坡面土釘拉拔力分布

表明，只要最低一排土釘抗拔力能滿足要求，則以上各排土釘均滿足抗拔要求；只要nTx≥2P即能滿足坡面的穩(wěn)定要求。因此每行寬土釘抗拔力的合力為行寬水壓力的2倍。

土釘穿過(guò)滑裂面的長(zhǎng)度一般為2～5m，進(jìn)入穩(wěn)定土體的長(zhǎng)度由下至上可適當(dāng)減短，此時(shí)土釘抗拔力呈梯型分布，仍能滿足坡面穩(wěn)定要求。

3.3.5 錨頭穩(wěn)定復(fù)核

土釘錨固在斜坡面板上的部分為錨頭，如外水壓力直接作用在0.6m厚的斜坡面板時(shí)，應(yīng)復(fù)核錨頭的穩(wěn)定。

3.3.5.1 單根土釘錨頭拉力

錨頭長(zhǎng)0.6m，孔徑150mm，因護(hù)坡表面為磚護(hù)砌及三合土墊層，故按密實(shí)砂土考慮，τf取270kPa/m2，計(jì)算結(jié)果如表1。

3.3.5.2 斜坡自重

每根土釘控制土體積的重力沿土釘方向的分力如式（3）：

式中 θ為船閘斜坡面傾角 （°）；γ為土的容重（kN/m3）；Sy為土釘沿坡面的排距（m）；其余符號(hào)同前。

土釘拉力與護(hù)坡重力分力之合大于或等于水壓力的2倍即滿足穩(wěn)定要求。

船閘兩岸的縱向裂縫是在閘內(nèi)抽干水的情況下，岸坡已處于極限平衡狀態(tài)。土釘?shù)腻^固力大于現(xiàn)狀的外水壓力，岸坡就不會(huì)失穩(wěn)。按此原則計(jì)算，閘室現(xiàn)狀水位為4.565m。因此需復(fù)核土釘?shù)睦Α?/p>

每根土釘抗拔力標(biāo)準(zhǔn)值Tx計(jì)算如式（4）。

式中 LB為土釘伸入破裂面外約束區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度（m）；τf為土釘與土體間的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），τf查《錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)》；D為鉆孔直徑（m）。

3.4 土釘加固施工技術(shù)要求

采用土釘墻技術(shù)加固閘室兩側(cè)岸墻時(shí)要求：

（1）土釘鉆孔的軸向偏差應(yīng)不大于10cm。

（2）為了增加土釘鋼筋與土體之間的摩擦力使之形成一體，鉆孔內(nèi)尤其是錨固端所用的水泥砂漿應(yīng)按要求添加膨脹劑。

（3）為了防止地下水對(duì)岸墻的作用，加固處理前必需做好施工排水。

（4）為了盡量減少施工對(duì)原有結(jié)構(gòu)的破壞，左右側(cè)岸墻不拆除，臨時(shí)工程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)岸墻的保護(hù)，鉆孔過(guò)程中破壞的表面部分應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，特別是對(duì)長(zhǎng)期露出水面的部分。

（5）閘室兩側(cè)的岸墻斜坡段的護(hù)砌為砌磚和灰土，直墻段為條石，施工時(shí)嚴(yán)禁用重錘敲擊，鉆孔時(shí)建議采用回轉(zhuǎn)鉆，以減少對(duì)原有結(jié)構(gòu)的振動(dòng)和破壞。

（6）若采用排水井降水，在土釘鉆孔時(shí)找好方位，確保鉆孔不要鉆進(jìn)排水井。

（7）在土釘施工前應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行必要的鉆探和試驗(yàn)，測(cè)定土層的各種物理指標(biāo)。

（8）土釘施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定施工程序和測(cè)定抗拉拔力。

3.5 施工排水

本工程施工排水包括閘室排水和降低兩岸地下水位。

對(duì)閘室排水，應(yīng)在閘室兩岸的地下水位降低至-2m以下，且趨于穩(wěn)定后再進(jìn)行，其主要目的是盡量減少地下水對(duì)岸坡的壓力。

閘室內(nèi)的排水要求水位降落的不能太快。因現(xiàn)狀兩側(cè)岸墻已處于極限平衡狀態(tài)，如果水位驟降，將會(huì)引起岸坡的突然失穩(wěn)?？刂泼繒円顾唤捣怀^(guò)0.3m。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）土釘穿過(guò)圓弧滑裂面2m，采用土釘墻加固方案，經(jīng)計(jì)算滿足要求。

（2）船閘的外水壓力計(jì)算取用的水位以斜坡面的頂高程為準(zhǔn)。不穩(wěn)定因素是外水壓力造成的，計(jì)算水位應(yīng)該是閘室經(jīng)常出現(xiàn)的穩(wěn)定最高水位，短期高水位不會(huì)改變船閘的外水壓力。因出現(xiàn)的水位都在斜坡頂以下，故認(rèn)為取用的計(jì)算水位是安全的，也是可靠的。

（3）船閘在正常狀態(tài)下，閘室兩岸內(nèi)外水壓平衡，其大小相等、方向相反，故易得出外水壓力；錨固力必須大于或等于外水壓力，計(jì)算理論清晰。