淺析新老楊莊閘地基基礎(chǔ)與防滲處理

孫承祥

楊莊閘位于淮安市西郊活動(dòng)壩，是排泄沂沭泗洪水入海的重要通道，同時(shí)為控制廢黃河入海水量的建筑物，工程始建于1936年9月，在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期遭破壞，1952年修復(fù)。該閘共5孔，單孔凈寬10.0m，閘總寬67.7m，總長(zhǎng)89.4m，設(shè)計(jì)流量500m3/s，閘門為桁架結(jié)構(gòu)鋼閘門，配5臺(tái)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)為1936年英國(guó)GLENFIELD公司生產(chǎn)。楊莊閘雖經(jīng)多次加固改造，但由于年代久遠(yuǎn)，距今已有80多年的歷史，主體工程老化，2009年5月經(jīng)安全鑒定為“四類”水閘，需拆除重建。

一、工程布置

楊莊閘是民國(guó)時(shí)期建設(shè)并僅存的第一大閘，在中國(guó)水利、水工史上具有重要的文物價(jià)值，且已被列入江蘇省淮安市文物保護(hù)名錄，經(jīng)方案比較與論證，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)采用在現(xiàn)有老閘閘室上游新建水閘，老閘閘室保留，取消閘門使老閘成為開敞建筑物，并對(duì)老閘進(jìn)行修舊如舊加固。

由于距楊莊閘上游約200m處兩側(cè)均建有碼頭，為確保施工過程中不影響碼頭使用，又能保證工程施工圍堰布置、圍堰安全和后期工程安全運(yùn)行，新建水閘位于老楊莊閘上游70m處，新閘中心線與老閘中心線一致。新閘設(shè)計(jì)流量200m3/s，校核流量500m3/s。閘孔采用5孔，單孔凈寬8.0m，閘室采用2孔一聯(lián)、3孔一聯(lián)，采用直升式鋼閘門，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。上游連接段采用圓弧翼墻與現(xiàn)狀河坡相接，下游連接段采用12°擴(kuò)散角直線段與原閘室兩側(cè)岸墻銜接，上下游連接段采用空箱扶臂式、扶臂式擋土墻，新閘閘下、老閘閘上布置第一級(jí)消力池，消力池深1.50m，長(zhǎng)35.0m，老閘閘室下游布置第二級(jí)消力池，消力池深1.2m，長(zhǎng)30.0m，老閘上游護(hù)坦拆除后采用鋼筋混凝土護(hù)坦與新建閘下游消力池銜接。其布置如圖1所示。

二、工程地質(zhì)

新建水閘位于老楊莊閘上游70m處，在擬建新閘址部位布置14個(gè)鉆探孔，老閘閘兩側(cè)各布置2個(gè)鉆探孔，在上、下游圍堰處分別布置3個(gè)和5個(gè)鉆探孔，共布設(shè)26個(gè)鉆孔，孔深為10～35m。場(chǎng)地鉆探結(jié)果顯示，自上而下土層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)砂壤土、粘土、粉質(zhì)粘土等。擬建新閘閘室底板底高程6.5m，主要位于②1層重粉質(zhì)砂壤土上，局部位于②1‘層重粉質(zhì)壤土上，②1及②1’層土力學(xué)強(qiáng)度一般，且②1層土抗?jié)B能力差，該兩層土不能作為閘室基礎(chǔ)的天然地基持力層。閘基下部④1層～⑤層以粘土、粉質(zhì)粘土為主，力學(xué)強(qiáng)度一般～中等，工程地質(zhì)條件一般。由于②1層土的抗?jié)B能力弱，需考慮防滲措施。

三、老閘地基基礎(chǔ)處理及防滲體系

1.地基承載力

圖1 工程總體布置圖

楊莊老閘始建于1936年，由前導(dǎo)淮委員會(huì)設(shè)計(jì)，楊莊老閘基礎(chǔ)采用了1662根松木、杉木樁，其中6個(gè)閘墩部位采用360根D38×1800cm松木樁；5孔閘孔部位為330根D38×1800cm松木樁，上游2列為壓樁、后面9列為拉樁；上游護(hù)坦部位為594根D18×800cm杉木樁；下游消力池部位為378根D18×800cm杉木樁，拉樁、壓樁各一半。杉木拉樁頂部一律嵌入混凝土0.4m，而普通杉木樁頂部一律嵌入混凝土0.15m。木樁布置如圖2所示。

2.基礎(chǔ)防滲

閘底板防滲在6個(gè)閘墩兩側(cè)加打兩排2×6排共192m長(zhǎng)松木板樁，把每墩長(zhǎng)樁包圍起來。選用三層5cm（厚）×25cm（寬）×1000cm（長(zhǎng)）松木板拼合式，用兩列直徑1.27 cm螺釘連接，螺釘間距為1.6m，中間釘為火釘，距離為0.5m。打入粘土層高程分別為-3.80m、-4.00m、-4.50m不等。在閘室上下游及上游護(hù)坦、下游消力池末端底部加打4排共270.8m長(zhǎng)松木板樁。其結(jié)構(gòu)見圖3所示。

水閘兩側(cè)設(shè)鋼板樁岸墻，解決側(cè)向繞滲，由上游至下游并折彎入斜坡土內(nèi)，共選用進(jìn)口“拉森式”鋼板樁100m長(zhǎng)，入土平均深度至高程-1.10m。該鋼板樁在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)中遭破壞，上部露出底板部分被切割缺失，1952年修復(fù)時(shí)，兩側(cè)改為空箱式岸墻，上下游采用1∶1.35～1∶5灌砌塊石護(hù)坡相銜接，但上下游原鋼板樁仍可見。

3.木樁試驗(yàn)

2012年10月開展了楊莊閘保護(hù)性加固研究，對(duì)消力池部位木樁基礎(chǔ)進(jìn)行了開挖試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木樁與混凝土結(jié)合緊密、木樁表面涂有桐油保護(hù)層，擦盡桐油后發(fā)現(xiàn)木樁表層鮮黃、光亮，樁頭紋理清晰、質(zhì)感好。通過取樣試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)等研究，發(fā)現(xiàn)木樁在水下保存完好。通過研究分析，在不考慮木樁作用時(shí)，各工況閘室地基承載力能滿足要求，各況地基反力不均勻系數(shù)皆能滿足要求，除地震期外，閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均不能滿足規(guī)范要求；若考慮木樁承擔(dān)部分作用，木樁垂直、水平承載力滿足規(guī)范要求。通過試驗(yàn)以及水閘運(yùn)行現(xiàn)狀，可以證明木樁充分發(fā)揮了其承載、抗滑穩(wěn)定及防滲作用。

四、新閘地基及防滲處理

由于新建閘室、上游第一、二節(jié)翼墻、下游第一、二、三節(jié)翼墻底板分別位于③1層淤泥質(zhì)粘土上和①2層粘土上，抗滑和地基承載力均不能滿足規(guī)范要求，初步設(shè)計(jì)閘室采用φ60cm的水泥土攪拌樁，間距1.0m，攪拌樁樁長(zhǎng)為15.0m，樁底高程-8.50m，上、下游翼墻亦采用φ60cm的水泥土攪拌樁，間距0.90m，攪拌樁樁長(zhǎng)為15.0m。為滿足防滲布置要求，閘室基底上下游均布置垂直防滲板樁（底下連續(xù)墻），樁底高程為-4.50m，進(jìn)入④2粉質(zhì)粘土層，閘室上游防滲鋪蓋長(zhǎng)20m，閘室長(zhǎng)度15.0m，下游不透水消力池長(zhǎng)度25m，滿足要求。

工程在實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)閘室左側(cè)及下游左側(cè)翼墻底板處淤泥較深、夾雜大量的塊石，超過設(shè)計(jì)開挖深度3.0m左右，為歷史上河床沖刷拋石所致。經(jīng)專家論證，對(duì)閘室、翼墻的地基處理方案進(jìn)行變更：①對(duì)新建閘底板下拋石進(jìn)行清除，采用進(jìn)占法回填砂土擠淤后，再對(duì)地基進(jìn)行水泥土攪拌樁處理；②閘身及上、下游翼墻下的混凝土地下連續(xù)防滲墻改為雙排套打φ60cm水泥攪拌樁防滲墻；③由于閘身左岸老河槽部位回填土無法壓實(shí)，為控制建筑物沉降，采用φ60cm水泥土攪拌樁加密處理；④閘身右岸水泥土攪拌樁處理后，回填12%水泥土；⑤下游左側(cè)第一、二節(jié)翼墻地基處理水泥土攪拌樁由密打改為套打；⑥局部攪拌樁難以實(shí)施部位采用高壓旋噴樁施工；⑦上游左右岸第一、二節(jié)翼墻水泥土攪拌樁處理后，回填12%水泥土。

圖3 防滲板樁結(jié)構(gòu)圖

五、工程實(shí)施效果

楊莊老閘工程運(yùn)行70多年來，歷史上上游水位14.75m（1954年8月17日），下游最高水位13.78m（1957年8月18日），最高最大行洪流量750m3/s（1958年8月13日），未發(fā)現(xiàn)較大沉降及不均勻沉降，工程運(yùn)行正常。

新建楊莊閘工程于2015年9月開工，2016年6月通過水下階段驗(yàn)收，順利通水。經(jīng)過對(duì)該工程沉降觀測(cè)，建筑物最大沉降量為15mm，發(fā)生在3#閘室左側(cè)墩墻下游處；相鄰最大不均勻沉降8mm，發(fā)生在右側(cè)閘室墩墻與下游第一節(jié)翼墻之間；建筑物最大沉降量和間隔沉降量均滿足規(guī)范要求，這說明楊莊閘除險(xiǎn)加固工程地基處理措施是可行的，沒有因?yàn)樯羁犹幚聿划?dāng)造成不均勻沉降。工程已安全運(yùn)行1年多，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

六、建議

由于楊莊閘所在的河流為廢黃河，廢黃河是1194年黃河侵泗奪淮，1855年又北徙留下的故道。根據(jù)1951年12月的鉆探報(bào)告，表層土層承載力及防滲能力較差。歷史資料顯示楊莊閘上游右岸淤積形成灘面挑流，致使流向不正，左岸沖刷，1965年進(jìn)行切灘工程。1967年因下游河道沖刷嚴(yán)重，曾在下游打壩抽水處理，翻修護(hù)坦并用粘土填平?jīng)_塘，西岸護(hù)坡底腳換填粘土后翻砌石坡。因此，楊莊閘所處廢黃河地址基礎(chǔ)條件相對(duì)較差，工程地質(zhì)勘查前應(yīng)對(duì)歷史情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查了解，在滿足《水利水電地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）、《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（SL55-2005）的前提下應(yīng)適當(dāng)增加探點(diǎn)，摸清地質(zhì)狀況，以減少施工過程設(shè)計(jì)變更