新型樁式擋墻堤防結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測
——瑞安濱江四期防洪堤工程

吳方寧

(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012；2．水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012)

1 工程概況

瑞安濱江四期防洪堤工程位于飛云江北岸錦湖街道轄區(qū)內(nèi)溫福高速鐵路橋至西門紅旗閘，建設(shè)堤長2 200 m，岸線分三段，分別為岙底堤872 m、五里牌堤551 m、小橫山堤777 m，防洪潮標準為20年一遇，屬4級水工建筑物。堤頂高程為5.6 m，防浪墻頂高程6.0 m。

2 結(jié)構(gòu)典型斷面及特點

2.1 結(jié)構(gòu)典型斷面

由于地基土為淤泥質(zhì)粘土，厚度達30 m，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)選型鉆孔灌注樁，直徑80 m，樁長40 m，樁底進入持力層含粘性角礫層2 m，沿堤軸線布置3排樁，樁間距1 m。上部結(jié)構(gòu)部分樁頂為80 cm厚C30鋼筋混凝土底板，底板與灘地面之間為雜石料回填。擋土墻設(shè)在中間排樁上方，外江側(cè)為空箱式，內(nèi)岸側(cè)進行閉氣土方分層壓實填筑，墻外側(cè)隔墩間距4 m(見圖1)。

圖1結(jié)構(gòu)典型斷面示意

2.2 結(jié)構(gòu)特點

工程所采用的樁式擋墻和普通水工建筑物有相似之處，但也有其獨自的特點。

(1)該堤防上部結(jié)構(gòu)部分與扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)類似，隔墩可看做擋墻的扶壁，這樣可有效結(jié)合扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)的受力特點，將擋墻內(nèi)側(cè)水平土壓力傳遞至下部結(jié)構(gòu)體系?？紤]墻頂需要一個觀光平臺，外江側(cè)與觀光平臺形成一個空箱式結(jié)構(gòu)。

(2)擋墻內(nèi)側(cè)底板段可作為擋墻的趾腳，與下部灌注樁連接，形成一個減載平臺，與擋墻組合為一個懸臂式翼墻結(jié)構(gòu)，具有懸臂式翼墻的基本特點。

(3)擋墻外江側(cè)河底高程較低，地基土力學性質(zhì)很差，受內(nèi)岸側(cè)土方回填加載的影響，大大降低了邊坡的安全穩(wěn)定性；擋墻結(jié)構(gòu)下部分鉆孔灌注樁成為抗滑樁，抵抗滑動力。

3 監(jiān)測項目布置及其目的

針對防洪堤擋墻結(jié)構(gòu)的自身特點，依托傳統(tǒng)安全監(jiān)測的手段進行監(jiān)測項目的布置，在每個典型斷面布置了以下觀測項目：

3.1 結(jié)構(gòu)變形觀測

結(jié)構(gòu)主要特點為擋墻結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)變形觀測是主要監(jiān)測項目之一。在觀光平臺兩側(cè)布置2處綜合觀測點，用于觀測結(jié)構(gòu)的水平位移以及結(jié)構(gòu)的沉降；監(jiān)測防洪堤結(jié)構(gòu)沉降和水平位移情況，了解堤身在施工期及運行期是否穩(wěn)定和安全，掌握變形規(guī)律，研究有無滑坡、滑動、傾覆等趨勢。

3.2 地面沉降

在閉氣土方回填位置布置2個沉降監(jiān)測測點，用于觀測擋墻內(nèi)側(cè)地基及回填土石方的沉降情況。通過觀測可以測得地基表面在各級荷載下的沉降量，然后分析沉降情況，引導(dǎo)施工加載加荷速率，防止加荷過快導(dǎo)致樁式擋墻結(jié)構(gòu)變形過大；也可有助于后期準確估算施工期沉降量和工后填土預(yù)留沉降量。

3.3 基樁深層水平位移

為監(jiān)測邊坡的圓弧滑動趨勢，監(jiān)測樁基的變形就極其重要。在最外排基樁內(nèi)側(cè)布置測斜管觀測孔，在灌注樁澆筑時將測斜管綁至鋼筋籠上埋設(shè)，埋設(shè)管底至基樁樁底1 m高位置，用于觀測基樁在施工及運行期的變形情況。通過分析基樁的變形情況，可以把握樁身所受水平力情況及樁基周圍地基土的變形趨勢，可分析邊坡的滑動安全穩(wěn)定性。

3.4 樁身軸力觀測

通過對最外排基樁混凝土內(nèi)埋設(shè)應(yīng)變計，監(jiān)測基樁混凝土應(yīng)力變化。通過混凝土應(yīng)力的觀測，判斷基樁拉應(yīng)力區(qū)的存在位置，了解基樁的受力變形情況，推算地基土的滑動趨勢，反演推算設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計計算結(jié)果。

3.5 孔隙水壓力觀測

在地基范圍設(shè)置3孔，每孔4支共計12支滲壓計，布設(shè)高程-3.0、-8.0、-13.0、-18.0 m。施工期間通過觀測地基不同深度的孔隙水壓力大小，用靜水壓力進行修正即可了解在各級荷載作用下地基土不同深度的超靜孔隙水壓力變化。同時，結(jié)合地表沉降觀測成果可以了解地基土固結(jié)情況?？紫端畨毫Φ挠^測成果也可以用來判斷地基有無塑性開展、加荷速率是否過快，它是控制施工進度、了解固結(jié)效果的手段之一。運行期間可用以觀測岸坡及基礎(chǔ)滲流情況(見圖2)。

4 監(jiān)測過程

4.1 儀器選型及埋設(shè)

(1)應(yīng)變計

應(yīng)變計采用南京葛南實業(yè)有限公司生產(chǎn)的VWS型應(yīng)變計。該類型儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、抗干擾性能強、不易損壞、易實現(xiàn)自動化、測量方便以及可同時測量混凝土溫度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于混凝土樁內(nèi)、混凝土面板堆石壩以及隧洞圍巖內(nèi)，測量其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)；該儀器還兼具測溫功能。主要技術(shù)參數(shù)如下：

應(yīng)變測量范圍：拉伸(10-6)：1 500，壓縮(10-6)：1 500；靈敏度：≤0.5×10-6/F；測量精度：±0.1% F.S；溫度測量范圍：-40～+150 ℃；溫度測量精度：±0.5 ℃；彈性模量：300～800 MPa。

應(yīng)變計采用粘結(jié)埋設(shè)法，即在鉆孔灌注樁鋼筋籠下籠時用電工膠布將傳感器測頭粘結(jié)在相應(yīng)的設(shè)計高程的鋼筋上(見圖3)。

(2)測斜管

測管采用ABS高精度管材，測斜儀采用伺服加速式活動測斜儀(常州金土木工程儀器有限公司生產(chǎn)JTM6400型)，其測桿直徑38 mm，輪距500 mm，總長700 mm；測量范圍±15°，靈敏度≤9″/F，測量精度±0.1% F.S，系統(tǒng)誤差±4.5 mm/25 m，耐水壓≥1 MPa，絕緣電阻≥50 MΩ。

圖2 觀測項目布置示意

圖3應(yīng)變計及測斜管現(xiàn)場埋設(shè)

測斜管采用預(yù)埋法，即鉆孔灌注樁澆筑前預(yù)先在鋼筋籠中固定測斜管。

(3)滲壓計

量程：0.0～0.25 MPa；零飄 ≤2 Hz；重復(fù)性≤±0.4%F.S；使用環(huán)境溫度0～50 ℃；防水壓力120% F.S；非線性 ≤4%F.S。

滲壓計采用鉆孔埋設(shè)法進行埋設(shè)。

(4)綜合觀測點

結(jié)構(gòu)頂部綜合變形觀測點采購帶強制對中基座的國標不銹鋼測點，在上部結(jié)構(gòu)澆筑前預(yù)埋。沉降測量采用EL201型電子水準儀，水平位移測量采用日本賓得R—400型高精度全站儀用極坐標法或前方交會法。

(5)沉降板

擋墻內(nèi)側(cè)岸坡基礎(chǔ)沉降監(jiān)測選擇埋設(shè)沉降板，使用EL201型電子水準儀進行水準測量觀測沉降情況。沉降板在內(nèi)側(cè)土方回填前埋設(shè)。

4.2 監(jiān)測過程

堤防結(jié)構(gòu)施工主要分為3個過程：基樁、上部結(jié)構(gòu)擋墻和擋墻內(nèi)側(cè)土方回填。依據(jù)施工進度埋設(shè)相應(yīng)監(jiān)測儀器，并進行相應(yīng)數(shù)據(jù)采集。

第一階段：基樁完成施工后，應(yīng)變計、測斜管、滲壓計等儀器埋設(shè)完成，因基樁上部并未加載，該階段數(shù)據(jù)采集工作只作為初始數(shù)據(jù)。

第二階段：上部結(jié)構(gòu)澆筑完成后，基樁承受結(jié)構(gòu)自重和擋墻外側(cè)潮位周期性變化產(chǎn)生的水平荷載。該階段對基樁混凝土應(yīng)變計和深層水平位移以及擋墻結(jié)構(gòu)的水平位移和沉降數(shù)據(jù)進行觀測采集，該階段擋墻并未受到內(nèi)側(cè)填土壓力。

第三階段：擋墻內(nèi)側(cè)土方回填期間，該階段土方回填分層進行。同時，所有監(jiān)測項目進行數(shù)據(jù)采集，分析觀測數(shù)據(jù)，判斷擋墻與基樁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，控制土方回填施工加載速率。

5 監(jiān)測結(jié)果

5.1 監(jiān)測結(jié)果

(1)基樁深層水平位移。分析基樁深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，從基樁深度—水平位移—時間關(guān)系曲線來看，自上部結(jié)構(gòu)澆筑完成開始觀測，樁體發(fā)生最大水平位移值為9.11 mm，位移方向為外江側(cè)，位移最大位置位于基樁樁頂，發(fā)生時間為內(nèi)側(cè)土方回填完成時段；該時間段基樁結(jié)構(gòu)主要受內(nèi)側(cè)土方回填加載和機械施工時機械荷載的影響，地基受到上部結(jié)構(gòu)荷載影響，地基土產(chǎn)生變形，基樁受到地基土變形而產(chǎn)生變形。最大變形量符合設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求。

(2)結(jié)構(gòu)水平位移。整個水平位移觀測過程中最大水平位移量為33 mm，發(fā)生在土方回填完成時，后續(xù)完工觀測累計結(jié)構(gòu)水平累計位移最大為28 mm，出現(xiàn)少量回彈。同時，不同潮位引起的結(jié)構(gòu)水平位移不同，土方回填加載之前，-3～2.5 m高程潮位影響結(jié)構(gòu)水平位移幅度為4 mm左右，回填完成后，水平位移幅度為2 mm左右。擋墻結(jié)構(gòu)水平位移累計符合設(shè)計控制要求。

(3)結(jié)構(gòu)沉降。結(jié)構(gòu)沉降最大為5 mm，結(jié)構(gòu)沉降不大，且結(jié)構(gòu)擋墻兩側(cè)沉降差在1 mm以內(nèi)，結(jié)構(gòu)沉降較均勻。樁基沉降符合控制要求。

(4)孔隙水壓力。測點的孔隙水壓力消散較為平穩(wěn)，受潮位的影響較小。加載期間，受分層加載影響，孔隙水壓力波動增長，孔壓系數(shù)在0.5范圍內(nèi)(回填土重度以20 kN/m3計)，孔壓系數(shù)符合控制指標要求，表明施工期間加載速率控制基本得當。目前各測點的超靜孔隙水壓力消散較慢，各測點孔隙水壓力歷時曲線無明顯突變，測點孔壓受潮位影響較小，表明基礎(chǔ)抗?jié)B性較好。

5.2 監(jiān)測經(jīng)驗

(1)這種新型樁式擋墻結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測過程中，土方回填施工期間的觀測是最為重要的階段，該階段的觀測結(jié)果關(guān)系到施工加載快慢進程控制，一些觀測數(shù)據(jù)極值于該階段發(fā)生。

(2)土方回填側(cè)的加載對結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性影響較最大，同時外江側(cè)的潮位周期性變化對結(jié)構(gòu)監(jiān)測的結(jié)果也產(chǎn)生較大影響；因此，分析觀測結(jié)果時，需要考慮外江側(cè)潮位影響，使得分析結(jié)果更加接近實際。

(3)瑞安濱江四期防洪堤工程采用樁式擋墻結(jié)構(gòu)作為堤防結(jié)構(gòu)，做到了結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計新穎，滿足安全可靠的要求。