閘站工程中泵室底板防護(hù)措施探討

盧林 支銘偉

近年來，我國對于閘站的新建或重建工程十分重視，主要是由于很多閘站因年久失修失去了其抗旱防洪、水生態(tài)保護(hù)及水量調(diào)蓄的重要作用，影響了當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展。在新建或重建中，底板防護(hù)是此類工程的重要環(huán)節(jié)。本文以江蘇省靖江市新小橋港閘站工程為例，通過闡述其工程的水文地質(zhì)情況，分析其存在的問題及泵室底板防護(hù)的措施。

一、工程概述

新小橋港地處江蘇省靖江市，南起長江、北至橫港，通過橫港和通南地區(qū)主要引排河道鹽靖河相通，閘站工程位于新小橋港入江口。工程采用閘站結(jié)合方式，由節(jié)制閘和泵站組成。節(jié)制閘為單孔，閘孔凈寬5.0m，潛孔式；泵站3孔，單孔凈寬4.0m，堤身式；設(shè)計流量為20m3/s（雙向），配1400ZLB-125開敞式軸流泵3臺套。閘門均采用直升式平面鋼閘門，配卷揚式啟閉機(jī)。閘站工程圖見圖1所示。

新小橋港閘站的建設(shè)能夠充分發(fā)揮橫港的調(diào)度作用，與下六圩等其他通江河道及口門控制工程聯(lián)合運行，增加鹽靖河南段區(qū)域外排入江能力，提高沿江地區(qū)的防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)，同時改善該區(qū)域內(nèi)的水生態(tài)環(huán)境。

圖1 閘站工程效果圖

表1 各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計表

表2 腐蝕性評價表

表3 泵室穩(wěn)定計算成果表

表3 泵室穩(wěn)定計算成果表（接上）

二、工程地質(zhì)

1.地形地貌

場地處于揚子地層?xùn)|北部，地層發(fā)育較齊全，第四系以三角洲相沖積為主，屬長江三角洲流域，勘探揭示深度范圍內(nèi)屬第四紀(jì)全新統(tǒng)。場地區(qū)附近無全新世活動斷裂構(gòu)造，處于相對穩(wěn)定的構(gòu)造斷塊中。

2.地質(zhì)土層情況

根據(jù)工程地質(zhì)報告，自上而下的土層分為①～⑦層，各土層地層名稱、層底標(biāo)高、工程性質(zhì)、地基土允許承載力、物理試驗指標(biāo)平均值和剪切試驗指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

3.水文地質(zhì)情況

該地區(qū)地下水與河水相互補(bǔ)充，岸上地下水主要為淺部孔隙潛水及弱承壓水，淺部孔隙潛水主要賦存于②層土中，弱承壓水賦存于③～⑥層土層中，承壓水對工程影響不大。地下水補(bǔ)給主要為大氣降水和地表徑流，排泄方式主要為自然蒸發(fā)。

在新小橋港取地表水、地下水2組進(jìn)行水質(zhì)分析試驗，根據(jù)測得水中CL-的含量來對鋼筋砼中鋼筋腐蝕性評價。具體腐蝕性評價見表2。

三、泵室底板存在的問題

1.泵站底板設(shè)計

泵站采用開敞式結(jié)構(gòu)，站身垂直水流向長16.0m，順?biāo)鏖L28.0m，底板面高程為-2.80m，底板厚1.0m。

2.泵室穩(wěn)定性計算

站身底板底高程為-3.80m，位于第③層粉土夾粉砂上，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=110KPa，根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》，地基土與建筑物底板之間的凝聚力C0值取0，Φ0摩擦角取21.8°(0.85Φ)，經(jīng)計算基底與地基土的綜合摩擦系數(shù)取0.40。滲透壓力計算采用改進(jìn)阻力系數(shù)法。泵室穩(wěn)定計算結(jié)果見表3。

由表3計算可知，在各工況下，泵室的抗滑安全系數(shù)、不均勻系數(shù)、抗浮安全系數(shù)、抗傾安全系數(shù)均滿足要求，只是泵室地基反力大于地基容許承載力，需進(jìn)行基礎(chǔ)處理。

表4 泵室樁基計算成果匯總表

3.存在問題

受水文地質(zhì)情況的影響泵室底板存在以下的問題：

（1）泵室地基承載力不足，不能滿足泵室穩(wěn)定要求，易因不均勻沉降造成泵室底板損壞。

（2）泵室所在區(qū)域的地下水對鋼筋砼結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有微腐蝕性，可能會影響泵室底板結(jié)構(gòu)耐久性。

（3）選擇什么樣的底板和基礎(chǔ)處理？

（4）底板的防護(hù)措施是什么？

四、底板防護(hù)措施

底板防護(hù)可從二個大的方向進(jìn)行控制，一種是正向防護(hù)，從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，提高泵室底板自身穩(wěn)定性和砼耐久性，最大限度控制裂縫發(fā)生；另一種是反向防護(hù)，從加強(qiáng)各施工環(huán)節(jié)控制入手，確保不因施工方案、材料及工藝等因素造成不必要的裂縫。

1.正向防護(hù)措施

（1）采用樁基礎(chǔ)解決泵室穩(wěn)定性問題

基礎(chǔ)處理采用的是樁基礎(chǔ)，樁型為PHC600AB管樁。樁的根數(shù)由單樁水平承載力和單樁垂直承載力共同確定，樁長根據(jù)所需垂直承載力要求計算確定，樁端應(yīng)進(jìn)入持力層，根據(jù)地基勘探報告，第④、⑥層粉細(xì)砂承載力標(biāo)準(zhǔn)值為15t/m2，可作樁基礎(chǔ)的持力層。

依據(jù)公式（1）、公式（2）、公式（3）和公式（4）分別計算出單樁水平承載力容許承載力、單樁垂直容許承載力、單樁水平反力和單樁垂直反力。具體計算結(jié)果詳見表4。

為及時掌握建設(shè)過程中建筑物的安全穩(wěn)定，從2015年7月15日至2016年8月10日期間，對泵室先后79次進(jìn)行了沉降觀測，累計沉降值最大10mm，累計沉降最小值8mm，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。從測量觀測數(shù)據(jù)也證明樁基礎(chǔ)設(shè)置是合理的，起到了應(yīng)有的防護(hù)目的。

泵室底板垂直水流向長16.0m，順?biāo)鏖L28.0m，底板面高程為-2.80m，底板厚1.0m，中墩厚1.0m，臨土側(cè)邊墩厚1.0m，臨閘室側(cè)邊墩厚1.0m，單孔流道凈寬4.0m，共三孔。底板砼標(biāo)號為C30,配置上下兩層鋼筋網(wǎng)，底層順?biāo)麂摻罹W(wǎng)采用14HRB400@200,垂直水流采用20HRB400@100；面層順?biāo)麂摻罹W(wǎng)采用14HRB400@200,垂直水流采用20HRB400@200+14HRB400@200。底板鋼筋保護(hù)層厚度為50mm，面層鋼筋保護(hù)層厚度為40mm。

泵站結(jié)構(gòu)計算采用河海大學(xué)SGR2.0軟件進(jìn)行有限元分析計算。按《泵站設(shè)計規(guī)范》，沿垂直水流方向，分別截取進(jìn)水側(cè)流道檢修門槽兩側(cè)單位寬度，按平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析。泵站底板采用了管樁進(jìn)行了處理，結(jié)構(gòu)計算模型基礎(chǔ)采用多層地基模型計算，地基彈模采用復(fù)合地基的彈性模量，計算工況按泵站完建期、設(shè)計期、校核期、地震期、檢修期等工況進(jìn)行計算，根據(jù)穩(wěn)定計算的成果，取脫離體進(jìn)行不平衡剪力分配計算，考慮邊荷載影響。

經(jīng)分析計算，得出泵室底板結(jié)構(gòu)控制配筋的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值，見表5。

表5 泵室底板結(jié)構(gòu)彎矩標(biāo)準(zhǔn)值

在求出彎距后，結(jié)合泵室底板配筋，對泵室底板進(jìn)行裂縫開展寬度的驗算。下面以泵室底板底層為例驗算正截面裂縫寬度。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（二類環(huán)境）最大裂縫寬度限值為0.3mm（短期組合）和0.25mm（長期組合）。經(jīng)計算，底板底層和面層的計算最大裂縫寬度分別為0.179和0.131，均未超限值。根據(jù)上述計算數(shù)據(jù)和工程實際情況，證明底板尺寸、砼強(qiáng)度和鋼筋配置是滿足要求的，對底板防護(hù)起到重要作用。

2.反向防護(hù)措施

（1）采用高性能砼及適當(dāng)?shù)奶砑觿┨岣叩装屙拍途眯?/p>

高性能砼具有高抗CL-滲透性,能從根本上提高了砼耐久性。CL-對構(gòu)件的腐蝕速度受砼的抗?jié)B性能影響,砼的抗?jié)B性能又主要取決于砼的密實性,而對砼的密實性起控制作用的是水灰比和水泥用量,其中水灰比起主要作用。

缺鉬發(fā)生原因：強(qiáng)酸性紅壤柑橘園，鉬被土壤固定，有效鉬含量低。其次，土壤中磷不足時，鉬的吸收率降低，硫酸鹽肥料施用過多，鉬的吸收被抑制，容易發(fā)生缺鉬。

拌制的砼中50%以上的水都不參與與水泥的反應(yīng),將以游離狀態(tài)存在。它們揮發(fā)后在砼中留下空隙,這對砼的各種性能都是不利的。在砼中摻加適宜的高效減水劑后，不僅大幅度減少了用水量，降低了水泥用量，還能改善砼和易性，提高砼流動性能和密實性。

表6 正截面裂縫寬度控制驗算（底板底層）

表7 C30粉煤灰、減水劑雙摻砼設(shè)計配合比及砼抗壓強(qiáng)度檢驗結(jié)果

近年來大量研究及工程應(yīng)用表明,粉煤灰中的C-SH凝膠能堵塞滲透通道,增強(qiáng)了砼的密實度,且會吸附氯化物于其中，提高了砼的抗氯離子滲透能力。

綜合以上因素，初步確定采用粉煤灰、減水劑雙摻砼的防腐抗?jié)B方案。首先從原材料上進(jìn)行選擇，水泥采用水化熱比較低的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用F類Ⅰ級粉煤灰，粗骨料選用5～16mm、16～31.5mm兩級配碎石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.3～3.0江砂，外加劑選用FDN-C高效減水劑，水選用自來水。同時骨料中氯離子含量應(yīng)小于0.03%，所有摻合料和外加劑中氯離子含量不大于水泥質(zhì)量的0.02%。砼設(shè)計強(qiáng)度C30，泵送砼坍落度選用120～160mm。經(jīng)過配合比設(shè)計和試驗室試配驗證，最終確認(rèn)采用編號2的配合比方案具體數(shù)據(jù)見表7。

新小橋閘站泵室部分砼共完成18組抗壓試塊檢測，樣本均值36.79Mpa，最小值35.4Mpa，按Mfcu（36.79）≥fcu,k(30.0)+λ1(1.10)* Sfcu和fcu,min（35.4）≥λ2(0.90)*fcu,k(30.0)式對強(qiáng)度進(jìn)行了評定，結(jié)果合格，證明砼配合比設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對底板防護(hù)起到了作用。

（2）采用定型鋼筋保護(hù)層墊塊提高保護(hù)層厚度控制質(zhì)量

鋼筋具備足夠的保護(hù)層，不僅能使鋼筋與混凝土之間具有足夠的粘結(jié)力，同時還能利用砼材料呈堿性的特性保護(hù)鋼筋免受銹蝕。

往往在制作墊塊時，外形尺寸和厚度不規(guī)范，墊塊砼強(qiáng)度不統(tǒng)一或達(dá)不到設(shè)計強(qiáng)度要求，都使成型后的鋼筋砼質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計要求的最佳受力狀態(tài)。為積極響應(yīng)江蘇省水利廳《水利工程推廣應(yīng)用定型生產(chǎn)鋼筋保護(hù)層混凝土墊塊指導(dǎo)意見》(蘇水科外〔2013〕5號)文件精神，新小橋港閘站工程均采用定型鋼筋保護(hù)層混凝土墊塊，保證了墊塊的尺寸以及自身強(qiáng)度,為鋼筋保護(hù)層厚度的控制奠定了基礎(chǔ)。

泵室底板砼澆筑完成14天后，項目部委托江蘇興水工程質(zhì)量檢測有限公司對泵室底板進(jìn)行保護(hù)層厚度檢測，按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50204-2015及《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》JGJ/T152-2008對泵室底板閘室側(cè)、臨土側(cè)和底板面層各取3個點，共計9根鋼筋，允許偏差均在（+10mm，-7mm）之間，全部合格。證明采用定型鋼筋砼墊層控制保護(hù)層方案是合理有效的，對底板防護(hù)也起到了關(guān)鍵作用。

（3）加強(qiáng)施工各環(huán)節(jié)質(zhì)量措施控制提高砼的抗?jié)B、抗裂和抗侵蝕性能

鋼筋制安環(huán)節(jié)質(zhì)量控制措施：嚴(yán)格按圖紙、規(guī)范操作，保證鋼筋各部分尺寸及精度。選擇符合要求的定型保護(hù)層墊塊，并認(rèn)真、準(zhǔn)確的安放?？紤]到泵室底板1.0厚,為保證面層鋼筋在施工過程中不產(chǎn)生向下的撓度,影響鋼筋保護(hù)層厚度,采用Ф4cmδ3mm@1.5×1.5m的鋼管支撐,局部輔以架立鋼筋以增強(qiáng)鋼管的穩(wěn)定性。

模板制安環(huán)節(jié)質(zhì)量控制措施：模板設(shè)計時進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等演算，演算結(jié)果均滿足施工要求。泵室底板模板采用1200×900鋼模板,由于底板厚度較大,混凝土澆注時對模板產(chǎn)生較大側(cè)壓力,模板內(nèi)側(cè)采用拉條加固,拉條采用組合式對拉止水螺桿；模板外側(cè)用20號槽鋼做圍檁加固,采用Ф48mm鋼管斜撐。

砼施工環(huán)節(jié)質(zhì)量控制措施：按已經(jīng)設(shè)計好的配合比嚴(yán)格控制砼用原材料質(zhì)量，尤其是氯離子含量；加強(qiáng)砼拌制質(zhì)量管控，嚴(yán)格按配比配制砼，確保每盤砼的各項性能指標(biāo)符合要求；嚴(yán)格分層澆筑控制，厚度控制在40/30/30cm，由一邊退向另一邊、薄層澆搗澆筑方法澆筑；加強(qiáng)混凝土振搗，采用插入式振搗棒，按“快插慢拔”方式振搗，振搗要在下層混凝土初凝之前進(jìn)行并插人下層5cm左右,振點間距30cm,距模板距離10cm；混凝土成型后及時養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)方法采用的是覆蓋灑水法養(yǎng)護(hù)，避免由于溫差過大而造成溫度裂縫。

五、結(jié)語

泵室的底板作為泵站建設(shè)的基礎(chǔ)工程，該工程質(zhì)量必須要滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求。在本工程中所采用的底板較厚且面積較大，地基承載力不足，同時地下水對砼中鋼筋又有微腐蝕性。因此，從上述措施中可以看出，要從正向和反向雙向著手，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和完備的施工手段完成對底板的防護(hù)。該工程已在2017年6月順利完成，經(jīng)過了兩年多運行泵室底板狀況良好，未有不均勻沉降和超限裂縫的情況出現(xiàn)。