風(fēng)化深槽對(duì)株洲二線船閘方案的影響及對(duì)策

段元振， 周 燦， 黃圣平

(湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410011)

1 工程概況

株洲二線船閘位于湘江流域中游河段株洲境內(nèi)，布置在湘江右岸株洲航電樞紐一線船閘右側(cè)，是湘江二級(jí)航道二期工程的重要組成部分，關(guān)鍵控制性工程之一。

株洲二線船閘為Ⅱ等單級(jí)船閘，主要建筑物3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇。設(shè)計(jì)年單向通過(guò)能力為2450×104t，閘室有效尺度280m×34m×4.5m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)，采用閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)。

株洲二線船閘閘址河床地質(zhì)以白堊系紅色礫巖為主，成分復(fù)雜，含灰?guī)r、砂巖、板巖等，灰?guī)r礫石占40%以上，膠結(jié)物多為鐵質(zhì)、鈣質(zhì)。在地質(zhì)演化過(guò)程中，受巖性和地質(zhì)構(gòu)造的內(nèi)因、地下水活動(dòng)的外因、溶蝕和風(fēng)化等共同作用，形成了多個(gè)溶蝕風(fēng)化帶、風(fēng)化槽，槽內(nèi)充填松散的風(fēng)化殘積土，物理力學(xué)性能較差。由于溶蝕風(fēng)化的隨機(jī)性、差異性、突變性等特征，影響了船閘水工建筑物的布置。早在2002年建設(shè)株洲航電樞紐期間，建設(shè)者就閘壩區(qū)域的風(fēng)化深槽地質(zhì)問(wèn)題做了大量的科研和技術(shù)攻關(guān)。包括采用電測(cè)深方法探測(cè)風(fēng)化深槽的分布[1]，提出了全挖全填、部分挖填部分拱梁、巖體灌漿等處置方案[2]，湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院還專門開(kāi)展了紅層溶蝕風(fēng)化土固結(jié)灌漿試驗(yàn)研究[3]。上述科研及工程實(shí)踐，對(duì)現(xiàn)風(fēng)化深槽的技術(shù)處理，仍具有借鑒意義。

2 風(fēng)化深槽地質(zhì)構(gòu)造

勘察場(chǎng)地地處衡陽(yáng)盆地邊緣，株洲盆地南端，位于區(qū)域構(gòu)造長(zhǎng)壽街-雙排斷裂帶之西南側(cè)，場(chǎng)地內(nèi)主要構(gòu)造形跡表現(xiàn)為北北東-北東向的斷層、構(gòu)造盆地等。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為以上升為主的大面積升降運(yùn)動(dòng)，未見(jiàn)活動(dòng)性斷裂帶分布。區(qū)內(nèi)歷史地震烈度均小于6°，屬于相對(duì)穩(wěn)定板塊。

圖1 風(fēng)化深槽地質(zhì)剖面圖

表1 巖石主要地質(zhì)參數(shù)推薦值地層代號(hào)風(fēng)化程度巖性允許承載力/kPa彈性模量/GPa變形模量/GPa砼與巖間抗剪斷強(qiáng)度f(wàn) 'C/MPa永久開(kāi)挖坡比透水率/LuE強(qiáng)風(fēng)化礫巖300～5002.51.30.650.11∶12.0中風(fēng)化礫巖1 5005.02.50.800.31∶0.750.5K22強(qiáng)風(fēng)化礫巖400～7003.01.50.700.11∶12.0中風(fēng)化礫巖1 8006.03.00.900.31∶0.750.5～1.0

3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型主要有第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水。場(chǎng)地地下水以松散層孔隙水為主，接受大氣降水及河水側(cè)向補(bǔ)給，最終排泄于湘江，基巖裂隙水較為貧乏。

粉質(zhì)粘土層滲透系數(shù)為4×10-6～3×10-5cm/s，屬于微透水層；圓礫層滲透系數(shù)為3.4×10-2～9.9×10-2cm/s，屬于強(qiáng)透水層。場(chǎng)地內(nèi)中風(fēng)化較完整巖體透水率一般<1.0 Lu，屬微透水層，較破碎巖體透水率一般<4.50 Lu。全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、全風(fēng)化含礫砂巖、全風(fēng)化礫巖的滲透系數(shù)一般介于1×10-4～5×10-5cm/s，均屬于弱透水層；強(qiáng)風(fēng)化礫巖、強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖的滲透系數(shù)一般介于1×10-4～2×10-5cm/s，屬于弱透水層。

風(fēng)化深槽邊緣部位滲透系數(shù)最大達(dá)到1×10-1cm/s，說(shuō)明風(fēng)化深槽特別是不整合接觸帶滲透性極強(qiáng)，巖性不均勻。在滲流作用下，地基軟化、風(fēng)化巖崩解、強(qiáng)度降低等，容易造成建筑物不均勻沉降和位移；同時(shí)，飽和后的松散土體被滲流攜帶流失形成空洞坍塌，存在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

4 風(fēng)化深槽對(duì)二線船閘方案影響

通過(guò)理論計(jì)算方法定量分析風(fēng)化深槽對(duì)一線船閘的影響程度，評(píng)估危害后果。針對(duì)施工過(guò)程中一線船閘安全問(wèn)題，采用抗剪強(qiáng)度公式和抗傾公式計(jì)算結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性；針對(duì)施工過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題，采用簡(jiǎn)單條分法和摩根斯坦法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。

4.1 影響一線船閘安全

株洲一、二線船閘軸線距離100m，風(fēng)化深槽自一線船閘下閘首穿過(guò)下輔導(dǎo)航墻至二線下游導(dǎo)航墻，影響區(qū)域見(jiàn)圖2。

圖2 風(fēng)化深槽影響區(qū)域

一線船閘最不利工況為圍堰高水位擋水且二線船閘開(kāi)挖至建基面但主體砼尚未澆筑時(shí)。不采取任何措施情況下，一線船閘臨基坑側(cè)閘室墻抗傾覆不滿足要求;采取基坑充水平壓后，經(jīng)計(jì)算一線船閘的迎水側(cè)抗裂、基底應(yīng)力等不受影響，但位于風(fēng)化深槽部位的一線船閘導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不滿足要求。其摩擦系數(shù)0.35，地基承載力約為300kPa，按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算的抗滑移安全系數(shù)0.93～1.0，小于1.05的要求。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 二線船閘基坑開(kāi)挖后一線船閘導(dǎo)航墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算成果表部位抗傾覆安全系數(shù)抗滑移安全系數(shù)備注上游進(jìn)水墻1.402.33巖基,按主動(dòng)土壓力計(jì)算閘室墻Ⅰ2.171.78土基,按主動(dòng)土壓力計(jì)算閘室墻Ⅱ2.732.43巖基,按靜止土壓力計(jì)算下游導(dǎo)航墻Ⅰ1.790.93土基,按主動(dòng)土壓力計(jì)算下游導(dǎo)航墻Ⅱ1.791.0土基,按靜止土壓力計(jì)算

4.2 影響基坑邊坡穩(wěn)定

二線船閘基坑采用高壓旋噴墻防滲處理后，防滲墻起到降低浸潤(rùn)線的作用，經(jīng)條分法計(jì)算，除風(fēng)化深槽部位的邊坡外，其余部位均滿足穩(wěn)定性要求(見(jiàn)圖3)，風(fēng)化深槽部位的邊坡采用簡(jiǎn)單條分法計(jì)算，K值為0.89(見(jiàn)圖4);采用摩根斯坦法計(jì)算，K值為1.04。如果進(jìn)一步放緩開(kāi)挖邊坡，則需要將圍堰軸線外移，進(jìn)而影響通航和行洪安全，并不可取。

圖3 基坑邊坡條分法圖

圖4 風(fēng)化深槽處旋噴處理后條分法

4.3 影響施工方案和地基處理圖

株洲二線船閘基坑最大開(kāi)挖深度達(dá)30m，地質(zhì)缺陷決定了基坑局部處置方案，開(kāi)挖方式、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、坡面防護(hù)、基坑降排水、安全監(jiān)測(cè)措施等均需要采取專項(xiàng)施工方案。同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)布置、地基處理方式、工程造價(jià)等都會(huì)產(chǎn)生不同程度影響。

5 工程措施

5.1 基礎(chǔ)處理

研究認(rèn)為，一線船閘建設(shè)期間，采用“有蓋重和有側(cè)限”灌漿能有效改善溶蝕風(fēng)化土的物理力學(xué)性能[3]，滿足地基承載力要求，同時(shí)提出了換填、人工挖孔樁等處理方案。在此基礎(chǔ)上，二線船閘建設(shè)充分吸收前期科研成果，運(yùn)用施工工藝較為成熟的鉆孔灌注樁、固結(jié)灌漿等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)化深槽處理方式。

1) 下閘首位于不整合接觸帶附近，基本建筑在中風(fēng)化巖層上。中風(fēng)化巖層的承載力和完整性均滿足地基要求，不整合接觸帶對(duì)下閘首的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性影響很小，為提升地基性能，采用固結(jié)灌漿、對(duì)局部破碎巖基換填C15混凝土等處理措施。

2) 下游導(dǎo)航墻位于風(fēng)化深槽邊緣，基本建筑在中風(fēng)化巖層上。下游導(dǎo)航墻緊鄰下閘首，閘首基底面積較大，達(dá)60m×35m，開(kāi)挖深度也大于導(dǎo)航墻奠基面，有一定側(cè)限作用，能夠提升固結(jié)灌漿效果。因此，導(dǎo)航墻基礎(chǔ)遇風(fēng)化深槽時(shí)采用有蓋重固結(jié)灌漿方案進(jìn)行地基處理。從灌漿各序孔水泥單位注入量來(lái)看，隨著孔序的加密，總體上呈現(xiàn)單位注入量遞減的變化趨勢(shì)，符合正常灌漿遞減規(guī)律；單點(diǎn)壓水試驗(yàn)，實(shí)測(cè)透水率為1.70～2.29Lu，滿足小于5 Lu的要求。

3) 對(duì)于趨近風(fēng)化深槽中心部位，早期有研究表明，無(wú)蓋重和側(cè)限、排水不良的情況下，固結(jié)灌漿作用有限[3]。換填的開(kāi)挖工程量較大且影響一線船閘安全，因此采用聯(lián)排C30砼灌注樁基礎(chǔ)；為減少樁基側(cè)向受壓，按上導(dǎo)下排的原則，樁間間隔15cm空隙作為排水通道，面板留排水孔，樁頂設(shè)橫梁增強(qiáng)剛度和抗側(cè)向力。樁基基本參數(shù)為樁徑1.5m、間距1.6m、排距6.4m、樁長(zhǎng)27m，建筑在強(qiáng)風(fēng)化礫巖上(見(jiàn)圖5)。采用樁基后，輔導(dǎo)航墻及邊坡滿足穩(wěn)定要求[5]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

5.2 基坑邊坡處理

1) 利用雙排旋噴墻增加滲透穩(wěn)定性。

一、二線船閘軸線間距較小，下游引航道地質(zhì)條件復(fù)雜多變，為減少滲透破壞，在下游主導(dǎo)航墻采用雙排旋噴樁防滲墻防滲。防滲墻布置宜盡量靠近迎水側(cè)，增強(qiáng)土體穩(wěn)定性，并避開(kāi)一線船閘墻后排水管。

2) 采用支護(hù)樁加強(qiáng)基坑圍護(hù)。

圖5 風(fēng)化深槽基礎(chǔ)處理

表3 下游排樁式輔導(dǎo)航墻計(jì)算結(jié)果計(jì)算內(nèi)容樁彎矩設(shè)計(jì)值/(kN·m)樁剪力設(shè)計(jì)值/kN整體穩(wěn)定安全系數(shù)抗傾覆安全系數(shù)抗隆起安全系數(shù)抗管涌安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果4 5651 4862.921.6320.913.64

全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、全風(fēng)化含礫砂巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低，其凝聚力15～20kPa，內(nèi)摩擦角15°～18°，巖性遇水軟化，軟化系數(shù)0.3～0.5，極易滲透液化。在下閘首及靠近下閘首的2個(gè)閘室結(jié)構(gòu)段等薄弱部位采用單排灌注樁進(jìn)行邊坡支擋，支護(hù)樁頂部設(shè)置橫梁。

6 變形觀測(cè)

株洲一線船閘與二線船閘共布置56個(gè)沉降位移觀測(cè)點(diǎn)，分布在閘首、閘室、導(dǎo)航墻等部位。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，施工期的一線船閘和通航后的二線船閘均沒(méi)有發(fā)生明顯變形，累計(jì)變形量微小，客觀反映了船閘建筑物在設(shè)計(jì)工況下正常運(yùn)行的可靠性，驗(yàn)證了風(fēng)化深槽處理措施的可行性。變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 變形監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表點(diǎn)號(hào)相對(duì)坐標(biāo)值/m累計(jì)變形量/mmXYHΔXΔYΔH部位SC13105.786.845.0000一線船閘閘室SC1418.786.845.0011一線船閘導(dǎo)航墻SC50-31.922.045.0011二線下游重力式輔導(dǎo)航墻SC53-91.153.845.0232二線下游樁承式輔導(dǎo)航墻SC56-59.2-18.845.01-11二線下游主導(dǎo)航墻

7 結(jié)語(yǔ)

株洲一線船閘與二線船閘間分布有風(fēng)化深槽和不整合接觸帶、粉細(xì)砂、圓礫等強(qiáng)透水層，風(fēng)化深槽對(duì)兩線船閘間壩體穩(wěn)定性影響非常明顯，強(qiáng)透水層易發(fā)生“滲透液化”。在深入研究其影響機(jī)理和范圍的基礎(chǔ)上，針對(duì)船閘建筑物布置在風(fēng)化深槽的不同部位，提出了針對(duì)性措施，即風(fēng)化深槽中心部位采用樁基、不整合接觸帶采用換填和有蓋重固結(jié)灌漿等一系列措施，較好地解決了風(fēng)化深槽的地基處理問(wèn)題。風(fēng)化深槽等地質(zhì)缺陷隱蔽性很強(qiáng)、隨機(jī)分布概率很大、地質(zhì)條件很復(fù)雜，大幅增加了勘察、地基處理的工作量和難度，同時(shí)也增加了工程風(fēng)險(xiǎn)，因此在工可階段做好地質(zhì)詳勘十分必要。