甌飛一期圍墾工程軟弱地基閘底板脫空監(jiān)測(cè)技術(shù)

謝 龍 周昌臣 曹高俊

(溫州市甌飛經(jīng)濟(jì)開發(fā)投資有限公司，浙江 溫州 325025)

1 概 述

水閘是修建在河道、堤防或河口上的重要水工建筑物，通過閘門啟閉控制水位、調(diào)節(jié)流量，具有擋水和泄水的雙重作用[1]。而建于深厚軟弱地基上的水閘，為提高地基承載力和減小沉降量，基礎(chǔ)通常采用鉆孔灌注樁處理，使其滿足水閘上部結(jié)構(gòu)安全要求，但由于剛性樁基礎(chǔ)和地基軟土層之間沉降變形不協(xié)調(diào)，往往造成地基土層與閘底板出現(xiàn)脫空現(xiàn)象[2]，且處于水下隱蔽位置早期難以發(fā)現(xiàn)，直至在上下游水位差作用下形成連通的集中滲漏通道，給水閘的運(yùn)行帶來嚴(yán)重安全隱患。對(duì)建于軟弱地基上的水閘閘底板脫空情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，確保水閘安全運(yùn)行至關(guān)重要。

因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水閘閘底板脫空情況具有重大意義，有必要對(duì)閘底脫空問題進(jìn)行質(zhì)量控制并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。溫州市甌飛一期圍墾工程北1號(hào)、北2號(hào)水閘為1級(jí)水工建筑物，閘基情況直接決定水閘今后的質(zhì)量和安全性能，意義十分重大。本文以甌飛一期圍墾工程北1號(hào)、北2號(hào)水閘軟弱地基閘底板脫空監(jiān)測(cè)為例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，針對(duì)脫空質(zhì)量問題進(jìn)行研究，提出解決措施，可為類似工程提供參考。

2 工程概述

甌飛一期圍墾工程立足于防御超強(qiáng)風(fēng)暴潮的基本功能，圍堤與交通道路和港口相結(jié)合，是一項(xiàng)集防洪、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、生態(tài)、港口等于一體的多功能綜合性工程。其中施工Ⅰ標(biāo)段所含的北1號(hào)、北2號(hào)水閘是本工程中最大的兩座水閘，建筑物級(jí)別為1級(jí)，閘基為深厚軟土地基[3]，為增加地基承載力及減少地基沉降，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁處理，共計(jì)2497根。設(shè)計(jì)將兩座水閘圍堰合二為一，形成圍區(qū)面積10萬m2的超大型施工圍堰。

北1號(hào)閘閘底板寬100m，北2號(hào)閘閘底板寬81m，閘基30m以下均為淤泥和淤泥質(zhì)土，工程地質(zhì)條件較差，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁處理，為及時(shí)掌握閘底板的脫空情況，共布設(shè)51個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)水閘閘底板脫空進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)目標(biāo)

由于閘底脫空后將使得閘基滲徑縮短，在上下游水位差作用下閘底極易形成集中滲漏通道，給水閘運(yùn)行帶來嚴(yán)重安全隱患。因此，閘底脫空問題需及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)閘基土層沉降變形的測(cè)算，本工程閘基土層允許最大沉降量為10cm，因沉降變形量較小，觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度對(duì)于合理分析評(píng)價(jià)閘底脫空狀態(tài)尤為重要。

結(jié)合目前有關(guān)建筑物變形觀測(cè)的規(guī)范精度要求[4]，北1號(hào)、北2號(hào)閘底監(jiān)測(cè)目標(biāo)值為：在10cm量程范圍內(nèi)的測(cè)量精度需達(dá)到0.1mm。

3.1 技術(shù)指標(biāo)

監(jiān)測(cè)裝置采用高精度的振弦式傳感器，且監(jiān)測(cè)裝置能夠穩(wěn)固于閘基土層，并將閘底板與閘基土層間的混凝土墊層完全隔離。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

監(jiān)測(cè)裝置穩(wěn)固于軟土層，并與混凝土墊層完全隔離，觀測(cè)精度目標(biāo)值具有一定挑戰(zhàn)性。

4 方案比選

圍繞“軟弱地基閘底板脫空監(jiān)測(cè)裝置”的研發(fā)，集思廣益，運(yùn)用“頭腦風(fēng)暴法”[5]提出各種設(shè)想，并用“KJ法”歸納整理出三個(gè)方案[6]。

4.1 方案介紹

4.1.1 土壓力法

通過土壓力判斷底板脫空，在閘底板底部布設(shè)一支土壓傳感器，膜面與地基土充分接觸。僅有傳輸電纜引出，易于保護(hù)。

4.1.2 沉降差法

通過兩點(diǎn)間沉降差判斷底板脫空，在閘底板底部、地基土頂面各設(shè)一支沉降傳感器。傳感器需與外部?jī)?chǔ)液罐連通，保護(hù)困難。

4.1.3 相對(duì)位移法

通過兩點(diǎn)間相對(duì)位移判斷底板脫空，位移傳感器兩端分別錨固于閘底板底部和地基土頂面。僅有傳輸電纜引出，易于保護(hù)。

4.2 方案比選

方案比選除考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，還應(yīng)考慮其他各種影響方案選擇的因素，包括：方案實(shí)施復(fù)雜程度、資料分析復(fù)雜程度、技術(shù)推廣普及難易程度和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果等。

采用模糊數(shù)學(xué)方案[7]優(yōu)選比較模型進(jìn)行定量評(píng)價(jià)計(jì)算，篩選出最優(yōu)方案，其中確定權(quán)重集采用德爾菲法[8]，即專家打分法。

設(shè)影響方案優(yōu)劣的因素有n個(gè)，由這n個(gè)因素構(gòu)成綜合評(píng)判因素集U={u1,u2,…,un}，由影響方案選擇的n個(gè)主要因素組成。

n個(gè)因子的權(quán)重組成權(quán)重A(采用專家打分法獲得)，則A={a1,a2,…,an}。

對(duì)m個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)劣評(píng)判分類，并由其組成優(yōu)選比較的評(píng)判集Vm={v1,v2,…,vm}。通過因素集與評(píng)判集的對(duì)比，并經(jīng)數(shù)學(xué)處理獲得評(píng)價(jià)R，通過A與R的運(yùn)算(A·RT)，即可得到綜合評(píng)判的結(jié)果集B。

通過評(píng)判結(jié)果集B的計(jì)算結(jié)果即可判斷出各個(gè)方案的優(yōu)劣類別。

4.2.1 建立因素集

根據(jù)上述運(yùn)算原理U={u1,u2,…,u5}，其中u1為方案實(shí)施復(fù)雜程度，u2為方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，u3為資料分析復(fù)雜程度，u4為技術(shù)推廣普及難易程度，u5為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果[9]。影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1 影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)

表2 影響因素的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

4.2.2 給定權(quán)重向量

上述5個(gè)因素的權(quán)利向量為A={0.20,0.25,0.10,0.20,0.25}。

4.2.3 確定評(píng)判集

V={v1,v2,v3}，v1,v2,v3分別對(duì)應(yīng)于三個(gè)方案。上述5個(gè)因素的權(quán)利向量為A={0.20,0.25,0.10,0.20,0.25}

4.2.4 建立評(píng)判矩陣

因素集與評(píng)判集之間的關(guān)系通過表2進(jìn)行模糊關(guān)系矩陣R[10]表示，則

4.2.5 綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

綜合評(píng)判的結(jié)果集B為

該回歸模型方差分析結(jié)果見表4。由表4可知，擬合的模型極顯著（P＜0.000 1），擬合度R2=0.993 4；失擬檢驗(yàn)不顯著（P＞0.05），回歸模型的調(diào)整系數(shù)R2

B=A×R=(1.70,1.35,2.55)

由計(jì)算結(jié)果可以看出，方案三(相對(duì)全移法)最優(yōu)，方案二(土壓力法)最差，方案一(沉降差法)居中。

4.2.6 確定最佳方案

在各種方案定量計(jì)算綜合比選的基礎(chǔ)上，最終確定方案三(相對(duì)位移法)為最佳方案，針對(duì)選定的總體方案，經(jīng)分析確定將從錨固底座制作、錨固底座安裝、混凝土墊層隔離三方面開展詳細(xì)研發(fā)，軟弱地基閘底板脫空檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 軟弱地基閘底板脫空檢測(cè)裝置系統(tǒng)圖

4.3 最佳子方案比選

4.3.1 材料選擇

長(zhǎng)柱形鋼管單位長(zhǎng)度重量較輕，所需鋼管較長(zhǎng)，且需插入地基土層中，該段土體沉降無法觀測(cè)，影響觀測(cè)成果質(zhì)量。圓盤形鋼板一定面積的圓板直接放置于地基表層，充分反映地基土層沉降量，觀測(cè)成果質(zhì)量高。因此選用圓盤形鋼板。

墊層澆筑前預(yù)埋易受混凝土墊層澆筑影響，傳感器安裝孔洞預(yù)留難度大，難以保證安裝質(zhì)量。預(yù)留坑槽后安裝。錨固底座在混凝土墊層澆筑后安裝，不受外界影響，安裝質(zhì)量高。因此選用預(yù)留坑槽后安裝方法。

4.3.3 傳感器混凝土隔離

砂子隔離在后期底板混凝土澆筑時(shí)，水泥漿液通過沙子孔隙滲透到傳感器四周，造成傳感器靈敏度下降，影響觀測(cè)成果質(zhì)量。護(hù)筒隔離通過護(hù)筒使傳感器與墊層、閘底板混凝土完全隔離，保證了傳感器隨底座沉降同步拉伸，觀測(cè)成果質(zhì)量高。因此選用護(hù)筒隔離方法。

5 制定方法

通過上述分析，確定的最終方案見表3。

表3 最終方案表

6 方法實(shí)施

根據(jù)最終方案表，逐項(xiàng)實(shí)施，每一項(xiàng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，具體實(shí)施情況如下。

6.1 錨固底座制作

a.在室內(nèi)通過測(cè)力計(jì)進(jìn)行傳感器拉伸試驗(yàn)，記錄最大量程時(shí)所對(duì)應(yīng)的重量，并計(jì)算滿足重量要求下所對(duì)應(yīng)的圓板直徑和厚度。

b.根據(jù)計(jì)算的圓板直徑和厚度選購圓板，對(duì)選購的圓板嚴(yán)格量測(cè)尺寸和重量。

c.將量測(cè)合格的圓板在專門車床廠進(jìn)行孔槽螺紋的加工，通過三點(diǎn)定位嚴(yán)格控制中心偏差。

6.2 錨固底座安裝

a.根據(jù)底座安裝所需的空間制作混凝土澆筑模板，模板高度大于墊層混凝土的澆筑厚度，在測(cè)點(diǎn)處組裝固定模板。

b.墊層混凝土凝固后拆除模板，平整坑槽，將錨固底座平穩(wěn)放置于坑槽內(nèi)的地基表層，利用水平尺調(diào)平。

6.3 傳感器混凝土隔離

a.根據(jù)墊層頂面至錨固底座的距離截取護(hù)筒，護(hù)筒直徑略大于傳感器直徑，將護(hù)筒豎直裝入底座預(yù)留孔槽，為防止墊層混凝土與底座黏結(jié)，在底座頂面增加塑膠墊片隔離保護(hù)。

b.將護(hù)筒四周用混凝土回填充實(shí)，混凝土頂面與護(hù)筒頂齊平，將傳感器螺紋端裝入護(hù)筒，并與錨固底座螺紋連接擰緊，校正傳感器的豎直度，將傳感器與護(hù)筒間的空隙用機(jī)械黃油充填。

7 效果檢查

7.1 目標(biāo)檢查

經(jīng)過精心研發(fā)，認(rèn)真實(shí)施，閘底板脫空監(jiān)測(cè)裝置現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果良好，為及時(shí)掌握閘底板脫空狀態(tài)，為水閘安全運(yùn)行提供了保障。閘底板脫空監(jiān)測(cè)裝置示意見圖2。

從閘底板脫空觀測(cè)成果可以看出，脫空變形觀測(cè)讀數(shù)精確到0.01mm，觀測(cè)精度超過0.1mm，完成并超過預(yù)定目標(biāo)。通過觀察典型斷樁號(hào)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，沉降基本穩(wěn)定。閘底板脫空觀測(cè)成果見表4，脫空過程線見圖3、圖4。

圖2 閘底脫空監(jiān)測(cè)裝置示意圖

表4 閘底板脫空觀測(cè)成果 單位：mm

圖3 北1號(hào)閘①閘孔底板脫空過程線

圖4 北2號(hào)閘⑥閘孔底板脫空過程線

7.2 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益

a.通過本次活動(dòng)，完成了軟弱地基閘底板脫空監(jiān)測(cè)裝置的研發(fā)，該裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閘底板脫空狀態(tài)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，為水閘的安全運(yùn)行提供科學(xué)保障。且成功推廣到甌飛一期圍墾工程西河堤閘、東1號(hào)閘閘底板監(jiān)測(cè)中，效果顯著，運(yùn)行良好。

b.該成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外無法對(duì)軟弱地基閘底板脫空情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)空白，適用于各種復(fù)雜工況條件下結(jié)構(gòu)物的脫空變形監(jiān)測(cè)，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。大大提升了甌飛工程在軟弱地基監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的影響力，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

8 結(jié) 語

目前在水閘底板脫空監(jiān)測(cè)這一領(lǐng)域，尚無類似創(chuàng)新型裝置監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過對(duì)方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、實(shí)施復(fù)雜程度、資料分析復(fù)雜程度、技術(shù)推廣普及難易程度和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果的綜合比選，確定了最佳方案，針對(duì)選定方案中的關(guān)鍵控制點(diǎn)制定了最優(yōu)化的對(duì)策和措施，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，監(jiān)測(cè)效果良好，為及時(shí)掌握閘底板脫空狀態(tài)，確保水閘安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的科學(xué)技術(shù)保障。在甌飛工程建設(shè)期間中，該創(chuàng)新型成果已成功推廣應(yīng)用到甌飛一期圍墾工程西河堤閘、東1號(hào)閘閘底板監(jiān)測(cè)中，西河堤閘、東1號(hào)閘均已通過驗(yàn)收且順利運(yùn)行兩年有余，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。