北街水閘通航孔上游翼墻穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算分析

陳新河 江門市江新聯(lián)圍管理處

1.工程概況

北街水閘樞紐位于江門市蓬江區(qū)北街江門水道入口與西江交匯處，是江新聯(lián)圍的一座以防洪、排澇為主，兼顧航運(yùn)、交通與灌溉的重要中型水閘。江新聯(lián)圍捍衛(wèi)江門市城區(qū)及下屬蓬江區(qū)的環(huán)市鎮(zhèn)、棠下鎮(zhèn)，江海區(qū)的外海和禮樂(lè)鎮(zhèn)，新會(huì)區(qū)城區(qū)及下屬的睦洲鎮(zhèn)、三江鎮(zhèn)和會(huì)城鎮(zhèn)等三區(qū)七鎮(zhèn)，保護(hù)人口69萬(wàn)人，耕地面積33.27萬(wàn)畝，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值268億元（2000年）。北街水閘捍衛(wèi)的江門市是該地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，社會(huì)效益顯著。

現(xiàn)有北街水閘樞紐工程于1975年9月動(dòng)工興建，1978年5月基本建成投入運(yùn)行。樞紐由水閘和船閘兩部分組成，其中水閘共五孔，由四個(gè)分洪孔和一個(gè)通航孔組成。北街水閘投入運(yùn)行二十多年來(lái)，存在一定的安全隱患，經(jīng)過(guò)安全鑒定評(píng)為二類閘，需對(duì)整個(gè)樞紐工程進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

北街水閘通航孔上游原翼墻為漿砌石擋墻，本次除險(xiǎn)加固擬在原擋墻墻腳下的河道內(nèi)新建一扶臂式擋土墻作為新翼墻，新建擋土墻頂及墻后回填土原設(shè)計(jì)高程為7.3m～3.0m，后經(jīng)確定將翼墻后填土面高程降至5.0m～2.0m；墻底板底面高程為-5.0m,基礎(chǔ)采用Φ400壁厚95的AB型預(yù)應(yīng)力管樁。

為保證施工開挖時(shí)通航孔上游邊坡的安全，上游岸坡布置了2排Φ500壁厚125的AB型預(yù)應(yīng)力管樁作為支護(hù)樁，樁長(zhǎng)分為16米和12米兩種，均為摩擦樁，支護(hù)樁樁頂高程分別為-2.5米和2.0米。第二排管樁設(shè)鋼繩與地錨拉緊。

由于新建翼墻位置存在深厚的軟弱土層，而新填土頂面為2.0～5.0m，擋土墻擋土高度達(dá)7～10m。填土所形成的土壓力水平分力較大，設(shè)計(jì)方對(duì)翼墻的水平抗滑穩(wěn)定的安全性存在一定的疑慮。受設(shè)計(jì)單位委托，我院承擔(dān)了對(duì)江門北街水閘通航孔上游翼墻的水平抗滑安全性進(jìn)行技術(shù)咨詢的任務(wù)，擬通過(guò)計(jì)算分析，并提出該翼墻水平抗滑問(wèn)題的解決方案。

2.翼墻水平抗滑計(jì)算

2.1 管樁的極限水平承載力

根據(jù)翼墻的設(shè)計(jì)圖，其基礎(chǔ)采用Φ400壁厚95的AB型預(yù)應(yīng)力管樁。根據(jù)管樁的施工記錄，樁長(zhǎng)約20m，樁端置于粗砂層或全風(fēng)化巖層上。

取1條管樁作為計(jì)算對(duì)象，樁頂施加水平作用力，樁側(cè)受土的反力以土彈簧模擬，采用廣東省水利水電科學(xué)研究院編制的擋土樁計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。土層分布及厚度參考ZK11，管樁水平承載力的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管樁水平承載力計(jì)算參數(shù)表

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)管樁樁頂水平力為60kN時(shí)，樁內(nèi)最大彎矩為101kN·m，接近管樁的極限彎矩104kN·m?？烧J(rèn)為該管樁樁頂?shù)乃綐O限承載力為60kN。

2.2 翼墻承受的水平土壓力計(jì)算

取單位寬度作為計(jì)算寬度，翼墻受墻后填土產(chǎn)生的水平推力作用。墻后填土為中粗砂，推力大小按朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算。墻后中粗砂的內(nèi)摩擦角取35°，地下水位假設(shè)在底板底面以下，地面荷載取10kPa。

墻頂及墻后填土高程為5.0m時(shí)，底板底高程為-5.0m，墻高為10m。則主動(dòng)土壓力為：

墻頂高程為2.0m、墻后填土高程為2.0漸變至2.5m的土坡，計(jì)算翼墻所受的主動(dòng)土壓力時(shí)，按填土高程2.5m計(jì)。底板底高程為-5.0m，墻高為7.5m。則主動(dòng)土壓力為：

整個(gè)翼墻分兩板，靠近閘的第一板填土由5.0m按1:3的坡度降至2.5m（靠近墻身處為2.0m）。該坡沿水流方向長(zhǎng)為7.5m。該段翼墻墻身及填土較高，土壓力及處理方法均與其后不同，為方便表述，該段范圍稱為A區(qū)，其余填土高程為2.0～2.5m的部分為B區(qū)。

A區(qū)每m翼墻受到的水平土壓力標(biāo)準(zhǔn)值為：

2.3 翼墻水平抗滑分析

根據(jù)設(shè)計(jì)圖，翼墻分2塊底板，每塊底板下布置樁15根。底板沿水流方向長(zhǎng)24m，則沿該方向單位寬度的樁數(shù)為1.25根。1.25根樁的極限水平承載力荷載為1.25×60＝75kN。樁的承載力顯然小于翼墻所受的水平推力，因此單靠翼墻的管樁基礎(chǔ)難以滿足翼墻的水平抗滑要求。

3.翼墻修改方案

3.1 修改方案

由上述計(jì)算可知，翼墻承受的水平土壓力管樁難以承擔(dān)，可采用其他措施減小水平力或增大水平承載力。經(jīng)綜合比較，推薦采用預(yù)應(yīng)力錨索加錨碇墻的處理方案。

錨碇墻為鋼筋砼墻，長(zhǎng)25m，厚0.5m，高2m，墻頂高程為2.0m。錨碇墻前回填碎石，墻后回填粗砂，回填的碎石和粗砂均需分層壓實(shí)。

預(yù)應(yīng)力錨索采用鋼絞線，水平間距為1m，長(zhǎng)約30m，錨碇墻側(cè)高程為1.0m，翼墻側(cè)高程為-1.0m（即目前的上排拉環(huán)位置）。A區(qū)、B區(qū)鋼絞線分別為3束和2束7Ф5鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1320N/mm2。

待擋墻后填土至-1m時(shí)，對(duì)錨索施加預(yù)應(yīng)力，A區(qū)、B區(qū)錨索預(yù)應(yīng)力分別為200kN和150kN。錨索上覆土前按相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程做好防腐處理。

3.2 錨桿設(shè)計(jì)計(jì)算

A區(qū)錨索水平力設(shè)計(jì)值：

1束7Ф5鋼絞線公稱截面積為139mm2，鋼絞線束數(shù)：

取n=3，即A區(qū)錨索為3束7Ф5鋼絞線。

B區(qū)錨索水平力設(shè)計(jì)值：

取n=2，即B區(qū)錨索為2束7Ф5鋼絞線。

3.3 錨碇墻設(shè)計(jì)計(jì)算

錨碇墻所能提供的水平抗力為其前后土壓力差：

A區(qū)錨索設(shè)計(jì)拉力為292.4kN，B區(qū)錨索設(shè)計(jì)拉力為214.6kN，均小于錨碇墻所能提供的水平抗力299kN，錨碇墻抗力滿足要求。

為防止錨碇墻與其前回填碎石沿碎石與土的交界面整體滑動(dòng)，墻前碎石體應(yīng)有足夠重量。當(dāng)錨碇墻與碎石體一起沿碎石與土的交界面滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)體受力計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。取回填碎石與其下土體的摩擦系數(shù)為0.3。根據(jù)A區(qū)、B區(qū)錨碇墻前碎石體斷面進(jìn)行抗滑計(jì)算。

圖1 錨碇墻和碎石滑動(dòng)體受力計(jì)算簡(jiǎn)圖

A區(qū)抗滑計(jì)算：

A區(qū)碎石體抗滑滿足要求。

B區(qū)抗滑計(jì)算：

B區(qū)碎石體抗滑滿足要求。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）該翼墻擋土高，地基軟弱，其預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)不能滿足水平抗滑要求。

（2）建議采用文中的錨索加錨碇墻的處理方案解決翼墻的水平抗滑問(wèn)題。

（3）為減小深層軟土對(duì)管樁的水平側(cè)壓力，建議在翼墻底板和附近支護(hù)樁之間的孔隙施打木樁，將其上的填土荷載傳至地基深部。木樁長(zhǎng)5m，間距500，梅花形布置。

（4）建議在施工過(guò)程中對(duì)翼墻和錨碇墻的水平位移及沉降加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立即停止施工并向監(jiān)理、設(shè)計(jì)及業(yè)主等相關(guān)單位匯報(bào)情況，以采取必要措施，確保施工期的安全。