某調蓄湖溢流堰右側湖岸破壞原因探析及修復

張凌晨

（廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510640）

1 工程概況

1.1 概況及項目背景

廣東省佛山市某調蓄湖建設工程包括湖區(qū)約560 畝（分為南湖及北湖）的水面及7.26 km 的環(huán)湖岸線的建設,新建北湖出口擋水溢流堰一座。擬將其建成一個具有雨洪調蓄、生態(tài)、景觀、休閑功能于一體的生態(tài)湖區(qū)。

圖1 工程平面圖

因用地所限,北湖溢流堰右岸約150 m 湖岸由原自然放坡斷面調整為U 型槽斷面,下部采用19 m 長φ500 CFG 樁,間距1.6 m 正方形布置,因用地問題,背側暫時未能回填土至設計高程,U 型槽完工后,背側填土高程僅保持在約3.10 m左右。

圖2 U 型槽斷面圖

1.2 工程規(guī)模等級

該調蓄湖設計洪水標準采用20 年一遇,校核洪水標準采用100 年一遇。根據(jù)規(guī)范確定本工程等別為Ⅳ等,調蓄湖湖區(qū)建筑物為4 級、次要建筑物為5 級,臨時建筑物為5 級。

1.3 地質情況

在勘探深度范圍內,地層巖性從上而下主要由第四系全新統(tǒng)萬頃沙組沖洪積相（Q42-2pal）、下第三系始新統(tǒng)華涌組第二段（E2h2）組成,現(xiàn)由上到下分述見表1。

表1 出口擋泄水建筑物（溢流堰）巖土參數(shù)建議值

續(xù)表1

②-1 淤泥：灰黑色、深灰色,流塑～軟塑,具滑膩感,含有機質,局部少量砂質,具腥臭味。層頂標高1.09 m～3.23 m,層底標高-11.36 m～-2.27 m,層厚5.50 m～14.00 m。

②-2 粉質粘土：灰黃色、淺灰色,軟塑～可塑,粘性較好,局部含較多砂質。該層普遍分布,在鉆探深度范圍內,ZK64～ZK66、ZK68～ZK72 有揭露。層頂標高-11.36 m～-5.19 m,層底標高-14.85 m～-10.24 m,層厚1.80 m～5.05 m。

⑤強風化粉砂質泥巖：棕紅色,淺棕紅色,風化強烈,巖芯呈半巖半土狀,含較多砂質,手易掰開,原巖結構善可辨認。層頂標高-14.85 m～-2.27 m,層底標高-18.03 m～-16.01 m,層厚3.00 m～4.70 m。承載力特征值600 kPa。

⑥弱風化粉砂質泥巖：棕紅色,淺棕紅色,巖質軟,巖芯呈短柱狀～長柱狀。層頂標高-16.01 m～18.03 m。共取巖樣4 組,統(tǒng)計樣本數(shù)4 組,天然單軸抗壓強度平均值5.10 MPa,承載力特征值1000 kPa。

2 現(xiàn)場破壞情況

2020 年10 月2 日在調蓄湖蓄水以后,U 型槽靠近北湖溢流堰段結構分縫處發(fā)生沉降及位移,U 型槽整體性完好,無裂縫,截止至2020 年11 月19 日,沉降最大位移達到70 cm,沉降引起路面鋪裝及坡面石材臺階開裂,錯位,表面填土松動并局部隆起。

圖3 U 型槽分縫處發(fā)生沉降

圖4 放空鋼管開裂

北湖溢流堰左右兩岸設DN600 放空鋼管,該放空管設計主要考慮檢修及非常情況下對湖區(qū)進行放空,通過檢修閥井檢修管道。本次開裂的DN600 放空鋼管位于北壩右岸,距離U 型槽開裂位置直線距離約33 m。湖岸沉降導致溢流堰右岸DN600 放空鋼管焊接處發(fā)生開裂,裂縫開度約3 cm,為局部裂縫,未貫穿鋼管。

3 U 型槽沉降原因分析

初步分析沉降原因為背側未完成征地,同時蓄水速度過快,填土速度過快,導致U 型槽局部應力集中發(fā)生沉降及位移,根據(jù)原設計資料,蓄水高程在6.00 m 左右時,U 型槽背側填土高程為3.00 m 左右,迎水側及背水側高程相差3 m,一旦蓄水速度過快,U 型槽結構底部局部應力將迅速增大,因兩側填土速度過快,極易發(fā)生局部破壞現(xiàn)象。

放空管位于北壩鋼筋砼壩體中,外側位于下游翼墻背后填土側,溢流堰為旋噴樁復合地基,外側湖岸采用φ500 mm的CFG 樁復合地基,因地基處理方式不同導致不均勻沉降,沉降導致北湖溢流堰右岸DN600 放空鋼管焊縫處開裂,產(chǎn)生裂縫一處,裂縫位于北湖溢流堰及下游現(xiàn)狀方井之間。其他部位完好,本次須針對DN600 放空鋼管開裂部位進行修復。

4 修復加固

4.1 U 型槽加固方案

現(xiàn)因U 型槽背水側已完成征地,本次將對U 型槽背水側進行填土反壓,填土高度需考慮結構穩(wěn)定性及銜接高度,若填筑太高,則對U 型槽整體性穩(wěn)定性是有利的,但考慮到填土太高一方面需延長放坡寬度與現(xiàn)狀地形銜接,導致填土范圍太大而不經(jīng)濟,同時因背水側附近有一座高壓鐵塔,填土太高,土壓力將會對現(xiàn)狀高壓鐵塔穩(wěn)定性造成一定影響,可能會使鐵塔發(fā)生移位變形,產(chǎn)生其他危險。經(jīng)綜合考慮本次背水側填土高程為6.50 m,寬度8 m,設二級填土平臺,二級填土平臺頂高程為4.50 m,兩級平臺采用1∶2 放坡銜接,增加土坡之間穩(wěn)定性,填筑過程中應采用分層填筑方式,每層填土厚度不超過30 cm,達到壓實度要求后方可進行下一層填筑。

根據(jù)地質鉆孔資料,該區(qū)域大部分為淤泥層,地質情況較差,為了防止雨水對坡腳沖刷,同時保證坡腳及下部原狀土穩(wěn)定性,在坡腳采用碎石壓腳,增加整體湖岸斷面穩(wěn)定性。

本次針對背水坡填筑土方,同時考慮到現(xiàn)狀靠近溢流堰一段U 型槽在結構分縫處已發(fā)生沉降位移,故需對現(xiàn)狀該段U 型槽進行加固?？紤]到沉降位移較大,下部原設計CFG 樁為剛性樁,樁底高程進入持力層2 m, U 型槽結構一旦沉降,U型槽斷面兩邊CFG 樁最容易受到破壞,導致樁頂發(fā)生損壞,若不采取其他措施嚴重情況下可能會導致樁頂應力變化,持續(xù)威脅樁體質量。本次受條件所限雖未對下部CFG 樁做沉降后質量檢測,但不排除損壞可能性,針對上述情況,本次U型槽加固方案考慮U 型槽背側回填土壓實,使U 型槽結構受力均勻。為保護現(xiàn)狀高壓電塔基礎,本次坡腳不可填土過高,二級平臺頂高程4.50 m,寬度縮小為5 m,底部采用碎石壓腳增加斷面穩(wěn)定性,碎石距離電塔保持1.5 m～2.5 m 距離,碎石不可過厚,保證電塔基礎不受碎石壓重影響。通過在U 型槽及電塔基礎設沉降觀測點,在填土過程中及時觀測,動態(tài)監(jiān)控沉降量,若填土時沉降量陡增,應立刻停止填土,通知各方共同研究決定。

根據(jù)設計銜接需要,U 型槽背側填土將與堤頂路齊平,該部分景觀填土須在現(xiàn)狀高壓電塔完成遷改以后方可實施。

圖5 加固斷面圖

因U 型槽結構為剛性結構,下部土層及兩側填土為柔性結構,為了避免湖水及雨水沿U 型槽與土方縫隙產(chǎn)生持續(xù)揚壓力破壞,尤其防止汛期雨水沿結構裂縫形成擴大空隙,型槽滲漏通道,保護結構穩(wěn)定性,本次將在U 型槽兩側頂高程鑿毛,鑿除0.2 m,插入φ20 錨筋,設6.4 m 寬,0.2 m 厚C30鋼筋砼蓋板,增加結構整體性,可及時將雨水排走,防止水流沿縫隙滲漏而產(chǎn)生持續(xù)水壓力,導致結構持續(xù)沉降,防止U型槽結構進一步變形破壞,上部欄桿與路面保持原設計。

針對已發(fā)生側移U 型槽采取鉆孔植入錨筋并澆筑C30 砼找平方案修復,修復時對新舊混凝土銜接處進行適當人工找平處理,達到一次澆筑成型效果。

考慮到迎水側原設計為大石塊臺階鋪裝,沉降導致石塊錯位,因石塊重量較大,考慮到U 型槽架構沉降穩(wěn)定需要一定的時間,且一旦沉降,大石塊臺階錯位將會非常明顯,需大量人力物力維修管理,故本次加固方案暫拆除迎水坡大石塊,下部沉降土方挖除至5.00 m 高程,重新分層換填土,上部不再使用石材臺階,采用1∶3 鋪設草皮,待湖岸沉降趨于穩(wěn)定后可考慮石材鋪裝,與北湖溢流堰左岸鋪裝協(xié)調一致。

針對U 型槽以外的填土湖岸,直接在背水側已征地范圍內填筑土方高程至8.00 m,背側與景觀填土銜接。

圖6 自然放坡加固斷面圖

4.2 放空管修復

修復方案采用在現(xiàn)狀裂縫處設圓形檢查井,內設軟管及手動閥門銜接,方便檢修,底部為現(xiàn)狀溢流堰下游翼墻底板,底板下部為旋噴樁復合地基,經(jīng)復核,基礎承載力滿足要求。

為防止檢修井持續(xù)沉降對放空鋼管產(chǎn)生持續(xù)拉力,本次在穿過井壁洞口外部預留5 cm 縫隙,兩側縫隙最大可達到10 cm,井壁穿管洞口采用油麻氈柔性材料填縫,保護鋼管不因沉降發(fā)生開裂,提高管道使用壽命。原外部采用DN600 鋼管銜接,為了保證鋼管安全,本次在新設5 m 長鋼管外部包裹0.2 m 厚C25 素砼,下部設0.5 m 厚素砼基座,能有效提高管道整體受力效果。

通過沉降計算,井與溢流堰相對永久沉降高差較小,因此采用井壁洞口設柔性材料并預留縫隙能適應不均勻沉降,外加管道采用柔性接頭,可進一步增加管道承受不均勻沉降能力,能夠在一定范圍內保護內部管道不受損壞。

圖7 放空管平面圖

圖8 放空管剖面圖

5 總結

本次通過對調蓄湖北湖溢流堰右岸湖岸發(fā)生沉降險情進行分析并提出方法,通過后續(xù)持續(xù)觀測,基本上達到預期加固效果,但也暴露出原始設計的不足。

1）針對U 型槽下部基礎處理范圍較小,采用復合樁進行基礎處理范圍應略大于結構寬度,若基礎處理范圍僅為結構外部輪廓,一旦結構兩側應力不均,底部將會失穩(wěn),達不到基礎處理效果,甚至可能損壞樁基礎結構。

2）新建湖區(qū)蓄水應考慮所有堤岸已達到沉降填土要求再進行,蓄水時應盡量慢,以便觀察湖區(qū)湖岸應力狀態(tài),避免發(fā)生險情,同時應對重要結構部位進行同步觀測,一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)異常變化,應及時停止蓄水,并查明原因。

3）本工程中北湖溢流堰與外側檢修井分別采用了旋噴樁及CFG 樁的不同基礎處理方式,放空管貫穿兩種基礎處理的上部混凝土結構時應充分考慮不同基礎處理對沉降的影響效果,盡量采用軟接頭或柔性管道連接,盡量避免焊接,避免不均勻沉降導致焊縫開裂。