沿海地區(qū)水閘防沉降關(guān)鍵施工技術(shù)

張力文

（廣東省水利水電第三工程局有限公司 廣東東莞 523710）

0 概述

沿海地區(qū)進(jìn)行水閘建設(shè)時(shí)，都要解決好如下幾個(gè)難題：①導(dǎo)流，如在舊河涌上建水閘，如何在軟基上填筑圍堰形成基坑進(jìn)行旱地作業(yè)，保證結(jié)構(gòu)施工順利實(shí)施；②基礎(chǔ)處理，既要保證水閘結(jié)構(gòu)不因基礎(chǔ)沉降而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)沉降或位移破壞，又要保證基礎(chǔ)與周邊土體能協(xié)同變形，防止水閘底板“脫空”；③防滲處理，保證水閘不致滲透破壞；④結(jié)構(gòu)變形。圍繞上述4 個(gè)目標(biāo)，本文從施工技術(shù)的角度闡述應(yīng)采取的措施和注意事項(xiàng)，達(dá)到保障水閘施工質(zhì)量的目的。

1 水閘施工導(dǎo)流

1.1 水閘施工導(dǎo)流的方式

水閘施工導(dǎo)流分兩種情況：①一次性全斷面攔斷河床，河水由另外的河涌或新修的導(dǎo)流渠導(dǎo)流；②分期導(dǎo)流，將河床先圍一半后施工水閘，另外半邊河床導(dǎo)流，待半邊水閘施工完后再施工另外半邊結(jié)構(gòu)。對(duì)于沒(méi)有過(guò)流要求的小型水閘施工可采用第一種導(dǎo)流方式，有過(guò)流要求的中大型水閘一般采用分期導(dǎo)流方式。不管是一次性全斷面攔斷河流還是分期導(dǎo)流，在軟基上填筑圍堰都有可能碰到圍堰填筑不起來(lái)的情況，或者即使填上去也會(huì)發(fā)生滑移和崩塌的現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)圍堰擋水的功能，必須有專門的應(yīng)對(duì)措施。

1.2 圍堰填筑方法

在軟土上修筑擋水圍堰有粘土圍堰、鋼板樁加砂土、模袋砂圍堰［1］等形式。以上3種形式都比較常用，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)選用：一般沿海地區(qū)河口地段的圍堰可采用模袋砂填筑，其特點(diǎn)是取材相對(duì)容易、施工速度較快、適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)、擋水和環(huán)保效果好，目前應(yīng)用較廣泛；對(duì)于內(nèi)河區(qū)域，海砂（牛皮砂）無(wú)法泵送到的地區(qū)，可采用雙排鋼板樁加砂土［2］或者直接用粘土填筑圍堰，建議優(yōu)先采用雙排鋼板樁加填土的方案；如果堰基淤泥層太厚，且因條件限制無(wú)法采用模袋砂圍堰時(shí)，如果直接填筑粘土和打鋼板樁無(wú)法形成堰體，這時(shí)可在設(shè)計(jì)堰體坡腳線處拋填塊石護(hù)腳，當(dāng)塊石護(hù)腳足以抵擋堰體的滑移力量時(shí)，在堰基處鋪設(shè)土工織物，再在此上面填筑粘土，逐步形成堰體，如圖1所示。

圖1 三類圍堰典型斷面Fig.1 Sectional of Three Cofferdams

1.3 軟基填筑圍堰的施工參數(shù)

無(wú)論采用何種形式的堰體，都要控制好填筑速率和每層填筑厚度這兩個(gè)施工參數(shù)。填筑太快，可能因加載太快導(dǎo)致堰基失穩(wěn)破壞，填筑太慢又不經(jīng)濟(jì)，掌握好平衡點(diǎn)是關(guān)鍵。確定施工參數(shù)比較可行的辦法是：在正式填筑圍堰前，先運(yùn)用有限元軟件建立模型，然后模擬施工過(guò)程，初選每層填筑厚度，逐層加載，根據(jù)變形和穩(wěn)定分析的結(jié)果，優(yōu)化每層填筑厚度和加載速度，并選取合適的施工參數(shù)。另外，現(xiàn)場(chǎng)先做試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論模型，進(jìn)一步修正模型的邊界條件，選擇最符合現(xiàn)場(chǎng)的施工參數(shù)，實(shí)行模擬?試驗(yàn)?理論修正?實(shí)施的過(guò)程。

例如：某沿海擋潮水閘工程的圍堰是填筑粘土，但在實(shí)施過(guò)程中，堰體在下臥層（淤泥層太厚）的帶動(dòng)下堰體局部產(chǎn)生滑移，堰體沒(méi)法填筑到設(shè)計(jì)高程。在探測(cè)地層狀況后，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，先在堰坡腳拋填塊石固邊，再在中間填筑粘土的辦法，并且控制填筑的速度的厚度，逐步填筑到頂，填筑速度是1層/d。同時(shí)在堰體下游坡埋設(shè)反濾料，讓堰體盡快排水固結(jié)［3］，有利于圍堰的安全和穩(wěn)定。此案例經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)，沉降數(shù)據(jù)除個(gè)別點(diǎn)略大于理論模型數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)與理論計(jì)算基本吻合，如表1所示，堰體能滿足使用要求。

表1 某水閘圍堰沉降監(jiān)測(cè)Tab.1 Settlement Monitoring of a Sluice Cofferdam

2 水閘基礎(chǔ)處理

水閘基礎(chǔ)處理是非常關(guān)鍵的施工環(huán)節(jié)，若基礎(chǔ)處理不符合要求，就有可能引發(fā)閘室或岸墻沉降、傾斜、開(kāi)裂等質(zhì)量事故，有的還會(huì)影響到閘門的正常啟閉，對(duì)水閘安全運(yùn)行構(gòu)成重大安全隱患，而且一旦發(fā)生這些缺陷，要消除和糾偏非常困難。因此，必須高度重視水閘基礎(chǔ)處理的施工質(zhì)量。目前的軟土地基加固方式有很多，但對(duì)水閘而言，都有其適用范圍和局限性。在進(jìn)行軟土地基處理時(shí)，應(yīng)充分考慮水閘功能要求、材料來(lái)源、施工機(jī)械、施工工藝、施工安全、施工質(zhì)量等因素，選擇適合水閘基礎(chǔ)處理的方式，目前軟土地區(qū)水閘基礎(chǔ)處理主要有以下幾種：

2.1 換土墊層法［4］

該方法是通過(guò)使用砂石和水泥混合料、混凝土、水泥土等材料來(lái)?yè)Q填軟土層，以提高持力層的承載力、改善土層壓縮性、減少地基變形?？赏ㄟ^(guò)地基承載力驗(yàn)算結(jié)合軟基處理深度來(lái)決定換填一層或兩層。在換填墊層時(shí)要注意以下3 點(diǎn)：①將軟土層挖除干凈；②取用換填料均勻，分層進(jìn)行壓實(shí)；③閘室下部不能用透水性材料換填，其滲透系數(shù)應(yīng)小于設(shè)計(jì)要求。

換土墊層法適用于厚度不大（一般≤2 m）［5］的軟土地基，其優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是回填質(zhì)量難于控制，本方法在用于較厚的淤泥地基時(shí)仍會(huì)有較大的沉降量，降低了可靠性，因此該方法不適合在深厚淤泥層中采用。

2.2 樁基法［5］

當(dāng)軟土層埋深較厚時(shí)，可利用群樁進(jìn)行加固處理，樁基法尤其適用于上部為軟土層，下部為硬土層的深厚地基。樁基法從受力特點(diǎn)的角度分有兩大類：①樁體與土體結(jié)合形成復(fù)合地基，如水泥土攪拌樁、粉噴樁、旋噴樁等，此法造價(jià)相對(duì)較低，但效果沒(méi)有純樁體支承的好；②純樁體支承，如灌注樁［6］、鋼筋混凝土預(yù)制樁等，無(wú)論采用哪種樁基礎(chǔ)，都要注意以下事項(xiàng)：

⑴在正式施工前應(yīng)進(jìn)行工藝試樁，通過(guò)室內(nèi)配比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)來(lái)確定施工參數(shù)。

⑵ 在進(jìn)行樁基鉆孔時(shí)，開(kāi)始階段應(yīng)適當(dāng)控制進(jìn)度，過(guò)快的速度易使得軟土層坍塌；在發(fā)現(xiàn)傾斜、坍塌情況時(shí)應(yīng)立刻停止鉆進(jìn)，采取有效措施后方可繼續(xù)施工。

⑶樁要穿透軟土層，盡量打到持力層上。為保證樁基施工質(zhì)量，最好采用超前鉆探明地質(zhì)情況，避免碰到孤石造成誤判。此外，地基承載力要能滿足樁機(jī)在其上作業(yè)的荷載要求。

對(duì)于深厚淤泥層的地基加固，采用攪拌樁基時(shí)要特別注意成樁質(zhì)量和樁長(zhǎng)是否滿足要求。由于地質(zhì)和水環(huán)境等原因，有可能導(dǎo)致攪拌樁長(zhǎng)時(shí)間不凝固，齡期到了還達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而且水閘施工一般都在枯水期，工期緊，有的項(xiàng)目攪拌樁還沒(méi)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度就開(kāi)始施工上部結(jié)構(gòu)，這樣會(huì)大大降低攪拌樁的承載能力，因此，對(duì)于深厚淤泥層，如果采用水泥攪拌樁的加固方式，一定要先做試驗(yàn)，判斷地層中是否存在與水泥不相容的物質(zhì)，如果地層水體中存在使水泥不凝固的物質(zhì)，要及時(shí)與設(shè)計(jì)會(huì)商，采取妥當(dāng)?shù)姆桨福ㄟx用特種水泥、添加外加劑或者改變基礎(chǔ)加固方式）；其次，在正式實(shí)施前要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，選取合適的施工工藝參數(shù)；另外，膠凝材料要采用高標(biāo)號(hào)水泥（52.5 以上），水泥用量70 kg/m 以上［7］，達(dá)到齡期后，要進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括單樁質(zhì)量、復(fù)合地基承載力、沉降速率等，檢測(cè)合格后才能做上部的結(jié)構(gòu)工程。

對(duì)于沉降速率過(guò)大的地基，一定要分析原因，并采取進(jìn)一步的措施，直到符合要求才能施工上部結(jié)構(gòu)。

樁基在平面上的施工順序，攪拌樁與灌注樁和管樁有所區(qū)別，對(duì)于剛性樁基，施工順序應(yīng)先外圍后中部，有利于擠密地基；對(duì)于柔性樁基，特別是有格柵布置的攪拌樁，應(yīng)先施工格柵中間的單樁，后施工外圍的格柵，防止單樁施工時(shí)因土體置換擠壓對(duì)格柵造成破壞。

在軟土上施工攪拌樁基時(shí)，為保證樁機(jī)不致沉陷，一般在淤泥層上面先鋪一層石粉或粒石，樁基施工完成后，該石粉層應(yīng)以挖除；如果原地面以下是承載力較好的粘土層，建議先不要挖除，直接在上面進(jìn)行樁基作業(yè)，若樁基頂設(shè)計(jì)高程沒(méi)到原地面，可以在原地面至設(shè)計(jì)樁頂高程之間留空樁的形式（該段不噴漿），既可以保證樁基施工順利進(jìn)行，又能節(jié)約成本。

3 閘基防滲處理

水閘的主要功能是擋水，因此，閘體和基礎(chǔ)防滲處理是非常重要的施工內(nèi)容，特別是基礎(chǔ)防滲，如果處理不好，一旦發(fā)生繞滲，將增大閘室和消力池的揚(yáng)壓力，產(chǎn)生滲透破壞，直接威脅水閘的穩(wěn)定和安全。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，如果閘底基礎(chǔ)為砂礫層，在實(shí)施垂直防滲體時(shí)，采用高噴帷幕的型式防滲效果不太好，最好采用地下連續(xù)墻或咬合排樁。因?yàn)樵谏暗[層實(shí)施高噴時(shí)，水泥漿在噴射時(shí)會(huì)被大顆粒的礫石阻隔，影響高噴樁體之間的連接，在帷幕中存在滲透通道，也就影響防滲效果。在淤泥地層實(shí)施高壓噴漿幕墻時(shí)，由于受地質(zhì)和環(huán)境水質(zhì)的影響，防滲的效果也無(wú)法完全保證。而地下連續(xù)墻或板樁墻［8］可以較好地解決上述問(wèn)題，其施工質(zhì)量相對(duì)較容易控制，防滲體一定要穿過(guò)透水層，并嵌入持力層1 m以上［8］。

在防滲體施工時(shí)，地下不能有動(dòng)水，如有動(dòng)水，應(yīng)采取相應(yīng)的措施阻斷動(dòng)水來(lái)源，或者采用合適的外加劑，如水玻璃和早強(qiáng)劑等，加快防滲體成型。

如果是采用管樁或灌注樁等剛性基礎(chǔ)，樁基施工時(shí)臨時(shí)填的砂石料應(yīng)以挖除，挖除后的空間用不透水材料回填夯實(shí)。那么在閘室施工完成后，應(yīng)對(duì)底板與地基接觸部位進(jìn)行回填灌漿和接觸灌漿［9］。防滲體必須嵌入閘室底板，形成完整的防滲體系［10］，防滲體施工完成后，一定要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的檢驗(yàn)或試驗(yàn)，判定是否達(dá)到防滲要求，否則，必須返工重做，直至符合要求。

4 水閘主體結(jié)構(gòu)施工

經(jīng)實(shí)踐總結(jié)，施工順序?qū)λl結(jié)構(gòu)建成后沉降穩(wěn)定有直接的關(guān)系［9］，一般應(yīng)遵循如下原則：①在豎向，重量大、建基面高程低的結(jié)構(gòu)體要先施工，如閘室、岸墻、消力池等，不允許先施工建基面高后施工建基面低的結(jié)構(gòu)；②在平面上，水閘施工應(yīng)分區(qū)進(jìn)行［11］，對(duì)于整個(gè)水閘下部都是軟基的，混凝土澆筑應(yīng)從兩岸往中部跳段推進(jìn)，如圖2 所示；對(duì)于只有河床中央局部軟基，兩岸的地基良好的閘室施工，可以從中部往兩岸推進(jìn)，但需在軟基邊界處留出一連最后施工，有利于變形協(xié)調(diào)，如圖2 所示；③在同一聯(lián)內(nèi)，應(yīng)先澆筑閘墩部位，后澆反拱底板。

圖2 水閘閘室施工順序Fig.2 Construction Sequence of Sluice Chamber

閘室和消力池之間施工要注意節(jié)奏搭接，一般先施工閘室底板，后施工消力池，再逐步上閘墩結(jié)構(gòu)。如果等全部閘墩做好后再開(kāi)挖消力池基礎(chǔ)，有可能會(huì)因閘室下部加載過(guò)快而導(dǎo)致消力池基礎(chǔ)隆起的現(xiàn)象，這時(shí)候?qū)﹂l室和消力池的施工質(zhì)量都很不利，因此，要保持閘室結(jié)構(gòu)和消力池施工的相對(duì)平衡。

閘室和岸墻（連接體）的施工順序，選擇不當(dāng)也會(huì)造成水閘局部下沉、開(kāi)裂或擠壓變形等現(xiàn)象［12］，一般應(yīng)先施工岸墻連接段，并及早填筑堤防（開(kāi)挖部分），然后再施工河床閘室段。岸墻連接段除了基礎(chǔ)埋深較大外，該部位還要回填土方，荷載較大，應(yīng)該先施工，讓它沉降一段時(shí)間后再施工相鄰的閘室，可以達(dá)到協(xié)同變形的目的，減少因不均勻沉降對(duì)水閘結(jié)構(gòu)的損害。

閘室段的施工應(yīng)采取跳塊施工的方式，同時(shí)要把與岸墻連接段相鄰的那一聯(lián)閘室放到最后施工，其余各聯(lián)跳塊施工也是減小不均勻沉降的辦法之一，可從兩岸向河床中跳塊推進(jìn)，此時(shí)，可根據(jù)先前施工的各連閘室沉降情況調(diào)節(jié)最后一聯(lián)的鋼筋和模板安裝尺寸，有利于閘室整體線條的平順。

岸墻背后回填土必須控制填筑速度和每層填筑厚度［13］，因填筑速度過(guò)快或一次填筑大厚都有可能導(dǎo)致岸滑移或傾斜，類似的工程案例也曾發(fā)生過(guò)［7］。因此，對(duì)于岸墻背填土，雖然施工技術(shù)不復(fù)雜，但千萬(wàn)不能掉以輕心，一定要有相應(yīng)的填筑方案，并嚴(yán)格按批準(zhǔn)的方案實(shí)施。

水閘施工縱剖面如圖3所示。

圖3 水閘施工縱剖面Fig.3 Longitudinal Section of Sluice Construction

5 結(jié)語(yǔ)

在沿海地區(qū)進(jìn)行水閘建造，為避免因地基沉降等原因而發(fā)生質(zhì)量安全問(wèn)題，施工時(shí)應(yīng)特別注意如下幾點(diǎn)：①圍堰可采用模袋砂圍堰，易于形成堰體，加快施工進(jìn)度；②地基及防滲處理要從材料、機(jī)械、環(huán)境、方法等方面選擇最合適的方案，同時(shí)應(yīng)特別注意閘室底板下端的回填灌漿和接觸灌漿，保證不因地基下沉導(dǎo)致底板下部“脫空”現(xiàn)象；③閘室各聯(lián)的施工順序跟水閘的沉降有密切的關(guān)系，因此，水閘結(jié)構(gòu)施工次序要選擇最有利于閘室穩(wěn)定的方案，確保施工質(zhì)量。