水利工程堤防水閘深基坑搶險(xiǎn)方案研究

韓小萍

(南海區(qū)住房城鄉(xiāng)建設(shè)和水利局， 廣東 佛山 528000)

某水利工程堤防水閘為箱涵式排水閘，為提升該排水閘在即將到來的汛期的防洪排澇效果，工程單位需要在枯水期完成排水閘改造施工，然而在工期緊、排水閘施工質(zhì)量難以評(píng)估等因素的影響下，導(dǎo)致在深基坑支護(hù)處理時(shí)無法直接應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索、地下連續(xù)墻、全斷面回填等處理方式，工程單位決定先通過臨時(shí)搶險(xiǎn)方案解決工期難題，從而利用空余時(shí)間完成永久穩(wěn)定的二期搶險(xiǎn)，相關(guān)處理措施對(duì)同類工程具有參考意義。

1 水利堤防排水閘工程概況

某排水閘工程屬于某堤防加固重點(diǎn)工程，排水閘結(jié)構(gòu)為穿堤箱涵式排水閘，為提升排水閘可靠性，工程單位擬修建達(dá)到3級(jí)建筑物的新排水閘，主要結(jié)構(gòu)部分包括海漫、出口消力池、閘室、穿堤箱涵、進(jìn)口護(hù)砌段等，水閘流量可達(dá)65 m3/s，長(zhǎng)度為130 m，排水閘閘孔高度與寬度分別為4.5 m 和5.0 m，閘室底板具有18.36 m的高程；消力池結(jié)構(gòu)形式為混凝土扶壁擋土墻；穿堤箱涵包括5節(jié)結(jié)構(gòu)，分別為長(zhǎng)度16 m的前三節(jié)，9 m的第四節(jié)以及10 m的第五節(jié)；箱涵與水閘基礎(chǔ)部位采取粉噴樁技術(shù)進(jìn)行處理，尺寸參數(shù)為12.0 m樁長(zhǎng)與0.5 m樁徑，布置間距為1.0 m。排水閘區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)自下而上為上更系統(tǒng)的礫砂與中粗砂(沖積形成)、全新統(tǒng)的壤土(沖積形成)以及全新統(tǒng)的人工堆填土，各土層均為砂礫均為第四系；閘基置于壤土層上方，混凝土與基土相互間具有0.25的摩擦系數(shù)，中粗砂層作為持力層，用于承載閘基，承載力特征值需保持在300 kPa。

臨近排水閘新建工程的4號(hào)箱涵區(qū)域，設(shè)有一座高壓電線塔，塔底高程為26.54 m，與原有排水閘渠道坡頂間隔距離較短，僅相距2.69 m，既有新建方案中要求將懸臂式混凝土擋墻布置于邊坡部位。

2 深基坑施工期間的險(xiǎn)情分析

排水閘新建工程開工之前，工程單位需要拆卸舊排水閘的渠道底板，基面高程為16.73 m。針對(duì)高壓電線塔帶來的影響，工程單位決定結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)平移箱涵軸線。由于渠道建設(shè)范圍有限，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，平移距離僅能達(dá)到2 m，在底板拆除時(shí)需要按照分段分區(qū)的方式進(jìn)行處理，并根據(jù)拆除進(jìn)度同步開展支護(hù)回填工作，避免對(duì)排水閘周邊深基坑的平衡性造成影響。同時(shí)組織人員對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行定時(shí)觀測(cè)，確保高壓電線塔與排水閘墻體周邊不會(huì)受到明顯的擾動(dòng)[1]。在現(xiàn)場(chǎng)施工階段，多種因素的共同作用導(dǎo)致施工人員需要沿水流方向?qū)⑴f排水閘渠道底板在只保留中心3 m范圍中部底板的情況下，整體拆除底板，后續(xù)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行觀測(cè)得到數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，墻體出現(xiàn)少量位移，位移尺寸達(dá)到了厘米級(jí)[2]。

表1 觀測(cè)位移變化速率統(tǒng)計(jì)情況 mm·h-1

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，舊排水閘建設(shè)完成時(shí)的渠道擋墻并無失穩(wěn)問題，后續(xù)建設(shè)完高壓電線塔時(shí)，新填土等產(chǎn)生的載荷由排水閘渠道底板、兩岸擋墻共同分?jǐn)?，整體依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，但與排水閘初始設(shè)計(jì)階段的工況存在較大偏差[3]。在新建排水閘期間，由于底板被整體拆除，原本由排水閘渠道底板、兩岸擋墻共同分?jǐn)傒d荷的平衡出現(xiàn)變化，導(dǎo)致?lián)鯄ν耆薪恿烁邏弘娋€塔產(chǎn)生的新增載荷，最終引發(fā)深基坑位移問題，急需工程單位進(jìn)行深基坑搶險(xiǎn)處理。

3 深基坑搶險(xiǎn)處置方案

3.1 一期臨時(shí)應(yīng)急搶險(xiǎn)方案

針對(duì)排水閘重建期間引發(fā)的深基坑位移險(xiǎn)情事件，工程單位通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與多方討論共同確定了依靠鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)作為臨時(shí)處置措施阻止位移問題的一期方案，為后續(xù)的永久改造方案預(yù)留更多時(shí)間。在實(shí)際操作過程中，工程單位需要針對(duì)排水閘底板與電線塔擋墻之間進(jìn)行處理，借助深度達(dá)4 m的深槽鋼處理現(xiàn)有底板，布置間距為4 m，槽鋼打設(shè)時(shí)需要確保底板嚴(yán)密抵靠；在此基礎(chǔ)上，施工人員需設(shè)置橫向支撐，支撐部件為間隔5 m布置的D300 mm鋼管，鋼管布置期間需要將兩端分別與底板槽鋼焊接、與擋墻底板連接。待鋼管布置完成后，施工人員需要將斜向支撐槽鋼布置于各鋼管斷面處，布置期間需要將鋼板錨固于舊擋墻部位，具體位置為間隔底板2 m的部位，并采取焊接法將斜撐與底板、鋼板部位的槽鋼連接。確認(rèn)斜向與橫向支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)固合格后，施工人員需根據(jù)方案要求開展填土覆蓋與碾壓處理工作，確保壓實(shí)度相關(guān)參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求[4]。為降低高壓電線塔產(chǎn)生的應(yīng)力載荷，工程單位需要按1 m深度對(duì)其周邊地面進(jìn)行挖坑，利用彩條布覆蓋裸露地面，同時(shí)做好相關(guān)限速限載標(biāo)準(zhǔn)，避免車輛通行時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)。

工程單位針對(duì)臨時(shí)搶險(xiǎn)處理后的深基坑位移情況進(jìn)行觀測(cè)，確認(rèn)位移量有厘米級(jí)降低至毫米級(jí)，有效達(dá)成了控制位移的工作目標(biāo)，為后續(xù)的永久搶險(xiǎn)方案落實(shí)提供了充足時(shí)間。

3.2 二期永久搶險(xiǎn)方案

臨時(shí)應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)雖然解決了基坑墻體位移問題，在后續(xù)施工過程中，工程單位依然面臨剩余排水閘渠道底板的拆除方法、渠道底板完全拆除后維持支持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法、粉噴樁的施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)與施工方法以及永久控制位移問題的支護(hù)方案等相關(guān)問題[5]。為確保相關(guān)問題得以解決，在汛期來臨前建設(shè)穩(wěn)定可靠的排水閘，工程單位對(duì)地下連續(xù)墻、錨索支護(hù)、預(yù)填土逐節(jié)施工三種方案進(jìn)行了對(duì)比研究，具體如下：

針對(duì)地下連續(xù)墻施工方案，工程單位需要將一排地下連續(xù)墻布置于電線塔與墻體頂部之間，起到永久取代擋土墻進(jìn)行支護(hù)的效果，雖然該方案能夠直接拆除舊擋土墻并永久解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，但因施工空間狹窄，存在高壓電線塔失穩(wěn)等隱患風(fēng)險(xiǎn)，因此不適用于該工程。針對(duì)錨索支護(hù)施工方案，工程單位需要將2道預(yù)應(yīng)力錨索布設(shè)于現(xiàn)有擋墻部位，利用套管分段鉆進(jìn)的方式將孔洞鉆至底部基巖，將預(yù)應(yīng)力錨索頭部灌漿固定與基巖部位，借助錨索應(yīng)力有效固定擋墻；在實(shí)際操作時(shí)，由于基巖埋深較大，導(dǎo)致錨固難度大幅度增加，同時(shí)也導(dǎo)致錨索反向拉力大幅度提升，可能出現(xiàn)擋墻無法承受錨索應(yīng)力的情況。針對(duì)預(yù)填土逐節(jié)施工方案，工程單位需要基于臨時(shí)搶險(xiǎn)方案對(duì)基坑按照20 m高程的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行回填土，并對(duì)底板拆除的部位應(yīng)用粉噴樁，為提升施工下來并強(qiáng)化基礎(chǔ)抗剪能力，粉噴樁施工期間需要將松木樁布置于間隙部位，避免粉噴樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前出現(xiàn)異常情況；對(duì)于固結(jié)的基坑，工程單位需要對(duì)4號(hào)箱涵底板部位開挖掏槽，將底板拆除并應(yīng)用粉噴樁；對(duì)于4號(hào)箱涵底板覆土開挖并進(jìn)行澆筑處理，最終將臨時(shí)搶險(xiǎn)方案中的鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)澆筑至箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)，此時(shí)則可以利用4號(hào)箱涵作為永久支護(hù)進(jìn)行支撐，確保其他施工有序開展。

3.3 穩(wěn)定性校核

為確保搶險(xiǎn)方案的有效性，工程單位需對(duì)兩期方案進(jìn)行穩(wěn)定性復(fù)核，在計(jì)算之前設(shè)置底板拆除引發(fā)險(xiǎn)情、一期方案實(shí)施以及二期方案實(shí)施三種工況，針對(duì)不同工況進(jìn)行抗傾覆、抗滑相關(guān)參數(shù)計(jì)算工作。第一種工況涉及的載荷主要包括墻后土壓力、土重、墻體自重三種載荷；第二種工況涉及的載荷包括第一種工況中的載荷，以及斜向、橫向支撐提供的載荷；第三種工況涉及的載荷包括第二種工況中的載荷，以及基坑內(nèi)側(cè)填土壓力載荷。

通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察報(bào)告可以確認(rèn)，擋墻后方碎石土力學(xué)參數(shù)為：φ=11.0°、c=25 kPa、21.9 kN/m3飽和容重以及19.6 kN/m3天然容重；為計(jì)算抗滑穩(wěn)定性，需按照下列公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

Kc=f∑W/∑P

(1)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定系數(shù)；f為摩擦系數(shù)，取0.25；∑P為水平載荷，kN；∑W為豎向載荷，kN。

為計(jì)算抗傾覆穩(wěn)定性，需按照下列公式(2)進(jìn)行計(jì)算：

K0=∑My/∑M0

(2)

式中：K0為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；∑My為穩(wěn)定力矩,kN·m；∑M0為傾覆力矩，kN·m。

通過公式對(duì)各工況穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 各工況穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表2數(shù)據(jù)結(jié)果表明，拆除底板后墻體的抗滑穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)，抗傾覆穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)；一期支護(hù)施工完成后，抗滑穩(wěn)定性有所提升，有效改善了擋墻的受力情況，雖然未能達(dá)到判定標(biāo)準(zhǔn)，但卻為二期支護(hù)施工預(yù)留了充足時(shí)間；二期支護(hù)施工完成后，抗傾覆與抗滑穩(wěn)定性均達(dá)標(biāo)，表明深基坑險(xiǎn)情得到有效處理。由此可見，通過臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)提升深基坑抗滑穩(wěn)定性，并利用預(yù)填土逐節(jié)施工方案永久解決支護(hù)難題的兩期施工方案是可行的。

4 結(jié) 論

水利工程堤防排水閘對(duì)于區(qū)域內(nèi)河道防洪排澇、灌溉、運(yùn)輸?shù)染哂兄匾饔?，為確保排水閘功能的穩(wěn)定發(fā)揮，工程單位需要定期針對(duì)排水閘進(jìn)行狀態(tài)檢驗(yàn)工作，及時(shí)對(duì)存在缺陷問題的部位進(jìn)行修復(fù)處理。本工程在排水閘重建施工過程中，因深基坑開挖期間出現(xiàn)險(xiǎn)情事件，最終通過一期方案臨時(shí)解決了原有排水閘底板拆除后引發(fā)的載荷失衡問題，為永久性支護(hù)施工預(yù)留了充足時(shí)間，并通過預(yù)填土逐節(jié)施工的方式為排水閘的重建工作建立了穩(wěn)定可靠的支護(hù)體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深基坑險(xiǎn)情事件的有效治理。