秦淮河船閘擴容改造工程圍堰設計方案優(yōu)化

丁 躍，張友利，唐云清，王玉波

(1.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3.江蘇科興工程建設監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210029）

秦淮河船閘擴容改造工程圍堰設計方案優(yōu)化

丁 躍1，張友利2，3，唐云清2，3，王玉波3

(1.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；3.江蘇科興工程建設監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210029）

秦淮河船閘擴容改造工程圍堰地基具有強滲透性特點，故圍堰必須具有較強的防滲能力，才能保證船閘主體進行干地施工。原圍堰結構設計方案為：上游圍堰采用土工織物袋雙棱體結構；下游圍堰迎水面采用雙排鋼板樁中間回填黏性土直立式結構，背水面采用回填黏性土斜坡式結構，經對“充填砂袋+防滲帷幕”、“黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺”及“黏土填筑+防滲帷幕+鋼板樁”三種圍堰結構設計方案進行比選優(yōu)化，最終確定采用“黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺”的結構形式，保證了圍堰結構安全和防洪進度，并取得了明顯的經濟效益。

秦淮河；船閘；強滲透性；圍堰方案；設計優(yōu)化

秦淮河船閘位于江蘇省南京市秦淮河航道新河段下游，距入江口約2 km，是溝通長江干線和南京內河航道的唯一通江口門船閘，也是南京市水上交通的重要基礎設施。該船閘按Ⅳ級船閘設計，設計最大船舶噸級為500 t(兼顧1 000 t），船閘尺度為165 m×18 m×4 m(閘室長×口門寬×檻上水深），上、下游主導航墻直線投影長度為45 m，輔導航墻直線投影長度為30 m，上、下游引航道護坦30 m。船閘擴容改造工程土建施工項目施工工期為24個月，需要在主體工程施工期間上、下游設置圍堰［1］。船閘勘察區(qū)深度60.0 m以淺均為第四系全新統(tǒng)土層，其巖性及分布特征如下：1-2層(Q4）：層頂標高-3.19～3.90 m，最大層底埋深13.5 m，層厚0.8～7.8 m，為灰色淤泥質黏土，流塑夾粉砂薄層，高孔隙比、高壓縮性，設計厚度取值為2.6 m；1-4層(Q4）：粉砂，部分為粉土層，灰色、飽和、稍密，具中偏低～中等壓縮性，部分夾極薄層粉質黏土，層厚1.5～4.2 m，設計厚度取值為3.8 m；2-1層(Q4）：粉砂，灰色，飽和，中密為主，中偏低～中等壓縮性，部分夾極薄層粉質黏土，為勘察區(qū)淺部主要含水層，層頂面標高約-8.20～-5.34 m，層厚12.0～16.0 m。

圍堰位于1-2層的中軟土層，該層土性為軟黏土，局部為淤泥質黏土，強度低，土性差。經抽水試驗結果表明，2-1粉砂層水平滲透系數(shù)［2］K=8.0 m/d(1.0×10-2cm/s），影響半徑R=92.0 m?，F(xiàn)場實際抽水試驗表明2-1粉砂層實測滲透系數(shù)為7.25 m/d。滲流穩(wěn)定驗算表明，基坑滲流量高達38 396 m3/d。比較類似船閘項目(如江蘇省泰州口岸船閘、南京劃子河船閘地基滲透系數(shù)等級亦為10-2cm/s）及一般船閘項目(如南京楊家灣船閘、南京下壩船閘地基滲透系數(shù)等級為10-5cm/s）結果表明秦淮河船閘的基礎具有較強的滲透性［3］。

1 方案比選

1.1 原設計方案

(1）上游圍堰 原設計方案采用土工織物袋雙棱體斷面，底角采用沙袋反濾護角(見圖1）。由于圍堰基礎為3～5 m深淤泥層，主要技術問題有：①土工織物充填袋裝沙棱體的堤身穩(wěn)定性差，在設計高水位工況下，兩側棱體不滿足堤身穩(wěn)定要求；②若清除基礎淤泥，不僅施工難度大、費用高，而且淤泥層下的細沙層透水性極強，內側滲流量大，極易出現(xiàn)管涌而影響圍堰安全性；③土工織物充填袋裝沙棱體為兩側坡比設計不一致，內側為1：1，外側為1：3，棱體施工為水下拋填施工，施工周期長；④施工兩側棱體時，在兩側設計低水位和中間堤身斷面回填的最不利荷載組合下，棱體整體抗滑穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求，且可操作性較差，無法形成設計斷面。

圖1 上游圍堰原設計圖(單位：長度mm，其他m）Fig.1 Original design chart of upper cofferdam(units：length in mm，others in m）

(2）下游圍堰 下游圍堰迎水面采用雙排鋼板樁中間回填黏性土直立式結構，背水面采用回填黏性土斜坡式堤心斷面結構(見圖2）。存在的主要技術問題有：①迎水面直立式鋼板樁施工需水上沉樁施工，鋼板樁沿板樁墻軸線方向易產生平面扭曲，鎖扣發(fā)生脫榫而導致?lián)跛щy，給后期圍堰施工造成困難，甚至后期無法施工；②鋼板樁入土深度不夠，鋼板樁樁頂標高為+6.00 m，底標高為-14.0 m，泥面標高為-4.1 m，入土深度僅為9.9 m，而上部懸臂為10.1 m。經計算表明，鋼板樁后回填土施工工況條件下的鋼板樁抗彎拉強度不滿足要求；后期斜坡式堤身回填時的最不利荷載組合工況下，直立式鋼板樁結構整體抗滑不能滿足規(guī)范要求；③斷面結構形式對施工工期要求高，需要在枯水位期間施工，且有清淤要求，施工期間清淤難度較大、費用高、周期較長；另外還需對背水面進行二次清淤。經復核計算表明，在設計高水位與墻后清淤挖泥最不利荷載組合條件下，直立式鋼板樁臨時圍堰整體抗傾覆穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求。

經對上游圍堰和下游圍堰復核分析表明，原有設計方案存在結構整體穩(wěn)定性不足，抗?jié)B穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性差等缺點，因此需要優(yōu)化設計方案。

1.2 方案比選

圖2 下游圍堰原設計圖(單位：高程m，其他mm）Fig.2 Original design chart of lower cofferdam(units：elevation in m，others in mm）

圍堰施工是船閘安全施工的前提，原設計方案僅供參考，有必要進一步優(yōu)化設計［4］，在確保圍堰安全穩(wěn)定基礎上，有效控制施工成本，優(yōu)化比選圍堰設計方案［5］。

(1）充填砂袋+防滲帷幕 充填砂袋式圍堰［6］曾在泰州口岸船閘應用，優(yōu)點是圍堰填筑就地取材(河底吸砂）充填模袋方式，施工成本較低，但由于本工程河床底部為3 m厚淤泥層，實際施工時較難采取吸砂工藝，實施難度較大。

(2）黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺 素土填筑為傳統(tǒng)結構形式［7］，優(yōu)點是施工工藝簡單，施工質量較易控制，但由于本工程圍堰體積較大，土源組織難度大。

(3）黏土填筑+防滲帷幕+鋼板樁 該方案是在原設計方案基礎上調整而成，但存在與原方案類似問題：如施工難度大、施工質量控制難和施工成本較高［8］等缺點。

經技術和經濟分析，初步選定黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺作為優(yōu)化方案。

2 設計方案優(yōu)化

根據(jù)防洪規(guī)劃，上游圍堰按Ⅱ級防洪標準設置，下游圍堰按Ⅰ級防洪大堤標準設置。

2.1 方案優(yōu)化

2.1.1上游圍堰 優(yōu)化后的上游圍堰方案，距離上游靠船墩約50 m，該處河床最深處高程為1.5 m，堰體總高度為9.5 m，總長約160 m，呈一字形，在河床處底寬約110 m，頂寬5 m(見圖3）。一級圍堰填筑高程為1.5～9.0 m，頂寬23 m，迎水面與背水面坡比均為1：5，二級圍堰填筑高程為9.0～11.0 m，底寬為17 m。由于堰底淤泥黏土層厚達5 m，因此僅在南、北兩側老駁岸與圍堰連接處采用水泥攪拌樁防滲帷幕墻，設置于一級圍堰頂軸線上。反壓平臺設置于背水面坡腳位置，利用老閘拆除的石渣及混凝土塊反壓；為方便圍堰水下拆除，迎水面采用砂袋護腳，二級平臺及其以上坡面采用模袋混凝土防護至坡頂。

圖3 上游圍堰設計優(yōu)化結構圖(單位：長度mm，其他m）Fig.3 Optimized design chart of upper cofferdam(unit：length in mm，others in m）

2.1.2 下游圍堰 下游圍堰平均高度為12.1 m，總長約165 m，底寬102.5 m，在6.0 m處設置平臺，頂寬8 m(見圖4）。采用黏土填筑+防滲帷幕墻+反壓平臺結構，其中在迎水面?zhèn)?.0 m處平臺上圍堰全范圍設置防滲帷幕墻與基坑南北側的防滲帷幕墻相連接，反壓平臺則設置于背水面坡腳位置。由于北側防洪大堤與閘管所的南側混凝土路面存在1.8 m高差，考慮堰頂設有臨時道路縱向需與南北側防洪堤順接，從北側12.0 m高程放坡至南側混凝土路面10.2 m高程。

為確保道路交通及防汛安全，在下游圍堰頂?shù)缆放R水面?zhèn)龋秶鲈O了隔離防洪墻，南側與閘管所防洪墻相接，墻頂高程為12.0 m，北側與防洪堤頂?shù)姆篮閴Ω叱?12.7 m）一致，形成全封閉，保證下游圍堰的防洪標準。在背水面?zhèn)仍O置了40 cm高的防撞安全墻。

圖4 下游圍堰設計優(yōu)化(單位：長度mm，高程m）Fig.4 Optimized design chart of lower cofferdam(unit：length in mm，elevation in m）

2.2 上游圍堰整體心定和沉降分析

2.2.1計算條件和參數(shù) 計算參照圍堰實際施工流程，根據(jù)施工組織設計總體施工流程［9］為：①施工第一級堰體，標高為9.0 m；②圍堰內抽水，施工反壓平臺，圍堰施工沙袋護腳；③施工第二級堰體，標高為11.0 m。

圍堰整體穩(wěn)定計算分5種工況，分別為：①工況1，堰體內外邊坡的穩(wěn)定性工況，即現(xiàn)時水位7.5 m時，1級堰體填筑完畢；②工況2，堰內抽水完畢時1級堰體內外邊坡的穩(wěn)定性工況，即堰外水位為7.5 m時，1級堰體內抽水完畢，堰內施工反壓平臺，堰外施工沙袋護腳；③工況3，整個堰體內外邊坡的穩(wěn)定性工況：2級堰體填筑完畢，堰外常水位為7.5 m時，堰內無水；④工況4，整個堰體內外邊坡的穩(wěn)定工況，2級堰體填筑完畢，堰外洪水位為10.17 m時，堰內無水；⑤工況5，堰體外邊坡(迎水面）的工況，即堰外水位由10.17 m降至7.5 m。

堤壩及地基土層主要力學參數(shù)取值見表1。

表1 土層主要力學參數(shù)取值Tab.1 Main mechanical parameters of soil foundation

2.2.2計算結果與分析

(1）整體穩(wěn)定驗算 根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》50286-2013，整體穩(wěn)定采用總應力法和瑞典條分法［10］，計算結果表明上游圍堰迎水面最小安全系數(shù)為1.517，背水面最小安全系數(shù)為1.151，均達到規(guī)范要求的五級堤防安全系數(shù)1.10。

(2）沉降計算 沉降計算考慮實際施工過程，即一級堰體填土60 d，第2級堰體填土15 d，計算基準期為2年，地基總沉降計算方法為經驗系數(shù)法，主固結沉降計算方法為e-p曲線法。圍堰設計頂高度為11.0 m，堰頂寬度為5.0 m，竣工后上游側工作水位高為10.17 m，基坑工作水位高為1.5 m，竣工后經過60 d注水到工作水位。結果表明一級堰體填土60 d后的圍堰沉降達0.892 m，第2級堰體填土15 d后的累積沉降為1.058 m，計算基準期2年的累積沉降為1.166 m。

2.3 下游圍堰整體心定和沉降分析

2.3.1計算條件和參數(shù) 下游圍堰施工流程為：首先施工1級堰體，然后施工沙袋護腳，施工水泥攪拌樁，堰內抽水施工反壓平臺；最后施工2級堰體至設計標高。

圍堰整體穩(wěn)定計算工況分4種：①工況1，堰體內外邊坡的穩(wěn)定工況，即在現(xiàn)時水位3.8 m時，1級堰體填筑完畢；②工況2，為在圍堰和反壓平臺間抽水清淤時1級堰體內外邊坡的穩(wěn)定性，1級堰體內抽水完畢，堰內施工反壓平臺，堰外施工沙袋護腳，施工水泥攪拌樁；③工況3，整個堰體內外邊坡的穩(wěn)定性；④工況4，堰體外邊坡(迎水面）穩(wěn)定性工況，即堰外水位由11.07 m降至2.5 m。堤壩及地基土層主要力學參數(shù)取值見表1。

2.3.2計算結果與分析

(1）整體穩(wěn)定驗算 整體穩(wěn)定采用總應力法和瑞典條分法，計算結果表明下游圍堰迎水面最小安全系數(shù)為1.34，背水面最小安全系數(shù)為1.209，均達到規(guī)范要求的長江1級堤防安全系數(shù)1.20。

(2）沉降計算 沉降計算考慮實際施工過程，堤身施工期為90 d，計算基準期為2年，地基總沉降計算方法為經驗系數(shù)法，主固結沉降計算方法為e-p曲線法。下游圍堰設計高度為13.5 m，設計頂寬為8.0 m，竣工后左側工作水位高為11.07 m，右側工作水位高為-1.0 m，竣工后經過60 d注水到工作水位，荷載施加級數(shù)為2級，第1級加荷(60 d）后的沉降為0.671 m，第2級加荷(90 d）后的累積沉降為1.142 m，基準期結束時的累積沉降為1.168 m。

3 運行效果與檢驗

圍堰方案經優(yōu)化后的技術經濟比較見表2，與原方案相比，節(jié)約成本約256.8萬元，減少施工工期約12 d。為確保及時掌握圍堰的安全狀況，對圍堰沉降、水平位移等實施觀測，在上、下游圍堰頂部中心以及非臨水側上下相鄰兩級邊坡交接的馬道上沿軸線方向分別布設3個表面變形觀測點。結果表明，上游圍堰沉降量分別為198，318和389 mm，下游圍堰沉降量分別為254，170和190 mm，沉降量小于計算值，表明圍堰優(yōu)化方案達到設計預期目標值。同時圍堰在2012年汛期經受長江汛期考驗，通過日常巡查和專業(yè)監(jiān)測，圍堰結構穩(wěn)定，未出現(xiàn)大量滲水、滑移及坍塌等現(xiàn)象。

表2 工程經濟效益Tab.2 Economic benefits analysis results

4 結 語

圍堰是船閘安全施工前提，本文針對強滲透性地基的特點，通過對“充填砂袋+防滲帷幕”方案、“黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺”方案及“黏土填筑+防滲帷幕+鋼板樁”方案進行比選，采用優(yōu)化的“黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺”方案，船閘施工和圍堰觀測表明：

(1）上、下游圍堰沉降量遠小于計算值，優(yōu)化方案達到設計預期目標。經受了長江2012年汛期考驗，日常巡查和專業(yè)監(jiān)測，圍堰結構穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯結構破壞等現(xiàn)象。

(2）優(yōu)化方案不僅減少了圍堰施工量、節(jié)約工期，而且取得了顯著的經濟效益，可為類似地質條件下的圍堰方案優(yōu)化提供參考。

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Cofferdam design optimization for modification work of Qinhuai River shiplock

DING Yue1，ZHANG You-li2，3，TANG Yun-qing2，3，WANG Yu-bo3
(1.Jiangsu Proυince Huai-Shu NeW Canal Administratiυe Office，Huaian 223005，China；2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China；3.Jiangsu Kexing Engineering Construction Superυision Co.，Ltd.，Nanjing 210029，China）

Owing to the strong permeability of the cofferdam foundation in the expansion and modification project of the Qinhuai River shiplock，the cofferdam foundation must have a good anti-seepage capacity to ensure that the main body of the shiplock is under construction on a dry site.There were some problems in the original design proposals for the cofferdam structure，and hence it is necessary to further optimize the design schemes.After making the comparison and optimization of three kinds of the cofferdam structure design schemes：“filling sand bags +impervious curtain，clay filling+impervious curtain+backpressure platforms and clay filling+impervious curtain+steel sheet pile”，a final design scheme“clay filling+impervious curtain+backpressure platforms”has been adopted，thus ensuring the safety of the cofferdam structure and flood control progress，and having significant economic benefits.All of those may provide a useful reference for the design of the cofferdam structure with similar geological conditions.

Qinhuai River；shiplock；strong permeability；scheme of cofferdam；design optimization

TU753.6+2 文獻標心碼：A

1009-640X(2014）03-0092-06

2013-11-11

丁 躍(1974-），男，江蘇淮安人，工程師，主要從事水利工程建設管理研究。E-mail：610467022@qq.com