邊荷載對(duì)水閘安全的影響及對(duì)策研究

黃岳文,陳小丹

(1.廣州市水務(wù)工程技術(shù)中心， 廣州 510640；2.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635)

1 概述

水閘邊荷載是指計(jì)算閘段的底板兩側(cè)的閘室或邊閘墩(岸墻)以及墩(墻)后回填土作用于地基上的荷載[1]。在實(shí)際工程中閘體結(jié)構(gòu)施工完成后，對(duì)其兩岸連接堤采用符合堤防填筑要求的土料直接進(jìn)行回填，是水閘設(shè)計(jì)中經(jīng)濟(jì)快速的處理方案。顯而易見(jiàn)，回填土所形成的邊荷載一般大于水閘結(jié)構(gòu)本身所形成的荷載，荷載不均勻，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致沉降不均勻，并使閘底板承受過(guò)大的附加應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使底板發(fā)生斷裂。

邊荷載對(duì)于水閘的影響主要為應(yīng)力和沉降兩方面。在知網(wǎng)上以“水閘邊荷載”進(jìn)行主題檢索，僅有31條檢索結(jié)果，其中大部分是研究邊荷載對(duì)閘室底板應(yīng)力的影響，只有6條跟沉降有關(guān)?？梢?jiàn)邊荷載對(duì)閘室底板應(yīng)力的影響研究相對(duì)較多，而邊荷載對(duì)水閘沉降的影響目前研究較少。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，邊荷載對(duì)底板應(yīng)力的影響，主要與地基土質(zhì)、地基可壓縮土層厚度、邊荷載大小及其作用位置以及邊荷載施加程序等因素有關(guān)，情況十分復(fù)雜，因此在工程設(shè)計(jì)中只能作一些原則性的考慮[1]。《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]7.5.5規(guī)定：采用彈性地基梁法，當(dāng)邊荷載使底板應(yīng)力增加時(shí)，則全部計(jì)及其影響(對(duì)于粘性土地基上的老閘加固，邊荷載的影響可適當(dāng)減小)；當(dāng)邊荷載使底板應(yīng)力減少時(shí)，粘性土地基不考慮其影響，砂性土地基僅考慮50%。計(jì)算采用的邊荷載作用范圍可根據(jù)基坑開(kāi)挖及墻后土料回填的實(shí)際情況研究確定，通?？刹捎脧椥缘鼗洪L(zhǎng)度的1倍或可壓縮層厚度的1.2倍。對(duì)于邊荷載引起的不均勻沉降問(wèn)題，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)定，但《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]5.3.9規(guī)定：當(dāng)存在相鄰荷載時(shí)，應(yīng)計(jì)算相鄰荷載引起的地基變形，其值可按應(yīng)力疊加原理，采用角點(diǎn)法計(jì)算。

在實(shí)際工程中由于水閘邊荷載對(duì)于高壓縮性地基沉降的影響常被設(shè)計(jì)者忽視，以致工程建成后出現(xiàn)岸墻的沉降大于閘室、邊孔閘室的沉降大于中孔、閘室的沉降大于上下游護(hù)坦等差異沉降現(xiàn)象。不均勻沉降產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：① 閘室縫墩張開(kāi)，與上游防滲板和下游護(hù)坦的接縫錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致止水片斷裂失效; ② 閘室傾斜，導(dǎo)致閘門(mén)封水不密而漏水，阻力增加，閘門(mén)啟閉不靈活。對(duì)于弧形閘門(mén)尤為不利，支座鉸軸磨損，支臂的次應(yīng)力增加，甚至扭曲;③ 閘室的梁、板構(gòu)件(包括胸墻、橋梁、底板等)由于支座的相對(duì)變位(相鄰閘墩的沉降差)而出現(xiàn)裂縫;④ 上游防滲板和下游護(hù)坦因閘室和翼墻的沉降影響而開(kāi)裂(由于護(hù)坦的強(qiáng)度設(shè)計(jì)未考慮邊荷載的影響及配筋不足而引起,這種裂縫的延伸一般平行于閘室或翼墻的邊緣線);⑤ 邊墻在墻后填土作用下，常常由于墻后的地基沉降大于墻前，不僅不前傾，反而后仰,這種由于邊荷載所造成的工程缺陷在很多已建的水閘均有不同程度的體現(xiàn)。因此,有必要對(duì)邊荷載特別是閘室兩側(cè)連接堤對(duì)水閘安全的影響進(jìn)行研究，分析原因，提出有針對(duì)性的對(duì)策。

2 水閘不均勻沉降原因分析

基礎(chǔ)沉降有均勻沉降和不均勻沉降(差異沉降)兩類(lèi)，一般均勻沉降對(duì)建筑物的危害不大，而不均勻沉降對(duì)建筑物有較大危害，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生裂縫、傾斜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及其安全。影響水閘不均勻沉降的主要因素是地基土質(zhì)和邊荷載。

2.1 地基土質(zhì)的影響

影響水閘不均勻沉降的地質(zhì)因素主要包括地基可壓縮土層的均勻性、厚度和壓縮模量(壓縮系數(shù))。在閘址選擇時(shí)設(shè)計(jì)者會(huì)盡量避開(kāi)那些明顯不均勻的地基。但天然地基的形態(tài)是復(fù)雜多變的，即使地層性質(zhì)相同，但在微觀上如含水量、密實(shí)度、孔隙比等往往是不均勻的，由此產(chǎn)生的不均勻沉降是在所難免的。此外，地基可壓縮土層厚度越大，水閘總體沉降量越大，差異沉降也將隨之增大。當(dāng)?shù)鼗鶋嚎s模量很大時(shí)(如堅(jiān)硬粘土、密實(shí)砂土等)，在荷載作用下的沉降量很小，邊荷載對(duì)水閘不均勻沉降的影響也很小，一般不會(huì)導(dǎo)致水閘造成缺陷或隱患。對(duì)于一般的土質(zhì)地基，由于兩岸連接堤對(duì)地基土的作用荷載大于水閘結(jié)構(gòu)對(duì)地基土的荷載，連接堤的沉降量明顯大于閘室。當(dāng)?shù)鼗翞檐浾惩?，連接堤填土高度較大時(shí)，地基土可能發(fā)生往水閘底板中間的塑性流動(dòng)。據(jù)喬萬(wàn)霞等[4]介紹，皖河閘在邊荷載作用下閘室建成初期不沉降反而上升，后期才逐漸沉降，10 a后仍沒(méi)有沉降到原位，在此期間水閘上部結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)裂縫。

2.2 邊荷載的影響

相鄰荷載產(chǎn)生附加應(yīng)力擴(kuò)散時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力疊加，將引起地基的附加沉降。對(duì)于不均勻沉降的發(fā)生，通常人們對(duì)地基土質(zhì)因素較為關(guān)注，而對(duì)邊荷載的影響則有所忽視。例如，閘室兩側(cè)連接堤對(duì)地基土的作用荷載大于閘室，閘室的荷載大于上、下游護(hù)坦，相互間必然產(chǎn)生不均勻沉降，但卻常常被忽視而造成過(guò)大的不均勻沉降而引起水閘缺陷。在連接堤荷載作用下，閘室兩端將產(chǎn)生附加沉降，在邊墩與堤接觸面最大，向底板中間點(diǎn)逐漸變小，邊墩有向外變形的趨勢(shì)。由此導(dǎo)致底板應(yīng)力調(diào)整，中部彎矩增大，從而產(chǎn)生裂縫，高連全[5]介紹的水閘底板裂縫原因大多如此。羅居劍[6]分析了某水閘變形的原因，發(fā)現(xiàn)岸邊超載是是導(dǎo)致閘門(mén)無(wú)法正常啟閉的主要原因。交通橋與閘墩整體澆筑可增加水閘整體性，改善水閘底板應(yīng)力，此時(shí)交通橋受水平拉力，設(shè)計(jì)考慮不周容易出現(xiàn)裂縫。

王滿興等[7]采用有限元計(jì)算邊荷載對(duì)某水閘地基沉降、邊墩位移和填土土壓力的影響，發(fā)現(xiàn)在不施加邊荷載的情況下，地基基本上均勻沉降；施加邊荷載后，受邊荷載作用的影響，沉降分布變?yōu)檫叾仗幾畲?，底板中間部位最?。贿吅奢d所引起的閘底板地基沉降兩端大、中間小，邊孔不均勻沉降差較大；雖然受到土壓力作用，邊墩仍然發(fā)生了向填土側(cè)的傾斜。顯然，邊荷載越大，作用位置越近，地基越軟弱，則影響越大。

3 降低邊荷載不利影響的工程措施及存在的問(wèn)題

工程設(shè)計(jì)常用的降低邊荷載不利影響的工程措施主要是對(duì)地基進(jìn)行處理提高地基強(qiáng)度以減小沉降量和使閘室段對(duì)地基的荷載與兩側(cè)邊荷載相差盡量小(對(duì)邊荷載進(jìn)行減載)。

3.1 地基處理考慮不周導(dǎo)致水閘存在安全隱患

在軟土地基上建閘，通常會(huì)對(duì)地基土進(jìn)行處理。早期的水閘建設(shè)受到當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的限制，地基處理主要是采用浮運(yùn)閘、換砂墊層和木樁基礎(chǔ)等技術(shù)；而且往往僅重視水閘本身的地基處理，對(duì)水閘與堤防之間連接段的地基處理重視不夠，在閘兩側(cè)填土荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，對(duì)水閘產(chǎn)生不利影響，從而引起各種安全隱患。燒香河北閘位于連云港市板橋鎮(zhèn)燒香河入海口，舊閘1973年建成，為7孔，每孔凈寬為6 m，底板為3塊分縫鋼筋混凝土平底板，厚為 1.7 m?；A(chǔ)為2.5 m厚的換填砂，其下為14 m厚的淤泥。水閘兩側(cè)填土高度超過(guò)8 m，建成后不均勻沉降一直持續(xù)，影響水閘的正常運(yùn)行。1979年采取閘室兩側(cè)做引橋減載，沉降速度有所減緩；1992年進(jìn)行第2次減載，不均勻沉降仍繼續(xù)發(fā)展[8]。到2003年舊閘拆除重建時(shí)兩邊孔閘門(mén)槽傾斜15°，閘門(mén)已無(wú)法關(guān)閉到位[9]。

梁民陽(yáng)等[10]針對(duì)浙東海塘1 261座水閘安全普查成果，分析了241座閘(其中3類(lèi)167座、4類(lèi)74座)的病害成因，認(rèn)為深厚軟基是造成水閘病害的主要原因。其中因地基處理設(shè)計(jì)不到位，導(dǎo)致閘室及上部建筑傾斜或結(jié)構(gòu)變形過(guò)大不能正常使用的(4類(lèi)閘)有17座，占病險(xiǎn)水閘的7%；閘室或上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂產(chǎn)生破壞但還能使用的(3類(lèi)閘)有41座，占病險(xiǎn)水閘的17%。還有34座水閘地基產(chǎn)生滲透破壞，占病險(xiǎn)水閘的14%，其中部分閘堤交接處或閘室與上下游連接段基礎(chǔ)不均勻沉降過(guò)大導(dǎo)致刺墻斷裂或止水拉裂，出現(xiàn)閘基滲透或側(cè)向繞滲破壞，表現(xiàn)為內(nèi)河側(cè)滲流出逸處有渾水出現(xiàn)，閘兩側(cè)堤身出現(xiàn)跌窩等。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件逐漸得到改善，軟土地基水閘多采用樁基礎(chǔ)處理，樁基礎(chǔ)在提高地基承載力、減少沉降量方面作用顯著，但在實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)樁基水閘存在一些問(wèn)題。

3.2 樁基水閘可能出現(xiàn)的問(wèn)題

3.2.1樁基礎(chǔ)水閘容易出現(xiàn)底板脫空現(xiàn)象

軟土樁基施工會(huì)引起超孔隙水壓力。當(dāng)超孔隙水壓力消散，土層將產(chǎn)生再固結(jié)，有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生新的地面沉降，容易出現(xiàn)樁基底板脫空產(chǎn)生滲流破壞等工程事故。李向陽(yáng)[11]介紹了珠三角地區(qū)某擋潮閘管涌事故：水閘和翼墻均采用Ф500 mm管樁基礎(chǔ)，樁底入風(fēng)化巖1 m；根據(jù)水閘管涌出現(xiàn)位置可估計(jì)水閘底板及翼墻與地基土層間出現(xiàn)淘空區(qū),并形成滲漏通道；探地雷達(dá)檢測(cè)也揭示閘底板和翼墻與基礎(chǔ)接觸面均出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

樁基水閘兩岸連接堤多采用攪拌樁或塑料排水板處理基礎(chǔ)，這就導(dǎo)致連接段一側(cè)的水閘是剛性基礎(chǔ)，地基承載力較大，沉降量較??；堤防一側(cè)是柔性基礎(chǔ)，地基承載力較小，工后沉降量較大且沉降期較長(zhǎng)，二者產(chǎn)生較大的沉降差。此時(shí)，樁基水閘除了地基土固結(jié)沉降可能導(dǎo)致底板脫空外，在水閘兩側(cè)回填土邊荷載作用下，下部軟土層將發(fā)生較大沉降，帶動(dòng)臨近底板基土一起下沉，將會(huì)引起閘室邊墩基底軟土層沉降與閘底板脫空，在閘底形成集中滲漏通道，給水閘留下安全隱患[12]。例如佛山市樵桑聯(lián)圍的丹灶鎮(zhèn)荷村水閘采用的是預(yù)制管樁，在廣東省“1998.6”洪水期間，水閘屹立未倒，但由于水閘兩側(cè)及基底發(fā)生管涌，導(dǎo)致水閘兩側(cè)堤防潰堤[13]，決口總長(zhǎng)93 m，造成 153 km2面積受淹，直接經(jīng)濟(jì)損失23.1億元。再如廣東省“2005.6”洪水期間，江門(mén)市兩座同樣采用管樁基礎(chǔ)的小型水閘，由于閘室底板脫空形成集中滲漏通道出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情，因發(fā)現(xiàn)及時(shí)和搶險(xiǎn)措施有效，才沒(méi)有造成大的損失[13]。

3.2.2摩擦樁基礎(chǔ)對(duì)負(fù)摩阻力估計(jì)不足導(dǎo)致不均勻沉降

理論上采用摩擦樁基礎(chǔ)使樁間軟土始終處于受壓狀態(tài)，可防止樁基底板與固結(jié)后的軟土脫開(kāi)形成滲漏通道。但對(duì)于樁底持力層不是基巖的摩擦樁，當(dāng)樁穿越軟弱土層進(jìn)入相對(duì)較硬土層時(shí)，在邊荷載作用下將導(dǎo)致樁周土固結(jié)沉降；在樁周土層產(chǎn)生的沉降超過(guò)樁的沉降引起樁側(cè)負(fù)摩阻力時(shí)，樁身承載力將降低，而樁身承載力的降低將導(dǎo)致出現(xiàn)較大的樁基沉降。

山東黃河打漁張引黃新閘于1981年修建于老閘下游44 m處，設(shè)計(jì)為開(kāi)敞式水閘，共6孔，每孔凈寬為 6 m，為了減少填土邊荷載的不利影響，在閘室兩側(cè)設(shè)空箱岸墻(寬8.15 m)和減載孔(寬6.8 m)，總寬為 71.9 m，水閘底板、空箱岸墻和減載孔刺墻下布設(shè)樁徑0.85 m的灌注樁，平均樁長(zhǎng)為13.8 m，最長(zhǎng)為20 m。地基土層從上往下依次為：厚10～13 m的軟塑狀砂壤土；厚1～3.4 m的中等壓縮性粘土；厚1～2.6 m的壤土；厚3.4～4.4 m的粉砂；厚2.2～4.4 m的粉質(zhì)壤土；未揭穿的砂壤土。到2008年6月水閘累計(jì)沉降量為：右岸刺墻427 mm，岸墻232 mm；左岸刺墻422 mm，岸墻330 mm；沉降值由中間向兩側(cè)逐漸增大；沿水流方向的沉降量上游比下游大；最小沉降值225 mm位于閘室中間閘墩下游測(cè)點(diǎn)。因不均勻沉降過(guò)大引起上下游止水破壞，該閘2009年安全鑒定為四類(lèi)閘，需拆除重建。杜瑞香等[14]對(duì)該閘樁基沉降原因進(jìn)行分析，認(rèn)為是邊荷載作用產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力，引起樁基較大沉降。打漁張引黃新閘兩岸新建大堤及壩頭填土高10.0～16.5 m，設(shè)計(jì)雖然采取了空箱岸墻和減載孔等減載措施，但由于減載范圍較小(相對(duì)于新填土高度和面積而言)，樁基設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮樁側(cè)負(fù)摩阻力影響，樁長(zhǎng)偏短。

3.2.3填土側(cè)壓力使樁基受彎破壞

樁的垂直向承載力比較大，而受彎承載力則較差。特別是在軟土地區(qū)，由于軟土的側(cè)壓力系數(shù)很大，因開(kāi)挖或回填土對(duì)樁產(chǎn)生的側(cè)壓力很大，容易出現(xiàn)樁受側(cè)向力彎曲破壞的情況。樁基礎(chǔ)涵閘在兩側(cè)填土?xí)r，填土下軟土?xí)?duì)涵閘樁基產(chǎn)生較大的側(cè)壓力，也可能使樁基受彎折斷。1985年10月，4孔總寬為16 m的廣東北江大堤劉寨水閘在舊閘上游約70 m處重建，采用Ф480 mm錘擊沉管灌注樁基礎(chǔ)，建基面以下分別為約4 m淤泥質(zhì)壤土、5 m淤泥質(zhì)中細(xì)砂、6 m淤泥質(zhì)壤土、砂卵石層和全風(fēng)化砂巖，樁支承于砂卵石層。1986年3月中旬新堤填土高約15 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)箱涵結(jié)構(gòu)縫錯(cuò)動(dòng)和基礎(chǔ)不均勻沉降，各節(jié)箱涵出現(xiàn)橫向和縱向裂縫[15]。分析認(rèn)為，在兩側(cè)近15 m的填土荷載作用下，擠壓地基軟土產(chǎn)生的側(cè)向壓力將基樁擠斷，造成水閘沉降事故[16]。

3.3 空箱岸墻地基不均勻沉降

空箱岸墻作為閘堤連接段地基的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，可減小作用在水閘邊墩上的土壓力；根據(jù)地基特性，在空箱中充水或填土來(lái)調(diào)整地基應(yīng)力，使其基底的平均荷載強(qiáng)度盡可能接近閘室基底的平均荷載強(qiáng)度，可減少不均勻沉降。關(guān)淑萍等[17]基于三維有限元分析軟件ANSYS，建立了考慮閘室、岸墻、地基相互作用的三維有限元整體模型，分別對(duì)岸墻為空箱結(jié)構(gòu)和水泥土結(jié)構(gòu)兩種不同方案的框架式閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析研究后，認(rèn)為空箱岸墻方案在閘室和回填荷載之間有空箱作為過(guò)渡段，使邊荷載對(duì)閘室的影響明顯改善。王躍武等[18]介紹了空箱岸墻(高10 m)在七和水電站水閘連接段的應(yīng)用情況；許正松等[19]介紹了空箱岸墻(高17.4 m)在城西湖退水閘的應(yīng)用情況。據(jù)介紹，空箱岸墻在兩閘的應(yīng)用情況良好。

當(dāng)水閘連接空箱建在土質(zhì)條件較好的地基上時(shí)，確實(shí)能達(dá)到其減小作用在水閘邊墩上的土壓力以及抑制水閘與堤防之間不均勻沉降的目的。而對(duì)于建在深厚軟土地基上的水閘連接空箱則往往會(huì)發(fā)生傾斜等現(xiàn)象，造成水閘邊側(cè)空箱與閘室之間的結(jié)構(gòu)縫較大程度的張開(kāi)，對(duì)水閘外形及水閘止水均造成了不同程度的破壞。這主要是空箱在連接堤填土荷載作用下產(chǎn)生不均勻沉降引起的。據(jù)謝志毅等[20]介紹，聯(lián)勝新碶水閘凈寬為20 m ( 5孔× 4 m)，閘室為整體開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，采用與邊墩分離的空箱式岸墻。水閘建在軟土地基上，對(duì)閘底板、空箱、翼墻、鋪蓋等均采用Φ800 mm鉆孔灌注樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理。水閘自2009年8月1日開(kāi)始施工，兩側(cè)海堤也同時(shí)施工，至2010年7月1日啟閉房開(kāi)始施工時(shí)，空箱岸墻與邊墩之間的裂縫頂端已達(dá)5 cm，并有增大趨勢(shì)。水平止水和垂直止水均已拉斷，且下游翼墻與邊墩接口處滲水。據(jù)雷云貴等[21]介紹，廣州增城某水閘重建工程，閘室采用換填砂基礎(chǔ)處理，閘室兩岸設(shè)減壓箱，新水閘于2001年建成并投入運(yùn)行，但由于水閘減壓箱地基發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致其上部樓梯間結(jié)構(gòu)傾斜拉裂破壞，在減壓箱與水閘邊墩之間出現(xiàn)漏水通道，影響水閘的正常運(yùn)行管理。

4 設(shè)置攪拌樁隔離墻減小邊荷載對(duì)水閘工程不利影響

對(duì)軟土地基上涵閘基礎(chǔ)的處理一直是涵閘工程的難題。水閘軟基處理不僅是閘基問(wèn)題，還要考慮閘室與兩側(cè)連接堤的整體性及沉降變形的協(xié)調(diào)和過(guò)渡問(wèn)題。理論上由于兩側(cè)連接堤的荷載大于水閘，在采用地基處理方法提高地基土變形模量以減小地基沉降差時(shí)連接堤的地基處理要求應(yīng)高于水閘，或采用深基礎(chǔ)將邊荷載傳遞到地基深處。但通常由于節(jié)約投資等原因，設(shè)計(jì)主要對(duì)水閘閘室、翼墻等建筑物地基進(jìn)行處理，甚至采用剛性樁基礎(chǔ)以嚴(yán)格控制建筑物沉降量；而閘堤連接段由于處在水閘基礎(chǔ)范圍以外，設(shè)計(jì)對(duì)其要求有所放松。這就導(dǎo)致水閘沉降量較小，連接堤的沉降量較大，兩者存在明顯沉降差。從隔離邊荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力的傳遞和切斷地基變形連續(xù)性考慮，可在相鄰建筑物或建筑物與堆載之間設(shè)置隔離結(jié)構(gòu)，阻斷附加應(yīng)力向被影響建筑物的傳遞，迫使附加應(yīng)力通過(guò)隔離結(jié)構(gòu)傳遞到下部持力層中，隔斷地基土中變形的傳遞，從而達(dá)到降低邊荷載對(duì)建筑物累積沉降和差異沉降影響的目的。

4.1 隔離墻在高速公路擴(kuò)建工程中的應(yīng)用研究

軟土地基上的高速公路擴(kuò)建，新建路堤將以邊荷載形式引起已建路堤的附加沉降，與新路堤越近的附加沉降量越大。因此必須對(duì)軟基進(jìn)行處理，以避免出現(xiàn)過(guò)大的差異沉降導(dǎo)致路面開(kāi)裂。在新老路堤之間地基設(shè)置隔離墻是一種有效的處理方案[22]。為了避免新建路基沉降對(duì)運(yùn)行中的滬寧高速路基產(chǎn)生不良影響，在錫澄高速與滬寧高速拼接段設(shè)計(jì)中采用高壓噴射注漿擺噴形成水泥土隔離墻技術(shù)。蘇超等[22]對(duì)此進(jìn)行數(shù)值分析，分析結(jié)果表明：拼接段路堤將使得原有路堤沉降量增大，甚至超過(guò)允許工后沉降量；采用水泥土隔離墻可有效減小錫澄高速對(duì)滬寧高速的附加沉降量，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明設(shè)計(jì)是成功的。

楊濤等[23]的研究表明，隔離墻的設(shè)置減小地基土的水平位移和豎向附加應(yīng)力，具有隔離位移和應(yīng)力的雙重功效；對(duì)于直接拓寬路面的高速公路擴(kuò)建工程的軟土地基，在新舊填土之間設(shè)置攪拌樁隔離墻，可顯著減小新老路基的沉降。章定文等[24]采用二維彈塑性有限單元法分析了采用深層攪拌樁隔離墻處理某繞城公路擴(kuò)建部分軟基的適宜性，分析結(jié)果表明深層攪拌樁隔離墻對(duì)新老路基的豎向沉降改善作用明顯。章定文等[24]還分析了隔離墻剛度和厚度對(duì)隔離效果的影響，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)墻體彈性模量E較小時(shí)，E越大效果越好，但當(dāng)E達(dá)到臨界值(100～200 MPa)以后，E繼續(xù)增大對(duì)隔離墻的效果影響不大；隔離墻厚度增大有利于改善隔離效果，但改善幅度不大，而且隨著墻體彈性模量E的增大，墻體厚度變化對(duì)隔離效果的影響減小。因此建議：綜合考慮作用效果和深層攪拌樁施工質(zhì)量的可行性，認(rèn)為攪拌樁隔離墻彈性模量以 200 MPa控制為宜；綜合考慮作用效果和工程造價(jià)等因素，認(rèn)為在保證墻體剛度前提下，單排攪拌樁隔離墻是合適的。

4.2 深層攪拌樁格柵狀布置處理閘基

由前面介紹可知，攪拌樁隔離墻可有效減小邊荷載引起的附加沉降。垂直水流方向的攪拌樁隔離墻還具有豎直防滲作用。此外，工程實(shí)踐表明，深層攪拌樁格柵狀布置在抵抗側(cè)向力方面優(yōu)于柱狀布置，而且限制了格柵內(nèi)淤泥土的側(cè)向擠出，對(duì)減少沉降和防止地震液化作用明顯。因此，采用深層攪拌樁格柵狀布置處理閘基是一種較好的選擇。下面介紹深層攪拌樁在廣州水閘地基處理中的應(yīng)用案例。

寡涌舊閘建于2001年，凈寬為6 m，閘底設(shè)計(jì)高程為-2.5 m，采用浮運(yùn)閘施工方法，基礎(chǔ)換填2 m厚中粗砂。2003年12月11日凌晨因蕉前路施工堆載使得水閘發(fā)生明顯傾斜，影響閘門(mén)使用，需重建。寡涌新閘凈寬為6 m，閘室長(zhǎng)為12 m，設(shè)計(jì)底高程為-2.0 m，出水通過(guò)緊鄰的蕉前路箱涵流向蕉門(mén)水道。水閘兩側(cè)各布置一長(zhǎng)10 m、寬6.7 m的減壓箱，右側(cè)減壓箱兼做控制室用，因內(nèi)河設(shè)計(jì)高水位為0.8 m，減壓箱底板高程與翼墻頂高程為1.2 m。

地層從上到下依次為：① 淤泥層：流塑狀，飽和，平均含水量63.3%，層間夾薄層的中粗砂和貝殼碎屑，層底高程在-17.41～-17.68 m之間；② 中粗砂層：稍密，層間夾少量淤泥和貝殼碎屑，標(biāo)貫N=4～6擊，厚度約為10 m，中間夾一厚0.3～0.4 m的粘土夾層；③ 淤泥層：厚約3 m；④ 粘土層：軟塑狀，厚約0.5 m；⑤ 中細(xì)砂層：稍密～中密，厚約0.4 m；⑥ 全風(fēng)化花崗巖，厚度4～5 m；⑦ 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。設(shè)計(jì)采用攪拌樁處理基礎(chǔ)，樁徑55 cm，樁底高程為-18.50 m，水泥采用PO42.5R，每延米樁長(zhǎng)水泥用量60 kg(水灰比為0.45～0.5)，要求樁身28 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa,水閘和減壓箱攪拌樁采用格柵狀布置(見(jiàn)圖1)。深層攪拌樁格柵狀布置有效隔斷相臨區(qū)段因地質(zhì)差異、淤泥層厚度差異及荷載差異而產(chǎn)生的相互影響，減少了差異沉降；緊鄰水閘的蕉前路箱涵由于基礎(chǔ)樁被破壞，沉降量明顯大于閘室(近4個(gè)月的施工期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)箱涵臨近閘室兩測(cè)點(diǎn)沉降量分別為429 mm和402 mm，相臨兩閘室測(cè)點(diǎn)沉降量分別為58 mm和62 mm)，但對(duì)閘室影響不大，閘室的沉降還是比較均勻[25]。兩側(cè)減壓箱沉降也比較均勻，水閘從2005年5月完建以來(lái)運(yùn)行良好。

圖1 寡涌水閘地基處理設(shè)計(jì)示意[25](單位：m)

寡涌水閘是廣州南沙區(qū)第一個(gè)采用深層攪拌樁地基處理的水閘工程，此后南沙區(qū)的水閘地基處理大多選用攪拌樁。2006年，南沙區(qū)萬(wàn)頃沙圍重建一批擋潮閘，水閘均設(shè)計(jì)為3孔，中孔寬為8 m，兩邊孔寬為 6 m，閘底高程為-2.80 m，中墩厚為1.5 m，邊墩厚為1 m，閘室兩側(cè)連接堤設(shè)計(jì)堤頂高程為5.0 m，堤頂路寬為8 m，兼做防汛道路。水閘地基土層為第四系沖淤積層，淤泥及淤泥質(zhì)粘土層厚度普遍在20 m以上。設(shè)計(jì)采用樁徑550 mm的水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理。閘室基底四周和中墩下部設(shè)置雙排水泥攪拌樁，格柵內(nèi)部的攪拌樁為等邊三角形布置，樁距為 1 m。閘室兩側(cè)連接堤攪拌樁處理則采用等邊三角形散體柱狀布置。為了減小連接堤沉降量，設(shè)計(jì)大多在水閘邊墩兩側(cè)連接堤設(shè)置混凝土減壓空箱，但其中十四涌西水閘和十七涌西水閘兩側(cè)連接堤采用在混凝土路面下部埋設(shè)EPS填料減載[26]。2016年10月11日工程回訪，從管理人員處了解到，這一批擋潮閘完工以來(lái)，運(yùn)行良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫和滲漏水現(xiàn)象，經(jīng)受住了0814號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”高潮位的考驗(yàn)(附近萬(wàn)頃沙西潮位站錄得200a一遇潮位2.78 m)。但管理人員也反映，連接堤沉降量較大。從現(xiàn)場(chǎng)可看到連接堤與水閘存在明顯沉降差，十七涌西水閘邊墩接觸面處沉降差達(dá)130 mm。這與閘室地基攪拌樁處理采用雙排格柵布置連接堤攪拌樁處理則采用等邊三角形散體柱狀布置，而連接堤荷載大于閘室荷載有關(guān)。顯然，設(shè)計(jì)可以通過(guò)增加地基處理費(fèi)用進(jìn)一步減小連接堤沉降量。

4.3 隔離墻在樁基水閘中的應(yīng)用

珠三角地區(qū)的樁基水閘為了防止底板脫空形成滲漏通道，常用的配套措施有[12]：① 在閘室基底四周設(shè)鋼板樁或連排水泥攪拌樁等進(jìn)行圍封；② 閘底板預(yù)留灌漿孔定期灌漿；③ 閘室兩側(cè)連接堤地基進(jìn)行復(fù)合地基加固以提高堤基承載力，減小沉降。在廣東省已建成運(yùn)行的樁基水閘中，配套采用了上述配合措施的水閘到目前為止均沒(méi)有出現(xiàn)安全問(wèn)題。

廣州南沙區(qū)蕉門(mén)河蕉東閘橋是水閘與交通橋相結(jié)合布置。水閘底高程為-4.0 m，為鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，底板厚為2 m，共3孔，中孔與邊孔間設(shè)縫墩，中孔墩厚為2.1 m，邊孔墩厚為2 m，中孔通航孔凈寬為 30 m；兩邊孔凈寬各為15 m。上部交通橋，為城市次干道Ⅰ級(jí)，橋面為連續(xù)箱梁及空心板結(jié)構(gòu)。外江防200年一遇洪潮，水位為2.54 m，外江堤頂高程為4.0 m。根據(jù)鉆孔揭露，場(chǎng)地第四系覆蓋層較厚，上部主要為淤泥、淤泥質(zhì)中砂層，中部主要為粉質(zhì)粘土和砂土層、砂質(zhì)粘性土層等，下部主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)花崗片麻巖。閘室和橋墩橋臺(tái)采用灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁徑為Φ1200 mm，以強(qiáng)風(fēng)化層為持力層，平均樁長(zhǎng)為37 m。兩岸翼墻及兩端引道采用水泥攪拌樁基礎(chǔ)。為防止底板脫空形成滲漏通道，在閘室基底四周設(shè)置雙排水泥攪拌樁(樁徑Φ550 mm，樁間搭接寬度為10 cm)進(jìn)行圍封；由于擔(dān)心在邊荷載及攪拌樁自重作用下隔離墻與水閘底板脫離，在隔離墻頂部設(shè)200 mm混凝土樁帽與水閘底板之間設(shè)置止水。為降低邊荷載的不利影響，在閘室兩側(cè)各設(shè)置一跨徑為20.23 m的引橋，內(nèi)河設(shè)計(jì)高水位為1.0 m，水閘翼墻頂高程設(shè)計(jì)為1.3 m，因此引橋下均回填至1.3 m高程，此時(shí)邊墩部分擋土，在橋縱軸線處設(shè)置一底板寬3 m墻厚0.5 m垂直于邊墩的刺墻以直接擋水。為了減小邊荷載對(duì)樁基的側(cè)向力，水閘邊墩兩側(cè)也采用Φ550 mm攪拌樁進(jìn)行處理，攪拌樁樁正方形布置，間距為1.2 m，底高程均為 -15 m。同時(shí)在水閘底板預(yù)留灌漿孔。水閘建成10多年來(lái)運(yùn)行良好，從未進(jìn)行過(guò)閘底灌漿，邊墩與刺墻和翼墻沒(méi)有看到明顯差異沉降，結(jié)構(gòu)縫間止水帶完好。

5 結(jié)論與建議

1) 邊荷載是影響水閘安全的一個(gè)重要因素，但通常設(shè)計(jì)者只注意到邊荷載對(duì)閘室底板應(yīng)力的影響，而忽視其對(duì)結(jié)構(gòu)在高壓縮性地基沉降的影響，從而給水閘帶來(lái)安全隱患。

2) 調(diào)查發(fā)現(xiàn)在深厚軟基采用浮運(yùn)閘、換砂墊層和木樁基礎(chǔ)等傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法有效減小邊荷載不利影響，是造成水閘病害的主要原因；而在深厚軟基水閘采用樁基礎(chǔ)則可能出現(xiàn)以下問(wèn)題：端承樁基礎(chǔ)容易出現(xiàn)底板脫空現(xiàn)象，摩擦樁基礎(chǔ)可能出現(xiàn)不均勻沉降，填土側(cè)壓力可能使樁基受彎破壞。而對(duì)于建在深厚軟土地基上的水閘連接空箱往往也會(huì)發(fā)生傾斜等現(xiàn)象。

3) 研究表明攪拌樁隔離墻可有效減小邊荷載引起的附加沉降，而隔離墻在高速公路擴(kuò)建工程中和幾個(gè)水閘工程的應(yīng)用也均取得不錯(cuò)的效果，因此建議設(shè)計(jì)在考慮降低邊荷載不利影響的工程措施時(shí)要重視攪拌樁隔離墻的作用。