水利工程堤防水闸深基坑抢险方案研究
时间：2023-06-14 09:15:28 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
韩小萍
(南海区住房城乡建设和水利局， 广东 佛山 528000)
某水利工程堤防水闸为箱涵式排水闸，为提升该排水闸在即将到来的汛期的防洪排涝效果，工程单位需要在枯水期完成排水闸改造施工，然而在工期紧、排水闸施工质量难以评估等因素的影响下，导致在深基坑支护处理时无法直接应用预应力锚索、地下连续墙、全断面回填等处理方式，工程单位决定先通过临时抢险方案解决工期难题，从而利用空余时间完成永久稳定的二期抢险，相关处理措施对同类工程具有参考意义。
某排水闸工程属于某堤防加固重点工程，排水闸结构为穿堤箱涵式排水闸，为提升排水闸可靠性，工程单位拟修建达到3级建筑物的新排水闸，主要结构部分包括海漫、出口消力池、闸室、穿堤箱涵、进口护砌段等，水闸流量可达65 m3/s，长度为130 m，排水闸闸孔高度与宽度分别为4.5 m 和5.0 m，闸室底板具有18.36 m的高程；
消力池结构形式为混凝土扶壁挡土墙；
穿堤箱涵包括5节结构，分别为长度16 m的前三节，9 m的第四节以及10 m的第五节；
箱涵与水闸基础部位采取粉喷桩技术进行处理，尺寸参数为12.0 m桩长与0.5 m桩径，布置间距为1.0 m。排水闸区域的地层结构自下而上为上更系统的砾砂与中粗砂(冲积形成)、全新统的壤土(冲积形成)以及全新统的人工堆填土，各土层均为砂砾均为第四系；
闸基置于壤土层上方，混凝土与基土相互间具有0.25的摩擦系数，中粗砂层作为持力层，用于承载闸基，承载力特征值需保持在300 kPa。
临近排水闸新建工程的4号箱涵区域，设有一座高压电线塔，塔底高程为26.54 m，与原有排水闸渠道坡顶间隔距离较短，仅相距2.69 m，既有新建方案中要求将悬臂式混凝土挡墙布置于边坡部位。
排水闸新建工程开工之前，工程单位需要拆卸旧排水闸的渠道底板，基面高程为16.73 m。针对高压电线塔带来的影响，工程单位决定结合现场情况适当平移箱涵轴线。由于渠道建设范围有限，经测量发现，平移距离仅能达到2 m，在底板拆除时需要按照分段分区的方式进行处理，并根据拆除进度同步开展支护回填工作，避免对排水闸周边深基坑的平衡性造成影响。同时组织人员对关键点位进行定时观测，确保高压电线塔与排水闸墙体周边不会受到明显的扰动[1]。在现场施工阶段，多种因素的共同作用导致施工人员需要沿水流方向将旧排水闸渠道底板在只保留中心3 m范围中部底板的情况下，整体拆除底板，后续对关键点位进行观测得到数据结果如表1所示，结果表明，墙体出现少量位移，位移尺寸达到了厘米级[2]。
表1 观测位移变化速率统计情况 mm·h-1
经过分析发现，旧排水闸建设完成时的渠道挡墙并无失稳问题，后续建设完高压电线塔时，新填土等产生的载荷由排水闸渠道底板、两岸挡墙共同分摊，整体依然处于稳定状态，但与排水闸初始设计阶段的工况存在较大偏差[3]。在新建排水闸期间，由于底板被整体拆除，原本由排水闸渠道底板、两岸挡墙共同分摊载荷的平衡出现变化，导致挡墙完全承接了高压电线塔产生的新增载荷，最终引发深基坑位移问题，急需工程单位进行深基坑抢险处理。
3.1 一期临时应急抢险方案
针对排水闸重建期间引发的深基坑位移险情事件，工程单位通过现场调研与多方讨论共同确定了依靠钢结构支护作为临时处置措施阻止位移问题的一期方案，为后续的永久改造方案预留更多时间。在实际操作过程中，工程单位需要针对排水闸底板与电线塔挡墙之间进行处理，借助深度达4 m的深槽钢处理现有底板，布置间距为4 m，槽钢打设时需要确保底板严密抵靠；
在此基础上，施工人员需设置横向支撑，支撑部件为间隔5 m布置的D300 mm钢管，钢管布置期间需要将两端分别与底板槽钢焊接、与挡墙底板连接。待钢管布置完成后，施工人员需要将斜向支撑槽钢布置于各钢管断面处，布置期间需要将钢板锚固于旧挡墙部位，具体位置为间隔底板2 m的部位，并采取焊接法将斜撑与底板、钢板部位的槽钢连接。确认斜向与横向支撑结构稳固合格后，施工人员需根据方案要求开展填土覆盖与碾压处理工作，确保压实度相关参数符合设计要求[4]。为降低高压电线塔产生的应力载荷，工程单位需要按1 m深度对其周边地面进行挖坑，利用彩条布覆盖裸露地面，同时做好相关限速限载标准，避免车辆通行时产生扰动。
工程单位针对临时抢险处理后的深基坑位移情况进行观测，确认位移量有厘米级降低至毫米级，有效达成了控制位移的工作目标，为后续的永久抢险方案落实提供了充足时间。
3.2 二期永久抢险方案
临时应用的钢结构支护虽然解决了基坑墙体位移问题，在后续施工过程中，工程单位依然面临剩余排水闸渠道底板的拆除方法、渠道底板完全拆除后维持支持结构稳定性的方法、粉喷桩的施工时间节点与施工方法以及永久控制位移问题的支护方案等相关问题[5]。为确保相关问题得以解决，在汛期来临前建设稳定可靠的排水闸，工程单位对地下连续墙、锚索支护、预填土逐节施工三种方案进行了对比研究，具体如下：
针对地下连续墙施工方案，工程单位需要将一排地下连续墙布置于电线塔与墙体顶部之间，起到永久取代挡土墙进行支护的效果，虽然该方案能够直接拆除旧挡土墙并永久解决结构稳定性问题，但因施工空间狭窄，存在高压电线塔失稳等隐患风险，因此不适用于该工程。针对锚索支护施工方案，工程单位需要将2道预应力锚索布设于现有挡墙部位，利用套管分段钻进的方式将孔洞钻至底部基岩，将预应力锚索头部灌浆固定与基岩部位，借助锚索应力有效固定挡墙；
在实际操作时，由于基岩埋深较大，导致锚固难度大幅度增加，同时也导致锚索反向拉力大幅度提升，可能出现挡墙无法承受锚索应力的情况。针对预填土逐节施工方案，工程单位需要基于临时抢险方案对基坑按照20 m高程的标准进行回填土，并对底板拆除的部位应用粉喷桩，为提升施工下来并强化基础抗剪能力，粉喷桩施工期间需要将松木桩布置于间隙部位，避免粉喷桩达到设计强度之前出现异常情况；
对于固结的基坑，工程单位需要对4号箱涵底板部位开挖掏槽，将底板拆除并应用粉喷桩；
对于4号箱涵底板覆土开挖并进行浇筑处理，最终将临时抢险方案中的钢结构支护浇筑至箱涵结构内，此时则可以利用4号箱涵作为永久支护进行支撑，确保其他施工有序开展。
3.3 稳定性校核
为确保抢险方案的有效性，工程单位需对两期方案进行稳定性复核，在计算之前设置底板拆除引发险情、一期方案实施以及二期方案实施三种工况，针对不同工况进行抗倾覆、抗滑相关参数计算工作。第一种工况涉及的载荷主要包括墙后土压力、土重、墙体自重三种载荷；
第二种工况涉及的载荷包括第一种工况中的载荷，以及斜向、横向支撑提供的载荷；
第三种工况涉及的载荷包括第二种工况中的载荷，以及基坑内侧填土压力载荷。
通过现场地质勘察报告可以确认，挡墙后方碎石土力学参数为：φ=11.0°、c=25 kPa、21.9 kN/m3饱和容重以及19.6 kN/m3天然容重；
为计算抗滑稳定性，需按照下列公式(1)进行计算：
Kc=f∑W/∑P
(1)
式中：Kc为抗滑稳定系数；
f为摩擦系数，取0.25；
∑P为水平载荷，kN；
∑W为竖向载荷，kN。
为计算抗倾覆稳定性，需按照下列公式(2)进行计算：
K0=∑My/∑M0
(2)
式中：K0为抗倾覆稳定系数；
∑My为稳定力矩,kN·m；
∑M0为倾覆力矩，kN·m。
通过公式对各工况稳定性参数进行计算，得到数据结果如表2所示。
表2 各工况稳定性计算结果
表2数据结果表明，拆除底板后墙体的抗滑稳定性不达标，抗倾覆稳定性达标；
一期支护施工完成后，抗滑稳定性有所提升，有效改善了挡墙的受力情况，虽然未能达到判定标准，但却为二期支护施工预留了充足时间；
二期支护施工完成后，抗倾覆与抗滑稳定性均达标，表明深基坑险情得到有效处理。由此可见，通过临时钢结构支护提升深基坑抗滑稳定性，并利用预填土逐节施工方案永久解决支护难题的两期施工方案是可行的。
水利工程堤防排水闸对于区域内河道防洪排涝、灌溉、运输等具有重要作用，为确保排水闸功能的稳定发挥，工程单位需要定期针对排水闸进行状态检验工作，及时对存在缺陷问题的部位进行修复处理。本工程在排水闸重建施工过程中，因深基坑开挖期间出现险情事件，最终通过一期方案临时解决了原有排水闸底板拆除后引发的载荷失衡问题，为永久性支护施工预留了充足时间，并通过预填土逐节施工的方式为排水闸的重建工作建立了稳定可靠的支护体系，实现了对深基坑险情事件的有效治理。
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