新沭河三洋港枢纽海淤土地基高潮差挡土墙设计方案

陈高义 孙 勇 沈继华 杨 中 崔 飞

新沭河三洋港枢纽海淤土地基高潮差挡土墙设计方案

陈高义 孙 勇 沈继华 杨 中 崔 飞

一、工程概况

三洋港枢纽位于江苏省连云港市郊新沭河入海口，具有挡潮减淤、降低上游滩地糙率、改善排涝条件，以及利用河槽蓄水，为连云港市增加水源，改善交通条件，促进港口发展等多项功能。三洋港挡潮闸为该枢纽的主要建筑物，设计泄洪流量6400m3/s，共33孔，单孔净宽15m。枢纽工程静态总投资5.5亿元。

岸翼墙总体布置上游大体为圆弧形，下游为“八”字形。闸室底板高程-2.00m，消力池护坦-5.00m，上、下游翼墙顶高程根据泄洪、挡潮和正常蓄水等因素拟定为4.00m，上游翼墙净高为6.00m，下游翼墙净高为9.00m。岸墙顶高程考虑闸室和两岸的平顺连接拟定为8.00m，岸墙净高为10.00m。地基表层的海淤土层底平均高程约为-10.00m，普遍较厚。

连云港潮位起落频繁。根据现有潮位统计资料，最大涨潮潮差6.11m，最大落潮潮差5.93m，平均潮差3.48m。下游翼墙前水位跟随着海潮频繁地涨落，而墙后水位相对稳定在较高的水平。当墙前水位较高时，墙前、后水压力能够基本抵消，而当潮水落到较低位置时，则墙前、后水压力相差悬殊，使翼墙的设计条件相当恶劣。本工程取20年一遇低潮位作为最不利的设计工况，该水位为-3.35m。相比于下游翼墙，上游翼墙要相对好得多，墙前水位即河道的蓄水位，其中正常蓄水位2.00m，最低蓄水位0.50m，即使在低潮位泄洪时，通过工程控制运用措施，也可使墙前水位不低于1.00m。

对于墙后水位，根据地质勘察报告，勘探期间地下水位在2.5m～3.0m，表层地下水靠大气降水和人工虾塘补给，受季节和潮水位变动的影响而变化。在挡潮闸建成后，分析墙后地下水位将受闸上蓄水位、远处地下水位和潮水位变动的综合影响，最终应相对稳定在2.50m高程左右。

二、设计难点

一是工程场区建基面为海相淤泥和淤泥质土，地基条件差；二是墙后地下水位高，淤泥质土对墙背的侧压力大，墙前潮水位周期性涨落使得设计条件更为复杂，增加了岸翼墙的设计难度；三是场区适合填筑的土料匮乏，水质具有腐蚀性，对岸翼墙工程材料的选用和处理措施起到了一定的制约作用；四是设计方案要便于施工。因上述因素，使得海口工程具备了有别于其他水利工程的施工特点，最突出的是海淤土基坑的场内道路以及大型施工设备的工作面因软弱而易产生沉陷，致使施工难度加大，临时工程费用增加。故在进行永久工程设计时，要尽量考虑降低施工的难度。

一般就内陆的水闸而言，影响挡土墙的稳定比较敏感的因素有墙后墙前水位差、墙后水平土压力、挡土墙的宽高比等，而其中又以墙后墙前水位差为最，如水库水位骤降对泄洪闸翼墙的影响、内陆河道水位降落对水闸翼墙的影响。前者问题突出一些，通过合理的设计，采取一些措施，能够把墙后墙前水位差控制在1.5m以内。后者墙后墙前水位差一般更低，大多可以控制在0.5m以内，问题不是很突出。

三、设计方案

1.沉井基础方案

岸翼墙采用沉井基础，沉井刃脚插入较坚实的土层0.5m~1.0m，稳定分析时将沉井与墙身视作一体，相当于总墙高达15.2m。先按浅基础计算，墙后水、土压力非常大，按常规宽高比设计挡土墙，其稳定指标难以满足要求。再按深基础理论计算，依然达不到平衡。经过多次试算证实，当宽度足够大时，挡土墙能够达到稳定平衡，但宽高比过大，会使投资加大，施工复杂，工期延长，从经济和技术角度看都不太令人满意。

经研究后改进方案，拟对墙后的海淤土采用水泥土粉喷桩进行固化处理，上部回填土料也以水泥土代替。这相当于在挡土墙和沉井刚体后形成了“二级”墙体。设计时不仅计算一级墙体的稳定，同时要考虑二级墙体的稳定。但一、二级墙体之间的内力传递比较复杂，尤其是水压力难以确定。为了明确水压力，设计构思了一套“上堵下排、外堵内排”的防渗排水方案来解决，即将上下游翼墙、边闸室的沉井基础缝隙全部封堵形成半围封，再在下游翼墙后设置外包中细砂的加劲排水软管，将地下水集中引入空箱排出墙外。

岸翼墙沉井基础方案的优点是减少了墙后土方回填量，缓解了工程场区天然土料匮乏的局面；能够有效降低墙后填土的沉降和改善填土对挡土墙的边载和负摩擦影响；此外还可以利用水泥土的防渗作用，降低作用于墙背的水压力。

该方案的缺点：一是施工复杂且要求高。就岸翼墙而言，采用了较多的地基基础型式：沉井、灌注桩、截渗墙、水泥土搅拌桩和水泥土。计算模式上将墙后水泥土搅拌桩和水泥土视为刚体，故此对水泥土和搅拌桩的要求较高，而淤泥质土内搅拌桩的成桩效果往往难以控制。二是管理难度高。“上堵下排、外堵内排”是本方案岸翼墙的必要条件，对墙后水位控制严格，虽然预测超设计水位的机率很低，但毕竟需要管理部门理解设计意图并进行控制，加大了管理难度，也降低了可靠性。

2.换填水泥土地基方案

为解决方案一的问题，经进一步分析，大胆提出了岸翼墙地基大面积换填水泥土的方案，即将墙下的海淤土清至坚实粘土层，然后填筑水泥土。因换填量不大不足以解决问题，据计算换填范围接近50m×120m，最深处约8m。上游翼墙采用钢筋混凝土扶壁式，岸墙和下游翼墙采用钢筋混凝土空箱式，其墙后仍需回填一定量的水泥土以增加抗滑稳定性。

稳定分析时首先计算各段墙身工况的稳定，然后再按最不利工况复核墙身与墙后水泥土整体的稳定，最后再复核墙身、墙后水泥土、换填水泥土地基整体的稳定。为验证水泥土的指标，特地选取了滩地表层土进行了不同搀入比（8%、10%、12%）的压实试验（压实度0.94），其10%掺入比水泥土28d龄期无侧限抗压强度达到0.58M Pa。本方案充分利用水泥土良好的承载能力、抗剪和防渗性能，解决了软土地基挡土墙难以稳定的问题，使得结构布置和施工工艺简化。缺点是水泥土的填筑量、基坑的开挖和回填量都相当大。由于基坑开挖较深，施工降排水难度都较大，还会受到降雨天气的影响，同时对水泥土填筑质量的控制要求较高。

3.复合地基灌注桩基础方案

设计过程中发现，因桩侧海淤土过软不能提供足够的抗力，大直径灌注桩深基础方案不可行。如采用水泥土粉喷桩处理的方案，处理后的复合地基竖向承载力虽有很大提高，但水平承载力的改善非常有限。

基于此，考虑将灌注桩与粉喷桩两方案结合起来，使它们优势互补，扬长避短。利用粉喷桩造价低廉的特点，大面积地使用，增加海淤土的整体稳定性，从而保障地基能够有效地对灌注桩提供水平抗力，使得灌注桩的水平承载能力得到充分发挥。经分析计算，理论上证明这种方案上可行。要在工程中应用，还需要通过现场试验进行验证并取得相关的设计参数。

从技术上看，方案三既不用增加永久工程运行管理的负担，灌注桩和粉喷桩的施工又相对方便和灵活，大面积使用的粉喷桩还固化了基坑工作面，为施工创造了很好条件。从经济角度分析，以上3个方案直接投资大致相当，但方案三节省了临时工程量。又因其可以灵活安排，可以缩短工期，增加工作的弹性。因此，最终选定了方案三。

四、试验验证

由于钻孔灌注桩在淤泥土质特别是在复合地基中的水平承载能力的确定还缺乏可靠的依据和工程实例，业主和设计单位联合开展了“新沭河治理工程三洋港枢纽工程淤土地基灌注桩水平承载特性研究”的课题，并进行了现场试验，试验分为两组，一组测试原状地基灌注桩水平承载力，另一组测试经粉喷桩处理后的复合地基灌注桩水平承载力。研究结果表明，三洋港海淤土经粉喷桩处理后，灌注桩水平承载能力显著提高，提高幅度在20%～30%。根据现场桩基试验成果，经计算，将主要灌注桩直径由1.2m~1.5m优化至1.1m~1.2m，仅此一项，就节省工程投资约300万元。

三洋港枢纽岸、翼墙基础灌注桩及粉喷桩目前已施工完毕，根据现场工程桩静载试验结果，岸、翼墙灌注桩基础水平承载能力满足设计要求。

五、施工实施

三洋港挡潮闸因防渗等需要采用沉井基础。大型沉井的制作、下沉是一件非常繁杂的事情。首先必须将基坑开挖至建基面高程，然后施工单位在沉井上游修建了一条场内干道。因地基为海淤土，虽然路基采用了大量抛石，但在大型机械的碾压下还是不断地出现沉陷现象。

对比于闸室沉井的施工，岸翼墙的灌注桩和粉喷桩的施工要灵活得多。首先可以不必将基坑开挖到建基面高程就可以打桩，使工期安排具有弹性，而且基本不用考虑排水问题。桩施工完成后，将上覆土层清除即可进行上部岸翼墙的施工。同时粉喷桩对海淤土地基产生了固化作用，为上部结构提供了很好的工作面。

六、结语

稳定分析是三洋港枢纽挡潮闸岸翼墙设计的重中之重，墙前、墙后水头差较大和海淤土软弱地基是影响稳定的重要因素。

三洋港枢纽挡潮闸岸翼墙的设计以解决稳定问题为核心，同时考虑工程投资、施工难度和管理运行等因素，选择灌注桩与粉喷桩相结合的地基设计方案，较好地解决了设计难点。

在海淤土地基中设置粉喷桩，能增强地基的整体稳定性。经试验验证，对灌注桩的水平承载力还有一定的提高作用，本工程提高的幅度为20%～30%，此项成果对今后的类似工程有一定的参考意义。

海淤土复合地基灌注桩方案便于施工。灌注桩和粉喷桩施工工艺成熟，两种桩都可以先打桩后开挖基坑，使施工安排变得非常灵活，工期上有弹性。另外桩基还固化了基坑工作面，创造了较好的施工条件

中水淮河规划设计研究有限公司 233001）