南京市三汊河口闸水工建筑物设计特点

张志强 黄颖蕾

三汊河口闸位于江苏省南京市外秦淮河东支流三汊河入长江口门处,是南京市外秦淮河环境整治的关键工程。其功能一是抬高外秦淮河水位,改善城市水环境和城市形象;二是通过非汛期过流改善秦淮河水质;三是在汛期视内外河水位差以及降雨情况,在允许条件下开闸泄洪;无航运功能。水闸平行水流方向布置,采用双孔护镜钢闸门,共2孔,单孔净宽40m,总净宽80m,闸室总宽97 m,长37 m。允许闸顶过流。

三汊河口闸工程等级为二等2级。正常蓄水时闸顶过流30m3/s;非汛期闸顶过流80m3/s;汛期开闸泄洪能力为600m3/s。

闸址选择余地小,闸址地质条件差,总体景观要求高,是三汊河口闸的设计难点;因此水工建筑物设计采用了具有针对性的方案,实现了工程的各项功能。

1 水工建筑物设计特点

1.1 闸址选择

闸址区域位于新三汊河大桥与河口之间的三汊河道上,长度约450m。闸址的选择主要受左岸居民小区 (民佳园)的限制。

根据地质、地形条件及闸室水力学分析,最佳闸址位于民佳园正对的河段,但存在的最大问题是施工期间对该小区的安全影响。根据闸址分析,闸室基坑开挖放坡的上口线已侵入到临河侧第1排居民楼的基础下。由于该处为深厚的软土地基,水闸深基坑的开挖将改变原楼房地基处理时的边界条件,尤其是临河侧土体抗力体将大幅度减小,而在楼房竖向荷载作用下,楼房基础将发生向河道临空面方向的变位和不均匀沉陷,严重危及到居民楼的安全和居民的正常生活。由于闸室宽达97 m,若采用深基坑支护,施工将非常困难,并且难以完全消除对居民楼的安全隐患;另一方面,由于为确保居民楼安全采取的工程措施很复杂,不但造价高昂,而且将占用大量关键工期,影响主体工程的施工。

基于上述原因,经多方案比较,最终将闸址向长江侧移位90m,完全避开了民佳园。根据地质资料,该闸址河道的基础地质条件越靠近河口越差,因此新闸址在施工开挖过程中,左岸发生了大面积边坡滑坡位移,后经顶部减载、加设马道、底部打入木桩等措施后,限制了边坡滑移,保证了基坑安全,同时也证明闸址避开居民区,向河口侧移位是非常必要的。

水闸建成后,事实证明该调整后的闸址与周围的环境协调一致,实现了城市水利既满足工程要求,又体现人文水利、环境水利的目标,闸址选定是合理的。水闸平面布置见图1。

图1 三汊河口闸布置示意图

1.2 深厚软基基础处理

1.2.1 地质条件

三汊河口闸坐落在南京市城西长江漫滩软土地基上,根据有关地质资料统计[1],该区域软土系现代沉积物,在单一的土自重应力作用下形成的一种缓慢堆积形成的欠固结土,该软土的前期所承受的固结压力较低,原始结构连接强度低,无弹性变形。

根据地质资料,场地地貌单元简单,属长江河床漫滩。场地地层主要为第四纪松散堆积层,底部为中风化砂岩。地震基本烈度为7度。闸室建基于②层淤泥质粉质粘土上,闸底板范围内平均深度24.05m,标贯击数小于4,压缩系数0.608mP,天然含水量37.2%,天然孔隙比1.078,液性指数1.18,塑性指数13.7,压缩模量3.51MPa,地基承载力特征值为65 kPa,属于强度低的高压缩性土,地质参数见表1。

表1 闸址处工程地质参数

经计算,天然地基不能满足闸室上部结构对地基的强度和变形要求,因此需要进行地基处理,解决3个问题:提高地基承载力、满足抗滑稳定和控制压缩变形。

1.2.2 方案拟定

闸址处的地基土层渗透系数一般为10-7～10-8cm/s量级,属于高灵敏土,该软土在荷载作用下固结速率缓慢,在软土层上的建筑物基础沉降稳定时间很长,大大加剧了改善地基土工程特性的难度。

考虑闸址处的地基土层实际情况,闸底板的基础处理采用桩基。

根据南京市有关规定,闸址处严禁采用任何形式的锤击以及震动成桩工艺,因此在设计中不考虑预制桩以及含有震动成桩的处理方案。

根据上述限制条件,设计的原则是采用非锤击及震动型刚性桩,经比选采用灌注桩。研究了3个技术方案:方案1,钻孔灌注直桩加斜桩;方案2,底板下满布钻孔灌注直桩;方案3,闸墩及侧向相邻底板基础采用深54m钻孔灌注直桩加6m深齿槽,其他部位设置水泥搅拌桩。

1.2.3 方案比选

方案比选见表2。

表2 不同地基处理方案综合比较表

从表2可见,3个方案均具有可行性,但是,方案1投资较大,不经济,且斜桩施工困难;方案2投资最大;方案3工序多,但是投资省。该方案同时解决了3个主要问题:控制闸墩与底板之间不均匀沉降差在规范规定范围内;控制桩顶水平变位在规范规定范围内;满足闸墩承载力以及闸室水平抗滑稳定要求,因此闸底板地基处理选择方案3。

1.2.4 桩位布置

由于闸墩及侧向相邻底板基础采用钻孔灌注桩处理,闸室的大部分荷载由灌注桩承担,相对于灌注桩的沉降,未设灌注桩的底板中间基础土层的沉降量更大。为防止闸底板与地基土脱开而产生接触渗流,也为了更多地利用齿坎前土体的被动土压力以提供抵抗水平变位的抗力,减小灌注桩桩顶变位,在底板上游侧下部设置深6m的钢筋混凝土阻滑墙。闸室桩位布置见图2。

图2 闸室桩位布置

1.3 结构设计

三汊河口闸工程区位于深厚软弱地基上,根据地勘资料,闸址越靠近河口,下部淤泥质粉质粘土厚度越大,极易产生不均匀沉降。

三汊河口闸采用国内首创的双孔护镜钢闸门,单孔净宽为40m,总净宽80m,也是目前国内惟一的一座已建成的、采用该种门型的水闸。考虑到对闸门变形控制严格的要求,使工程适应软土地基,将闸室的不均匀沉降控制在要求的范围内。采用了结构平面上纵横向刚度大、整体性能优良的坞式闸室结构。启闭机排架坐落在闸墩顶部,根据闸门特点和启门要求,排架采用受力合理、传力明确、外形流畅、简洁明快的前弧后斜 “竖琴式”结构,受力条件好,闸室结构合理,外形优美,见图3。启闭机房布置在启闭排架顶部,通过设在闸墩上的螺旋楼梯实现上下交通。

图3 闸室结构示意图

1.4 设计中采用的新技术、新材料及新工艺

1.4.1 三维空间钢筋混凝土支撑梁格体系

三汊河口闸闸室宽度大于上下游河道底宽,两岸翼墙顶后设有土坡,翼墙挡土高度大,采用增加高翼墙结构刚度、在翼墙下设置灌注桩,对高翼墙稳定很有效果,但对限制高翼墙变位的效果并不明显。虽然在翼墙范围内的河床布置了浆砌石护底,并且对下部土体进行了水泥搅拌处理,但仍然不能完全限制翼墙的相向水平位移,为此,本工程采用三维空间钢筋混凝土支撑梁格体系,限制闸址处大跨度河道两岸的高翼墙水平变位。

采用三维空间支撑体系,限制了软土地基上高翼墙的变位;若采用U型坞式结构,当跨度过大时底板往往较厚;而采用该体系,施工方便,节约工程量;减少了两岸高翼墙挡土结构基础下的桩基根数;暗梁交叉点下根据暗梁重量和上拔力设置支撑桩,确保河床护底在翼墙承台的压力下不破坏。

1.4.2 大体积闸室底板采用加强带一次浇筑

为防止和减少温度变化及混凝土干缩引起的闸底板裂缝,需设置施工缝。由于工期紧张,若在底板上设置后浇带,不仅延长工期,还会给工程施工带来许多困难。经研究论证,采用了补偿收缩混凝土超长结构无缝设计及施工的新方法,在单块闸底板中设置2条膨胀加强带,与底板大面积结构混凝土同时浇筑,加快了施工工期,简化了施工工序。

1.4.3 闸底板、闸墩混凝土中添加抗裂增强纤维

为进一步提高混凝土的防裂性能,在闸底板和闸墩混凝土中添加抗裂增强纤维,有效地提高了混凝土的抗裂能力,改善了混凝土的耐久性能。

1.4.4 充分利用闸墩混凝土后期强度

为降低水泥用量,有利于温控,闸墩混凝土采用60 d的混凝土强度等级达到C40,并在闸墩变截面混凝土内部增加配置温度钢筋和水平受力钢筋。

2 结 语

三汊河口闸工程有较高的景观要求,双孔护镜式水闸在我国尚属首次应用,工程美观、实用。通过对水工建筑物特点的深入分析,在闸址选择、地基处理、结构设计、新技术新材料和新工艺应用方面都进行了大胆创新,取得了预期的效果,确保了结构安全,满足了施工进度和质量的要求。