江西某船闸围堰渗流及稳定性分析

姚绍松 中交湾区（广东）投资发展有限公司

1.工程概况

1.1 基坑概况

江西西万安某船闸临时挡水二期围堰工程位于土坝段上游库区内，呈折线形布置，总长约为465m，二期上游围堰顶高程为105.0m，库底地面高程为75m～92m，围堰体高度10m～26m。大坝采用土石坝，大坝防渗以塑性混凝土防渗墙为主（800mm厚的塑性混凝土防渗墙加帷幕灌浆的处理措施，防渗墙嵌入强风化岩层，其下帷幕灌浆深度达到透水率小于5Lu的顶板高程以下1.0m，深度52.5m～68.0m，平均深度57.2m）。96.5m高程以下的石渣料填筑的上、下游戗堤，其坡比均为1：1.5；96.5m高程以上的坝体，其上、下游坡比均为1：2.25。

围堰最高填筑约37m，施工期最大挡水高度约21m，其结构及防渗施工是船闸主体基坑围堰施工的重点及难点，具有工期紧、技术难度大、安全风险高和环保要求严格等特点。

1.2 场地地质条件

该场地位于赣江中游，呈倒L形布置，基础原始地貌为Ⅰ级阶地和Ⅱ级阶地并逐渐过渡到右岸山体，库底地面高程为75m～92m，左侧低，向右侧渐高过渡，至右岸山体坝肩处高程为105m。阶地内松散覆盖层厚度为14.7m～20.0m，主要地层为人工填土、粘性土和砂砾石层及其混合土，基岩面高程为64m～70m。人工填土、砂砾石混粘性土为弱～强透水性，砂砾石层为中等～强透水性并具有管涌渗透破坏形式，剧强风化和碎块状强风化层为中～强透水性主要地层为人工填土。围堰体最大高度10m～30m，并将形成最大20m左右的高水头差。

1.3 项目设计要求

根据相关要求，该临时围堰设计等级为1级，围堰抗滑稳定最小安全系数见表1。本区在Ⅱ类场条件下，50年超越概率10%的基本地震动峰值加速度为0.05g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.35s，相应地震基本烈度为Ⅵ度。

表1 围堰抗滑稳定最小安全系数表

2.计算模型

二期围堰主要包括水下开挖与清淤、堰体填筑、防渗墙施工三个重点工序，其中水下开挖与清淤约28×104m3，堰体填筑+96.5以下抛填（含护脚块石）方量为932900m3、陆上填筑（含粘土心墙）130500m3，混凝土防渗墙的工程量约14900m3，帷幕灌浆施工的工程量约6542m。

根据勘察资料，围堰区域存在不均匀、软弱土地基等不良地质现象，需要对其进行加固、处理，以满足设计要求。原设计中为确保坝体稳定安全，要求采用级配块石对基础一定范围内的坝基淤泥和素填土层进行挖除置换，换填深度3m～10m不等，并在迎水面设置抛石压脚戗台，戗台在弧形连接段及其以左顶高程82.0m，宽度32.0m，其余部分顶高程85.0m，宽度20.0m；坡比1：1.5。结合现场实际情况，即围堰基底淤泥及素填土清除开挖方量较大，附近无大型水上清淤船机，且周边卸泥点难以容纳如此大方量的淤泥，拟探索采用高压旋喷桩加固淤泥和素填土层的可行性。

高压旋喷桩具有施工速度快、固结体强度大、水泥浆不会造成环境和地下水污染，且耐久性较好，施工噪音较小等优点。其加固效果以及优势与水泥搅拌桩相同，且在淤泥内成桩质量好，施工过程中不需要较高支架，较为安全。高压旋喷桩采用水泥、外加剂和水的拌和体(水泥浆液)做为固化剂，水泥宜选用水泥强度等级为32.5以上。当采用非缓凝水泥时，水泥浆中宜掺入缓凝型外加剂，其品种和用量通过试验确定。施工前，应根据加固工程的地基土、拌和用水、拟采用的水泥和外加剂进行水泥浆室内配合比试验，确定高压旋喷桩的水泥品种、水泥掺量、水灰比等。试验土料应采用需加固地基的原状土样，水泥强度等级32.5以上。桩身90d无侧限抗压强度应不小于1.2MPa。

表2 高压旋喷加固后地层参数取值

2.1 围堰稳定性分析模型

围堰渗流计算根据围堰结构及防渗设计成果选取典型断面，该断面在原设计中开挖面最低（+68.0m）为最危险的断面，本次的计算选用这个断面，也可与原设计方案进行对比分析。

计算拟采用的工况：在原设计的基础上，对淤泥层和素填土层进行地基加固。加固的方法为：满堂脚手架+高压旋喷处理。高压旋喷桩加固常用的为单管布置和三管布置，考虑到单管布置水下成桩效果一般，本次高压旋喷桩的布置建议为：三管旋喷φ850mm，间距为2.0m，梅花形布桩。

2.2 数值分析参数取值

软基加固后的参数，复合地基的抗剪强度可以采用公式（1）计算：

式中，m为置换率（%）；c为粘聚力（kPa）。内摩擦角可以根据原地基土的土质、含水率等综合判断取值范围为20°～30°。文中数值模拟参数取值见表2。

2.3 数值计算结果

2.3.1 渗流计算结果

围堰渗流分析工具采用河海岩土软件AutoBank7.07版，通过划分单元采用有限元分析方法进行计算。本次分析采用的围堰渗流计算典型断面为原设计中开挖面最低（+68.0m）的最危险的断面。模型中临时挡水围堰上游水位采用设计蓄水位+96m，坝顶高程+105m，下游水位+85m，围堰两侧水头差为11m。

渗透计算结果显示素填土层渗透比降小于0.25，满足设计要求；溢出点3m范围内渗透比降小于0.25，满足设计要求。

2.3.2 围堰稳定计算结果

围堰稳定计算的断面与渗流计算断面相同。稳定计算拟考虑正常蓄水水位条件下的迎水面边坡和背水面边坡，分别计算正常运行期、施工期及正常运行期（地震工况）三种情形下的围堰稳定性。地震工况参数采用50年超越概率10%的基本地震动峰值加速度为0.05g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.35s，相应地震基本烈度为Ⅵ度。计算公式采用简化毕肖普法，稳定渗流期水的作用考虑采用有效应力法，通过指定滑裂面并自动搜索最小安全系数。各工况下的计算参数见上文中表1和表2。

计算结果表明，迎水面坡在正常运行期、施工期及正常运行期+地震三种工况下抗滑稳定安全系数分别为2.218、1.491、1.322，背水面坡则为2.382、2.205、1.662，其结果均不小于表1最小允许值，由此可见，在原设计上部结构不变的基础上，采用高压旋喷桩对淤泥层和素填土层进行地基加固的方案可以满足设计中围堰稳定性的要求，该方案具有可实施性。

3.高压旋喷桩工艺总结

（1）原设计水下开挖方量较大，附近无大型水上清淤船机，且周边卸泥点难以容纳如此大方量的淤泥，高压旋喷桩加固淤泥和素填土层方案对于本项目具有更强的适应性，且其经济效益显著；（2）各工况下的渗流计算、稳定分析结果显示，均能满足设计的要求，采用高压旋喷桩加固淤泥和素填土层可行性较强。

但需要注意的是，本次计算中采用的地基加固后、块石抛填后的土层参数，需要在施工时进一步根据现场试验结果进行复核。

4.结束语

在船闸建设项目中，围堰是工程基坑施工的重要屏障，其挡水防渗和堰体稳定能力直接影响建设成本、项目工期及施工安全，另外在施工期间围堰还需要经历防洪度汛的考验，若发生围堰失事后果将非常严重，因此围堰安全是保障船闸工程顺利施工的关键措施。本文以江西万安某船闸临时挡水围堰工程为背景，采用数值分析法对围堰渗流及稳定性进行了分析，提出了采用高压旋喷桩加固淤泥和素填土层的优化方案，可实施性较强，对指导类似工程有着重要意义。