瓯飞一期围垦工程软弱地基闸底板脱空监测技术

谢 龙 周昌臣 曹高俊

(温州市瓯飞经济开发投资有限公司，浙江 温州 325025)

1 概 述

水闸是修建在河道、堤防或河口上的重要水工建筑物，通过闸门启闭控制水位、调节流量，具有挡水和泄水的双重作用[1]。而建于深厚软弱地基上的水闸，为提高地基承载力和减小沉降量，基础通常采用钻孔灌注桩处理，使其满足水闸上部结构安全要求，但由于刚性桩基础和地基软土层之间沉降变形不协调，往往造成地基土层与闸底板出现脱空现象[2]，且处于水下隐蔽位置早期难以发现，直至在上下游水位差作用下形成连通的集中渗漏通道，给水闸的运行带来严重安全隐患。对建于软弱地基上的水闸闸底板脱空情况进行实时监测，及时发现和消除安全隐患，确保水闸安全运行至关重要。

因此，实时监测水闸闸底板脱空情况具有重大意义，有必要对闸底脱空问题进行质量控制并及时发现和处理。温州市瓯飞一期围垦工程北1号、北2号水闸为1级水工建筑物，闸基情况直接决定水闸今后的质量和安全性能，意义十分重大。本文以瓯飞一期围垦工程北1号、北2号水闸软弱地基闸底板脱空监测为例，结合现场施工条件，针对脱空质量问题进行研究，提出解决措施，可为类似工程提供参考。

2 工程概述

瓯飞一期围垦工程立足于防御超强风暴潮的基本功能，围堤与交通道路和港口相结合，是一项集防洪、农业、渔业、生态、港口等于一体的多功能综合性工程。其中施工Ⅰ标段所含的北1号、北2号水闸是本工程中最大的两座水闸，建筑物级别为1级，闸基为深厚软土地基[3]，为增加地基承载力及减少地基沉降，基础采用钻孔灌注桩处理，共计2497根。设计将两座水闸围堰合二为一，形成围区面积10万m2的超大型施工围堰。

北1号闸闸底板宽100m，北2号闸闸底板宽81m，闸基30m以下均为淤泥和淤泥质土，工程地质条件较差，基础均采用钻孔灌注桩处理，为及时掌握闸底板的脱空情况，共布设51个测点对水闸闸底板脱空进行实时监测。

3 监测目标

由于闸底脱空后将使得闸基渗径缩短，在上下游水位差作用下闸底极易形成集中渗漏通道，给水闸运行带来严重安全隐患。因此，闸底脱空问题需及时发现和处理。根据设计对闸基土层沉降变形的测算，本工程闸基土层允许最大沉降量为10cm，因沉降变形量较小，观测数据的精度对于合理分析评价闸底脱空状态尤为重要。

结合目前有关建筑物变形观测的规范精度要求[4]，北1号、北2号闸底监测目标值为：在10cm量程范围内的测量精度需达到0.1mm。

3.1 技术指标

监测装置采用高精度的振弦式传感器，且监测装置能够稳固于闸基土层，并将闸底板与闸基土层间的混凝土垫层完全隔离。

3.2 风险指标

监测装置稳固于软土层，并与混凝土垫层完全隔离，观测精度目标值具有一定挑战性。

4 方案比选

围绕“软弱地基闸底板脱空监测装置”的研发，集思广益，运用“头脑风暴法”[5]提出各种设想，并用“KJ法”归纳整理出三个方案[6]。

4.1 方案介绍

4.1.1 土压力法

通过土压力判断底板脱空，在闸底板底部布设一支土压传感器，膜面与地基土充分接触。仅有传输电缆引出，易于保护。

4.1.2 沉降差法

通过两点间沉降差判断底板脱空，在闸底板底部、地基土顶面各设一支沉降传感器。传感器需与外部储液罐连通，保护困难。

4.1.3 相对位移法

通过两点间相对位移判断底板脱空，位移传感器两端分别锚固于闸底板底部和地基土顶面。仅有传输电缆引出，易于保护。

4.2 方案比选

方案比选除考虑经济指标外，还应考虑其他各种影响方案选择的因素，包括：方案实施复杂程度、资料分析复杂程度、技术推广普及难易程度和现场试验效果等。

采用模糊数学方案[7]优选比较模型进行定量评价计算，筛选出最优方案，其中确定权重集采用德尔菲法[8]，即专家打分法。

设影响方案优劣的因素有n个，由这n个因素构成综合评判因素集U={u1,u2,…,un}，由影响方案选择的n个主要因素组成。

n个因子的权重组成权重A(采用专家打分法获得)，则A={a1,a2,…,an}。

对m个方案进行优劣评判分类，并由其组成优选比较的评判集Vm={v1,v2,…,vm}。通过因素集与评判集的对比，并经数学处理获得评价R，通过A与R的运算(A·RT)，即可得到综合评判的结果集B。

通过评判结果集B的计算结果即可判断出各个方案的优劣类别。

4.2.1 建立因素集

根据上述运算原理U={u1,u2,…,u5}，其中u1为方案实施复杂程度，u2为方案经济指标，u3为资料分析复杂程度，u4为技术推广普及难易程度，u5为现场试验效果[9]。影响因素的评价指标及评价数据见表1、表2。

表1 影响因素的评价指标

表2 影响因素的评价数据

4.2.2 给定权重向量

上述5个因素的权利向量为A={0.20,0.25,0.10,0.20,0.25}。

4.2.3 确定评判集

V={v1,v2,v3}，v1,v2,v3分别对应于三个方案。上述5个因素的权利向量为A={0.20,0.25,0.10,0.20,0.25}

4.2.4 建立评判矩阵

因素集与评判集之间的关系通过表2进行模糊关系矩阵R[10]表示，则

4.2.5 综合评价计算

综合评判的结果集B为

该回归模型方差分析结果见表4。由表4可知，拟合的模型极显著（P＜0.000 1），拟合度R2=0.993 4；失拟检验不显著（P＞0.05），回归模型的调整系数R2

B=A×R=(1.70,1.35,2.55)

由计算结果可以看出，方案三(相对全移法)最优，方案二(土压力法)最差，方案一(沉降差法)居中。

4.2.6 确定最佳方案

在各种方案定量计算综合比选的基础上，最终确定方案三(相对位移法)为最佳方案，针对选定的总体方案，经分析确定将从锚固底座制作、锚固底座安装、混凝土垫层隔离三方面开展详细研发，软弱地基闸底板脱空检测装置系统图见图1。

图1 软弱地基闸底板脱空检测装置系统图

4.3 最佳子方案比选

4.3.1 材料选择

长柱形钢管单位长度重量较轻，所需钢管较长，且需插入地基土层中，该段土体沉降无法观测，影响观测成果质量。圆盘形钢板一定面积的圆板直接放置于地基表层，充分反映地基土层沉降量，观测成果质量高。因此选用圆盘形钢板。

垫层浇筑前预埋易受混凝土垫层浇筑影响，传感器安装孔洞预留难度大，难以保证安装质量。预留坑槽后安装。锚固底座在混凝土垫层浇筑后安装，不受外界影响，安装质量高。因此选用预留坑槽后安装方法。

4.3.3 传感器混凝土隔离

砂子隔离在后期底板混凝土浇筑时，水泥浆液通过沙子孔隙渗透到传感器四周，造成传感器灵敏度下降，影响观测成果质量。护筒隔离通过护筒使传感器与垫层、闸底板混凝土完全隔离，保证了传感器随底座沉降同步拉伸，观测成果质量高。因此选用护筒隔离方法。

5 制定方法

通过上述分析，确定的最终方案见表3。

表3 最终方案表

6 方法实施

根据最终方案表，逐项实施，每一项在规定时间内完成，具体实施情况如下。

6.1 锚固底座制作

a.在室内通过测力计进行传感器拉伸试验，记录最大量程时所对应的重量，并计算满足重量要求下所对应的圆板直径和厚度。

b.根据计算的圆板直径和厚度选购圆板，对选购的圆板严格量测尺寸和重量。

c.将量测合格的圆板在专门车床厂进行孔槽螺纹的加工，通过三点定位严格控制中心偏差。

6.2 锚固底座安装

a.根据底座安装所需的空间制作混凝土浇筑模板，模板高度大于垫层混凝土的浇筑厚度，在测点处组装固定模板。

b.垫层混凝土凝固后拆除模板，平整坑槽，将锚固底座平稳放置于坑槽内的地基表层，利用水平尺调平。

6.3 传感器混凝土隔离

a.根据垫层顶面至锚固底座的距离截取护筒，护筒直径略大于传感器直径，将护筒竖直装入底座预留孔槽，为防止垫层混凝土与底座黏结，在底座顶面增加塑胶垫片隔离保护。

b.将护筒四周用混凝土回填充实，混凝土顶面与护筒顶齐平，将传感器螺纹端装入护筒，并与锚固底座螺纹连接拧紧，校正传感器的竖直度，将传感器与护筒间的空隙用机械黄油充填。

7 效果检查

7.1 目标检查

经过精心研发，认真实施，闸底板脱空监测装置现场监测效果良好，为及时掌握闸底板脱空状态，为水闸安全运行提供了保障。闸底板脱空监测装置示意见图2。

从闸底板脱空观测成果可以看出，脱空变形观测读数精确到0.01mm，观测精度超过0.1mm，完成并超过预定目标。通过观察典型断桩号沉降观测数据，沉降基本稳定。闸底板脱空观测成果见表4，脱空过程线见图3、图4。

图2 闸底脱空监测装置示意图

表4 闸底板脱空观测成果 单位：mm

图3 北1号闸①闸孔底板脱空过程线

图4 北2号闸⑥闸孔底板脱空过程线

7.2 经济与社会效益

a.通过本次活动，完成了软弱地基闸底板脱空监测装置的研发，该装置可以实现对闸底板脱空状态的实时自动监测，为水闸的安全运行提供科学保障。且成功推广到瓯飞一期围垦工程西河堤闸、东1号闸闸底板监测中，效果显著，运行良好。

b.该成果填补了国内外无法对软弱地基闸底板脱空情况进行实时监测的技术空白，适用于各种复杂工况条件下结构物的脱空变形监测，具有良好的推广应用价值。大大提升了瓯飞工程在软弱地基监测领域的影响力，经济和社会效益显著。

8 结 语

目前在水闸底板脱空监测这一领域，尚无类似创新型装置监测技术。通过对方案经济指标、实施复杂程度、资料分析复杂程度、技术推广普及难易程度和现场试验效果的综合比选，确定了最佳方案，针对选定方案中的关键控制点制定了最优化的对策和措施，通过现场实施，监测效果良好，为及时掌握闸底板脱空状态，确保水闸安全运行提供了强有力的科学技术保障。在瓯飞工程建设期间中，该创新型成果已成功推广应用到瓯飞一期围垦工程西河堤闸、东1号闸闸底板监测中，西河堤闸、东1号闸均已通过验收且顺利运行两年有余，经济和社会效益显著。