北街水闸通航孔上游翼墙稳定性复核计算分析

陈新河 江门市江新联围管理处

1.工程概况

北街水闸枢纽位于江门市蓬江区北街江门水道入口与西江交汇处，是江新联围的一座以防洪、排涝为主，兼顾航运、交通与灌溉的重要中型水闸。江新联围捍卫江门市城区及下属蓬江区的环市镇、棠下镇，江海区的外海和礼乐镇，新会区城区及下属的睦洲镇、三江镇和会城镇等三区七镇，保护人口69万人，耕地面积33.27万亩，工农业总产值268亿元（2000年）。北街水闸捍卫的江门市是该地区的政治、经济、文化中心，社会效益显著。

现有北街水闸枢纽工程于1975年9月动工兴建，1978年5月基本建成投入运行。枢纽由水闸和船闸两部分组成，其中水闸共五孔，由四个分洪孔和一个通航孔组成。北街水闸投入运行二十多年来，存在一定的安全隐患，经过安全鉴定评为二类闸，需对整个枢纽工程进行除险加固。

北街水闸通航孔上游原翼墙为浆砌石挡墙，本次除险加固拟在原挡墙墙脚下的河道内新建一扶臂式挡土墙作为新翼墙，新建挡土墙顶及墙后回填土原设计高程为7.3m～3.0m，后经确定将翼墙后填土面高程降至5.0m～2.0m；墙底板底面高程为-5.0m,基础采用Φ400壁厚95的AB型预应力管桩。

为保证施工开挖时通航孔上游边坡的安全，上游岸坡布置了2排Φ500壁厚125的AB型预应力管桩作为支护桩，桩长分为16米和12米两种，均为摩擦桩，支护桩桩顶高程分别为-2.5米和2.0米。第二排管桩设钢绳与地锚拉紧。

由于新建翼墙位置存在深厚的软弱土层，而新填土顶面为2.0～5.0m，挡土墙挡土高度达7～10m。填土所形成的土压力水平分力较大，设计方对翼墙的水平抗滑稳定的安全性存在一定的疑虑。受设计单位委托，我院承担了对江门北街水闸通航孔上游翼墙的水平抗滑安全性进行技术咨询的任务，拟通过计算分析，并提出该翼墙水平抗滑问题的解决方案。

2.翼墙水平抗滑计算

2.1 管桩的极限水平承载力

根据翼墙的设计图，其基础采用Φ400壁厚95的AB型预应力管桩。根据管桩的施工记录，桩长约20m，桩端置于粗砂层或全风化岩层上。

取1条管桩作为计算对象，桩顶施加水平作用力，桩侧受土的反力以土弹簧模拟，采用广东省水利水电科学研究院编制的挡土桩计算程序进行计算。土层分布及厚度参考ZK11，管桩水平承载力的计算参数见表1。

表1 管桩水平承载力计算参数表

经计算，当管桩桩顶水平力为60kN时，桩内最大弯矩为101kN·m，接近管桩的极限弯矩104kN·m。可认为该管桩桩顶的水平极限承载力为60kN。

2.2 翼墙承受的水平土压力计算

取单位宽度作为计算宽度，翼墙受墙后填土产生的水平推力作用。墙后填土为中粗砂，推力大小按朗肯主动土压力计算。墙后中粗砂的内摩擦角取35°，地下水位假设在底板底面以下，地面荷载取10kPa。

墙顶及墙后填土高程为5.0m时，底板底高程为-5.0m，墙高为10m。则主动土压力为：

墙顶高程为2.0m、墙后填土高程为2.0渐变至2.5m的土坡，计算翼墙所受的主动土压力时，按填土高程2.5m计。底板底高程为-5.0m，墙高为7.5m。则主动土压力为：

整个翼墙分两板，靠近闸的第一板填土由5.0m按1:3的坡度降至2.5m（靠近墙身处为2.0m）。该坡沿水流方向长为7.5m。该段翼墙墙身及填土较高，土压力及处理方法均与其后不同，为方便表述，该段范围称为A区，其余填土高程为2.0～2.5m的部分为B区。

A区每m翼墙受到的水平土压力标准值为：

2.3 翼墙水平抗滑分析

根据设计图，翼墙分2块底板，每块底板下布置桩15根。底板沿水流方向长24m，则沿该方向单位宽度的桩数为1.25根。1.25根桩的极限水平承载力荷载为1.25×60＝75kN。桩的承载力显然小于翼墙所受的水平推力，因此单靠翼墙的管桩基础难以满足翼墙的水平抗滑要求。

3.翼墙修改方案

3.1 修改方案

由上述计算可知，翼墙承受的水平土压力管桩难以承担，可采用其他措施减小水平力或增大水平承载力。经综合比较，推荐采用预应力锚索加锚碇墙的处理方案。

锚碇墙为钢筋砼墙，长25m，厚0.5m，高2m，墙顶高程为2.0m。锚碇墙前回填碎石，墙后回填粗砂，回填的碎石和粗砂均需分层压实。

预应力锚索采用钢绞线，水平间距为1m，长约30m，锚碇墙侧高程为1.0m，翼墙侧高程为-1.0m（即目前的上排拉环位置）。A区、B区钢绞线分别为3束和2束7Ф5钢绞线，其抗拉强度设计值为1320N/mm2。

待挡墙后填土至-1m时，对锚索施加预应力，A区、B区锚索预应力分别为200kN和150kN。锚索上覆土前按相应规范、规程做好防腐处理。

3.2 锚杆设计计算

A区锚索水平力设计值：

1束7Ф5钢绞线公称截面积为139mm2，钢绞线束数：

取n=3，即A区锚索为3束7Ф5钢绞线。

B区锚索水平力设计值：

取n=2，即B区锚索为2束7Ф5钢绞线。

3.3 锚碇墙设计计算

锚碇墙所能提供的水平抗力为其前后土压力差：

A区锚索设计拉力为292.4kN，B区锚索设计拉力为214.6kN，均小于锚碇墙所能提供的水平抗力299kN，锚碇墙抗力满足要求。

为防止锚碇墙与其前回填碎石沿碎石与土的交界面整体滑动，墙前碎石体应有足够重量。当锚碇墙与碎石体一起沿碎石与土的交界面滑动时，滑动体受力计算简图如图1所示。取回填碎石与其下土体的摩擦系数为0.3。根据A区、B区锚碇墙前碎石体断面进行抗滑计算。

图1 锚碇墙和碎石滑动体受力计算简图

A区抗滑计算：

A区碎石体抗滑满足要求。

B区抗滑计算：

B区碎石体抗滑满足要求。

4.结语

（1）该翼墙挡土高，地基软弱，其预应力管桩基础不能满足水平抗滑要求。

（2）建议采用文中的锚索加锚碇墙的处理方案解决翼墙的水平抗滑问题。

（3）为减小深层软土对管桩的水平侧压力，建议在翼墙底板和附近支护桩之间的孔隙施打木桩，将其上的填土荷载传至地基深部。木桩长5m，间距500，梅花形布置。

（4）建议在施工过程中对翼墙和锚碇墙的水平位移及沉降加强监测，如发现异常情况应立即停止施工并向监理、设计及业主等相关单位汇报情况，以采取必要措施，确保施工期的安全。