基于遗产保护视角的古水闸地基加固研究——以高邮里运河灌区界首闸为例

高 竞,刘学应

(1.安徽建筑大学 研究生院，安徽 合肥 230601；2.浙江水利水电学院 建筑工程学院，浙江 杭州 310018)

随着中国经济的迅速发展，大量的水利设施建设涌现出来，这些设施协同留存至今的一些古代水利工程，对我国水利事业的发展具有极大的意义。在兴建水利工程的过程中，不可避免地会遇到软土地基处理的问题。软土地基由于其自身存在的不稳定性，及其具有的高压缩性和不透水性，对地基基础有着很大的影响，从而导致建筑结构存在不可预测的安全和质量隐患问题[1]。所以，为避免不稳定因素对地基施工产生影响，保障后续水利工程建设顺利进行，选用合理的地基处理技术就显得尤为重要。尤其是在古代科技、工艺欠缺的条件下，合适的地基处理方式，不仅能够减少材料和工期的损耗，更能够保证上部建筑物的经久耐用。

我国古代水利工程对于软土地基处理经历了几个重要的阶段，首先是以都江堰为代表的软土地基处理技术，先秦人民对于都江堰建设中遇到的地基处理问题是通过往竹篓中放入石块，再将大量的竹篓抛入江中，以此方法来加大地基的承载力。都江堰的建成使得成都至今都是水旱从人、沃野千里的天府之国[2]。得益于大量民用建筑的建造经验，夯打基础和运用条石这两种方法被熟练地运用于水利建设方面，也同样发挥巨大的作用。夯打基础法通过重物击打地基，使土颗粒受到挤压，排出其中的水分，从而达到密实基础的目的。条石法则更为简单，选取经久耐用的条石充当建造基础。桩基础的出现不仅是对于软土地基处理的重大突破，更是我国古代水利工程事业发展的一块里程碑。其在地基中不断地施打木桩，通过木桩之间的挤压，排出地基中的水分，达到密实地基的效果。此类方法在清朝时得到大量的推广运用，高邮里运河灌区的南关坝在建造时便用到桩基础来提高地基承载力[3]。本文以高邮里运河灌区内的界首闸为例，对其地基的处理工艺进行探讨。

1 界首闸概况

界首闸(见图1)是高邮里运河灌区二里支渠的进水洞，始建于清朝顺治十年，在康熙五十九年、乾隆二十一年进行了重修。该闸采用的是迭梁式闸门，浆砌条石结构，经过民国和建国后的不断修缮加固，现设计流量为11.10 m3/s。界首闸作为涵洞式水闸，顶部留作道路，供车马通行，所以该闸对于地基的处理足够完善才能由清朝留存至今，到现在仍发挥着过流、灌溉的功能。

图1 界首闸

水闸修建于京杭大运河旁，闸址处河道地层主要由黏性土构成。地基土体由上至下可大致分为以下5层：

(1)层表土：灰色-灰黄色，主要由粉土及粉质黏土组成，饱和，松散状，局部含植物根茎、碎砖瓦砾等建筑材料，土质不均匀，层厚0.80～2.10 m；

(2)层淤泥质粉质黏土：摇震反应较快，干强度低，韧性低，中等压缩性，层厚1.00～2.70 m;

(3)层粉质黏土：灰色，软塑，无摇振反应，稍有光泽，干强度及韧性中等，属于压缩性中等强度土，层厚1.90～4.90 m；

(4)层粉土：灰色、灰黄色，中密，低干强度及韧性，属于压缩性中等强度土，层厚4.30～4.40 m；

(5)层粉质黏土夹粉土：灰黄色、黄褐色，硬塑，局部夹中密状粉土。无摇振反应，稍有光泽，干强度及韧性高，属于压缩性中等强度土，工程地质条件较好，层厚6.00～7.20 m[4]。

从地层分析可得出，水闸的基础为软土地基，所以对软土地基的处理是建造和修缮该工程的首要任务。

2 界首闸地基处理方案分析

2.1 界首闸原地基处理工艺

明代是我国古代闸坝理论的成熟阶段，闸坝的规格不仅多，还对闸坝的高度、宽度、选料及筑造过程有了统一的明确规定。到清朝时，闸坝处理工艺已完全成熟[5]。对于界首闸，从现场调研得出，在建造时对于地基的处理采用的是桩基法，然后再往桩基上浇筑三合土。这种方法，一是通过杉木桩的挤压使土体得到压缩，提高其密实度、均匀性，减少土体中的含水量；二是利用三合土中的碱性生石灰中活性CaO与酸性黄土中的SiO2结合生成硅酸钙胶体，体积膨胀，从而压缩了土中的间隙，使其成为一个整体，增大地基的承载力[6]；另外，加入的河沙使拌合物具有更强的和易性，利于施工，同时三合土的加入使得底部淤泥与上部建筑物基础得到隔绝，更利于上部建筑的稳定和经久耐用。

2.2 界首闸地基处理存在问题

2019年5—7月，苏北地区遭遇60年一遇的气象干旱，淮河流域累计降雨较常年周期偏少50%以上，苏北地区主要湖库接近死水位。为满足工农业生产、群众生活及重要航道用水需求，江水北调、南水北调沿线泵站机组满负荷运行[7]。里运河河道水位长时间高水位运行，这就造成了界首闸等一些沿运河穿堤建筑物闸门漏水、护坡损毁等现象。但是，对于界首的修缮也存在一些问题：(1)高邮降雨量季节分布特征明显，其中夏季降水量集中，基本占全年降水量的1/2；且拉伸钢板桩挡水标准低，如果降雨量过多，可能会对修缮的工程造成二次破坏，所以该工程需要在雨季来临前完成施工，施工工期紧张；(2)因界首闸是高邮一处重要的历史遗迹，所以需要在尽可能保存其原貌的情况下，对其加以修缮。

2.3 界首闸地基修缮方案选择

对于界首闸的修缮，首先是保留其建筑穿堤的部分，延伸至运河部分则进行重新扩建。为避免界首闸原有地基产生渗漏，导致有效水流量的增大而产生的渗透破坏水闸的原有地基，所以采用钢筋混凝土基础设置在水闸主体部分的两侧(见图2)，灌注桩基础抗渗性能好、施工简单、承载力强且造价较低，一方面可以保护水闸的原有地基防止破坏；另一方面则可以增强水闸上方公路的地基承载力，避免因水闸施工而导致的路基失稳塌陷。

图2 钢筋混凝土灌注桩

水闸延伸至运河的部分，首要处理的施工问题也是对于地基的处理。考虑到钢板桩具有临时挡土、挡水作用，且施工简单，不需要大型设备，可实现快速施工的优点[8]，首先采用钢板桩进行围堵，围堵后进行施工段清淤，清淤结束后再进行填土，待初步处理结束后将填土进行压实。因延伸部分工程量较小，所以综合考虑采用施打松木桩来进行地基加固。对于采用松木桩而不是界首闸修建时所采用的杉木桩，可以通过计算数据得出结论。计算桩基的地基承载力时，假设松木桩和杉木桩的桩长、尾径、埋置深度相同，参考《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)[9],按照松(杉)木桩自身抗压强度确定的单桩竖向抗压承载力特征值公式为：

Ra=ηfcuAp

(1)

式中：Ra—单桩竖向抗压承载力特征值；η—桩体强度折减系数；fcu—桩体抗压强度平均值，kPa；Ap—桩身截面积,m2。

不考虑松(杉)木桩在自身及使用条件下的设计指标调整，查表得出fcu=10×103kPa，松木桩的η为0.30，杉木桩的η为0.25。当木桩的直径都选择为100 mm时，可得出松木桩的单桩竖向承载力比杉木桩的单桩竖向承载力多约3.9 kPa(π取3.14)。

从这方面可以看出，松木桩相较于杉木桩的单桩地基承载力有明显提高。选择松木桩作为基础，其强度高且密度小，弹韧性好，可承受一定的冲击作用；松木桩的吸湿性及湿胀干缩性在吸水后体积膨胀，对桩间土有一定挤密作用，同时可以增大摩擦作用，这是杉木桩无法替代的。另外，松木含有丰富的松脂，而松脂能够很好地防止地下水和细菌对其的腐蚀，保证了松木桩的经久耐用。

3 结 语

界首闸作为高邮里运河灌区仍在发挥功能的水闸，对其修缮不仅要使主体部分免受损害，在保证水闸过流能力的前提下，还需防止修缮后的部分出现工程问题而导致的损害影响建筑物使用寿命。该闸通过运用钢筋混凝土灌注桩和松木桩，加大了水闸的地基承载力，一方面减少了水闸对于周围建筑物的沉降影响并延长了运河部分建筑物的经久耐用，从而保证其继续发挥防洪灌溉的能力；另一方面对于水工程遗产保护，具有很重要的启示。

水利是中华民族发展的基础，水利文化构建了中华文化体系的一部分[10]，在水利工程中对于地基的处理应放在首要位置。界首闸的施工过程明确揭示了地基处理工艺的发展，表明地基处理工艺是在不断更新改进的。在具体建设时，不能单一选择一种方法，而要扬长避短，选择经济实用的处理方法，不断总结经验，持续探索地基处理的新方法、新工艺，为以后施工和工程的遗产保护提供借鉴和参考。