某调蓄湖溢流堰右侧湖岸破坏原因探析及修复

张凌晨

（广州市水务规划勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510640）

1 工程概况

1.1 概况及项目背景

广东省佛山市某调蓄湖建设工程包括湖区约560 亩（分为南湖及北湖）的水面及7.26 km 的环湖岸线的建设,新建北湖出口挡水溢流堰一座。拟将其建成一个具有雨洪调蓄、生态、景观、休闲功能于一体的生态湖区。

图1 工程平面图

因用地所限,北湖溢流堰右岸约150 m 湖岸由原自然放坡断面调整为U 型槽断面,下部采用19 m 长φ500 CFG 桩,间距1.6 m 正方形布置,因用地问题,背侧暂时未能回填土至设计高程,U 型槽完工后,背侧填土高程仅保持在约3.10 m左右。

图2 U 型槽断面图

1.2 工程规模等级

该调蓄湖设计洪水标准采用20 年一遇,校核洪水标准采用100 年一遇。根据规范确定本工程等别为Ⅳ等,调蓄湖湖区建筑物为4 级、次要建筑物为5 级,临时建筑物为5 级。

1.3 地质情况

在勘探深度范围内,地层岩性从上而下主要由第四系全新统万顷沙组冲洪积相（Q42-2pal）、下第三系始新统华涌组第二段（E2h2）组成,现由上到下分述见表1。

表1 出口挡泄水建筑物（溢流堰）岩土参数建议值

续表1

②-1 淤泥：灰黑色、深灰色,流塑～软塑,具滑腻感,含有机质,局部少量砂质,具腥臭味。层顶标高1.09 m～3.23 m,层底标高-11.36 m～-2.27 m,层厚5.50 m～14.00 m。

②-2 粉质粘土：灰黄色、浅灰色,软塑～可塑,粘性较好,局部含较多砂质。该层普遍分布,在钻探深度范围内,ZK64～ZK66、ZK68～ZK72 有揭露。层顶标高-11.36 m～-5.19 m,层底标高-14.85 m～-10.24 m,层厚1.80 m～5.05 m。

⑤强风化粉砂质泥岩：棕红色,浅棕红色,风化强烈,岩芯呈半岩半土状,含较多砂质,手易掰开,原岩结构善可辨认。层顶标高-14.85 m～-2.27 m,层底标高-18.03 m～-16.01 m,层厚3.00 m～4.70 m。承载力特征值600 kPa。

⑥弱风化粉砂质泥岩：棕红色,浅棕红色,岩质软,岩芯呈短柱状～长柱状。层顶标高-16.01 m～18.03 m。共取岩样4 组,统计样本数4 组,天然单轴抗压强度平均值5.10 MPa,承载力特征值1000 kPa。

2 现场破坏情况

2020 年10 月2 日在调蓄湖蓄水以后,U 型槽靠近北湖溢流堰段结构分缝处发生沉降及位移,U 型槽整体性完好,无裂缝,截止至2020 年11 月19 日,沉降最大位移达到70 cm,沉降引起路面铺装及坡面石材台阶开裂,错位,表面填土松动并局部隆起。

图3 U 型槽分缝处发生沉降

图4 放空钢管开裂

北湖溢流堰左右两岸设DN600 放空钢管,该放空管设计主要考虑检修及非常情况下对湖区进行放空,通过检修阀井检修管道。本次开裂的DN600 放空钢管位于北坝右岸,距离U 型槽开裂位置直线距离约33 m。湖岸沉降导致溢流堰右岸DN600 放空钢管焊接处发生开裂,裂缝开度约3 cm,为局部裂缝,未贯穿钢管。

3 U 型槽沉降原因分析

初步分析沉降原因为背侧未完成征地,同时蓄水速度过快,填土速度过快,导致U 型槽局部应力集中发生沉降及位移,根据原设计资料,蓄水高程在6.00 m 左右时,U 型槽背侧填土高程为3.00 m 左右,迎水侧及背水侧高程相差3 m,一旦蓄水速度过快,U 型槽结构底部局部应力将迅速增大,因两侧填土速度过快,极易发生局部破坏现象。

放空管位于北坝钢筋砼坝体中,外侧位于下游翼墙背后填土侧,溢流堰为旋喷桩复合地基,外侧湖岸采用φ500 mm的CFG 桩复合地基,因地基处理方式不同导致不均匀沉降,沉降导致北湖溢流堰右岸DN600 放空钢管焊缝处开裂,产生裂缝一处,裂缝位于北湖溢流堰及下游现状方井之间。其他部位完好,本次须针对DN600 放空钢管开裂部位进行修复。

4 修复加固

4.1 U 型槽加固方案

现因U 型槽背水侧已完成征地,本次将对U 型槽背水侧进行填土反压,填土高度需考虑结构稳定性及衔接高度,若填筑太高,则对U 型槽整体性稳定性是有利的,但考虑到填土太高一方面需延长放坡宽度与现状地形衔接,导致填土范围太大而不经济,同时因背水侧附近有一座高压铁塔,填土太高,土压力将会对现状高压铁塔稳定性造成一定影响,可能会使铁塔发生移位变形,产生其他危险。经综合考虑本次背水侧填土高程为6.50 m,宽度8 m,设二级填土平台,二级填土平台顶高程为4.50 m,两级平台采用1∶2 放坡衔接,增加土坡之间稳定性,填筑过程中应采用分层填筑方式,每层填土厚度不超过30 cm,达到压实度要求后方可进行下一层填筑。

根据地质钻孔资料,该区域大部分为淤泥层,地质情况较差,为了防止雨水对坡脚冲刷,同时保证坡脚及下部原状土稳定性,在坡脚采用碎石压脚,增加整体湖岸断面稳定性。

本次针对背水坡填筑土方,同时考虑到现状靠近溢流堰一段U 型槽在结构分缝处已发生沉降位移,故需对现状该段U 型槽进行加固。考虑到沉降位移较大,下部原设计CFG 桩为刚性桩,桩底高程进入持力层2 m, U 型槽结构一旦沉降,U型槽断面两边CFG 桩最容易受到破坏,导致桩顶发生损坏,若不采取其他措施严重情况下可能会导致桩顶应力变化,持续威胁桩体质量。本次受条件所限虽未对下部CFG 桩做沉降后质量检测,但不排除损坏可能性,针对上述情况,本次U型槽加固方案考虑U 型槽背侧回填土压实,使U 型槽结构受力均匀。为保护现状高压电塔基础,本次坡脚不可填土过高,二级平台顶高程4.50 m,宽度缩小为5 m,底部采用碎石压脚增加断面稳定性,碎石距离电塔保持1.5 m～2.5 m 距离,碎石不可过厚,保证电塔基础不受碎石压重影响。通过在U 型槽及电塔基础设沉降观测点,在填土过程中及时观测,动态监控沉降量,若填土时沉降量陡增,应立刻停止填土,通知各方共同研究决定。

根据设计衔接需要,U 型槽背侧填土将与堤顶路齐平,该部分景观填土须在现状高压电塔完成迁改以后方可实施。

图5 加固断面图

因U 型槽结构为刚性结构,下部土层及两侧填土为柔性结构,为了避免湖水及雨水沿U 型槽与土方缝隙产生持续扬压力破坏,尤其防止汛期雨水沿结构裂缝形成扩大空隙,型槽渗漏通道,保护结构稳定性,本次将在U 型槽两侧顶高程凿毛,凿除0.2 m,插入φ20 锚筋,设6.4 m 宽,0.2 m 厚C30钢筋砼盖板,增加结构整体性,可及时将雨水排走,防止水流沿缝隙渗漏而产生持续水压力,导致结构持续沉降,防止U型槽结构进一步变形破坏,上部栏杆与路面保持原设计。

针对已发生侧移U 型槽采取钻孔植入锚筋并浇筑C30 砼找平方案修复,修复时对新旧混凝土衔接处进行适当人工找平处理,达到一次浇筑成型效果。

考虑到迎水侧原设计为大石块台阶铺装,沉降导致石块错位,因石块重量较大,考虑到U 型槽架构沉降稳定需要一定的时间,且一旦沉降,大石块台阶错位将会非常明显,需大量人力物力维修管理,故本次加固方案暂拆除迎水坡大石块,下部沉降土方挖除至5.00 m 高程,重新分层换填土,上部不再使用石材台阶,采用1∶3 铺设草皮,待湖岸沉降趋于稳定后可考虑石材铺装,与北湖溢流堰左岸铺装协调一致。

针对U 型槽以外的填土湖岸,直接在背水侧已征地范围内填筑土方高程至8.00 m,背侧与景观填土衔接。

图6 自然放坡加固断面图

4.2 放空管修复

修复方案采用在现状裂缝处设圆形检查井,内设软管及手动阀门衔接,方便检修,底部为现状溢流堰下游翼墙底板,底板下部为旋喷桩复合地基,经复核,基础承载力满足要求。

为防止检修井持续沉降对放空钢管产生持续拉力,本次在穿过井壁洞口外部预留5 cm 缝隙,两侧缝隙最大可达到10 cm,井壁穿管洞口采用油麻毡柔性材料填缝,保护钢管不因沉降发生开裂,提高管道使用寿命。原外部采用DN600 钢管衔接,为了保证钢管安全,本次在新设5 m 长钢管外部包裹0.2 m 厚C25 素砼,下部设0.5 m 厚素砼基座,能有效提高管道整体受力效果。

通过沉降计算,井与溢流堰相对永久沉降高差较小,因此采用井壁洞口设柔性材料并预留缝隙能适应不均匀沉降,外加管道采用柔性接头,可进一步增加管道承受不均匀沉降能力,能够在一定范围内保护内部管道不受损坏。

图7 放空管平面图

图8 放空管剖面图

5 总结

本次通过对调蓄湖北湖溢流堰右岸湖岸发生沉降险情进行分析并提出方法,通过后续持续观测,基本上达到预期加固效果,但也暴露出原始设计的不足。

1）针对U 型槽下部基础处理范围较小,采用复合桩进行基础处理范围应略大于结构宽度,若基础处理范围仅为结构外部轮廓,一旦结构两侧应力不均,底部将会失稳,达不到基础处理效果,甚至可能损坏桩基础结构。

2）新建湖区蓄水应考虑所有堤岸已达到沉降填土要求再进行,蓄水时应尽量慢,以便观察湖区湖岸应力状态,避免发生险情,同时应对重要结构部位进行同步观测,一旦发现有数据异常变化,应及时停止蓄水,并查明原因。

3）本工程中北湖溢流堰与外侧检修井分别采用了旋喷桩及CFG 桩的不同基础处理方式,放空管贯穿两种基础处理的上部混凝土结构时应充分考虑不同基础处理对沉降的影响效果,尽量采用软接头或柔性管道连接,尽量避免焊接,避免不均匀沉降导致焊缝开裂。