上董水闸除险加固技术探讨

王洪娜

(福建省溪源水库管理处，福建 福州 350001)

1 工程概况

上董水闸位于福州市仓山区城门镇上董村境内，水闸位于福州市闽江北港南岸防洪堤城门段上，东经119°22′35”，北纬26°01′10”，是一座承担着挡洪潮、排涝水任务的小(2)型水闸，最大过闸流量20.72 m3/s。水闸设计内涝水位为6.75 m(P=5%)，设计外江水位为6.68 m(P=5%)，校核外江水位为7.02 m(P=1%)。闸门为单孔闸，现状闸门为木闸门，孔口尺寸为3.5 m×3.5 m,闸底板高程为2.10 m，闸顶设有胸墙，胸墙底高程5.60 m，胸墙顶高程8.16 m。闸门采用螺杆启闭机启闭[1-4]。

2 水闸存在主要问题

上董水闸经10多年运行，存在一定的安全隐患，影响水闸的安全运行。主要存在以下几个问题：

(1)水闸基础存在问题。水闸基础为淤泥，基础采用木桩进行处理，木桩间距为500 mm。闸基岩土层自上而下为淤泥及卵石，其中淤泥层分布深厚，工程性能差，闸基稳定性较差，经复核计算地基承载力不满足要求。

(2)闸门、闸墩存在的问题。闸门止水扁钢及螺栓锈蚀严重，止水橡皮脱落严重。木闸门上的扁钢及螺栓锈蚀严重，闸门门体整体性较差。闸门埋件锈蚀严重，木闸门损坏严重。闸室边墩整体完好，局部混凝土存在轻微脱落现象。

(3)胸墙及消能防冲设施存在的问题。胸墙局部混凝土保护层存在轻微脱落现象。内河及外江侧护坦段及海漫段淤积严重，无法直接对护坦底板及海漫进行检查，据管理员介绍两侧护坦段整体完好，但外江侧海漫段部分部位已经被冲毁。

(4)启闭房、交通桥存在的问题。启闭房墙面存在裂缝，裂缝渗水；边梁整体完好，梁下部混凝土存在不同程度的混凝土保护层剥落现象，启闭梁存在横向裂缝，缝宽约1～2 cm。交通桥梁底多见顺筋裂缝。桥底板混凝土多见锈斑。交通桥两侧栏杆破损严重。外江交通桥桥板已出现露筋，两侧栏杆出现了锈蚀。

3 除险加固设计方案

3.1 闸室设计方案

水闸闸室段加固改造总体布置方案。 闸室段长12 m，共1孔，孔口尺寸(宽×高) 3.5 m×3.5 m，由闸室、胸墙、交通桥、启闭机房等组成，均为钢筋混凝土结构。闸门布置在闸室后半部，距闸室末端2.60 m;闸底板项高程2.10 m,底板厚1.0 m,底板前后端设有深1.0 m的齿墙;边墩顶高程8.20 m，边墩厚度均为 1.0 m;设置1扇工作闸门，工作闸门采用平面钢闸门;胸墙位于工作闸门的内河侧，底高程为5.70 m,顶高程8.20 m，胸墙厚度0.30 m;交通桥高程为8.20 m，桥宽4.0 m;检修桥桥面高程为6.00 m,桥宽2.60 m。闸室上部设置启闭机房，启闭机房顶高程为17.45 m，采用框架式结构。

3.2 闸室抗滑稳定及应力计算

3.2.1 计算工况

(1)基本组合。

工况1:内河为常水位2.60 m,外江为多年平均低潮位0.85 m；

工况2:内河为常水位2.60 m，外江为100 a一遇洪水位7.02 m；

工况3:内河为20 a一遇涝水位6.75 m，外江为100 a一遇洪水位7.02 m;

(2)特殊组合。

工况4:内河为常水位2.60 m，外江为多年平均低潮位0.85 m，并考虑地震情况。

3.2.2 闸室抗滑稳定及应力计算

闸室抗滑稳定安全系数计算，见式(1):

(1)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑H为作用在闸室的水平荷载之和，kN；∑G为作用在闸室基地上的竖向荷载之和(包括扬压力在内)，kN；f为闸室基底面与地基之间的摩擦系数。

闸室基底应力计算公式(2)如下:

(2)

3.2.3 计算成果

沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数和基底应力详见下表1和表2。

表1 抗滑稳定计算成果

表2 应力计算成果

(1)在各种计算工况及水位组合下，沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。(2)闸室最大压应力和最小压应力均小于地基承载力的1.2倍,闸室基地平均应力均小于地基承载力，满足规范要求。(3)各工况的应力比均能满足规范要求。

因此上董水闸加固后闸室整体抗滑稳定能满足规范要求，且闸室地基的承载力能满足应力方面的安全要求。

3.3 闸室基础加固改造设计方案3.3.1 地基处理方案

上董水闸闸基地质结构均为多层结构:淤泥+卵石，其中淤泥厚约15.0 m。淤泥为本区的主要软弱层，不宜选作天然地基。水闸现状地基处理方案为松木桩，根据地质勘察所确定的地质条件，分别采用水泥搅拌桩、高压旋喷桩2个方案进行比选。

(1)方案一：水泥搅拌桩。 利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质复合地基。

(2)方案二：高压旋喷桩。 利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至预定土层位置后，用高压设备使浆液或水以压力为20 MPa左右的高压流从喷嘴中喷出，破坏周围土体，同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合,浆液凝固后，在土体中形成固结体。

以上两个方案均有其特点。水闸现状由于地基淤泥层较厚，挖除既不经济、也不安全，考虑到地基处理后强度要求，高压旋喷桩方案成桩后桩基的效果较好，地基处理后的强度较高等优点。同时考虑到水闸位于闽江北港南岸防洪堤上，水闸的重要性较高。因此推荐采用高压旋喷桩作为基础处理设计方案。在高压旋喷桩施工前对原有的松木桩基础进行拆除，采用拔除松木桩的型式进行处理。故本次水闸闸室地基处理采用方案二。

3.3.2 地基处理计算

本次采用换填砂及高压旋喷桩复合基础作为水闸基础处理方案。先拔除原有的松木桩基础，高压旋喷桩沿闸室和门库底板四周连续布置φ600高压旋喷桩，中间部分采用φ 600@1500×1500高压旋喷桩，桩体深至淤泥层与卵石层分界线处。经加固后，可认为基底为中等坚实土，可以满足要求。复合地基计算成果表，见表3。

表3 复合地基计算成果

桩体置换率0.126，复合地基承载力特征值为115.40 kPa，满足规范要求。上董水闸经地基处理后，基础最大沉降为29.04 mm<150.00 mm，沉降量均满足规范要求要求。

3.4 消能防冲设施加固方案

(1)外江消力池及海漫段。 外江消力池段总长11.0 m，消力池深0.5 m，宽3.5～10.0 m，池底高程1.6 m，为C25钢筋混凝土结构。池底板厚度1.0 m，底板下设1.0 m换填砂垫层，并设置重75 mm 排水管，并用土工布包裹；消力池与闸室高差采用1∶4坡度连接。边墙顶高程为6.6 m,采用C25钢筋混凝土悬壁式挡墙结构，边墙厚0.8 m，背水坡坡比1∶0.1。

外江海漫段采用干砌块石护底，长12.0 m，宽度为10.0 m,海漫底板高程2.1 m，海漫厚度为0.5 m，下设土工布(400 g/m2)。

(2)内河护坦及海漫段。内河护坦段为C25钢筋混凝土结构，长5.0 m，宽3.5～6.5 m，护坦底高程2.10 m,护坦底板厚度0.6 m，底板下设0.1 m厚C10混凝土垫层、1.0 m换填砂垫层;护坦边墙顶高程为7.5 m，采用C25钢筋混凝土扶壁式挡墙结构，边墙厚0.80 m，背水坡坡比1：0.1。

3.5 闸基防渗设计方案

3.5.1 设计方案

根据工程地质报告，水闸的地基为淤泥，因此拟在闸室底板外江侧齿墙底设重600 mm高压旋喷桩防渗墙，桩距0.5 m，墙深12 m。并在闸室边墩外侧设置C20钢筋混凝土刺墙,顶宽1.0 m,底宽2.5 m,厚度为50 cm。刺墙底部与高压旋喷防渗墙相连，顶部与防洪堤的防浪墙相连。

3.5.2 抗渗计算

(1)基本条件。 闸址位于淤泥基础上，根据水闸设计规范，计算方法采用改进阻力系数法进行计算。上董水闸水平段和出口段允许渗流坡降值由《水闸设计规范》(SL 265—2016)表6.0.4查得。闸基渗透系数见表4。

表4 闸基渗透系数

(2)计算工况。 渗流计算采用改进阻力系数法，选取以下工况进行计算。

工况1:内河为20 a一遇涝水位6.75 m，外江为多年平均低潮位0.85 m；

工况2:内河为常水位2.60 m,外江为100 a一遇洪水 位7.02 m；

工况3:内河为20 a一遇涝水位6.75 m，外江为100 a一遇洪水位7.02 m。

(3)计算成果。 渗流计算采用改进阻力系数法，成果如表5所示。

表5 抗渗稳定计算成果

计算的水平段渗透坡降最大为0.142，满足规范要求;出口段渗透坡降最大为0.150，计算成果大于允许渗透坡降，满足规范要求。

3.6 启闭房加固改造设计方案

启闭房墙面存在裂缝，裂缝渗水;启闭梁、边梁整体完好，梁下部混凝土存在不同程度的混凝土保护层剥落现象。

本次加固改造设计拟对启闭房进行拆除重建，新建启闭房尺寸为4.5 m×4.4 m(长×宽)，新建启闭室为砖混结构，顶高程为17.45 m,启闭室顶为坡式，坡面高度为2.0 m,启闭房底板高程为12.50 m。新建启闭梁混凝土为C25钢筋混凝土。同时应加强控制施工质量。

3.7 交通桥及检修桥加固改造设计方案

(1)交通桥加固改造设计方案。 现状内河侧交通桥桥面高程为7.66 m，桥面宽4.0 m。交通桥设计荷载按公路 -Ⅱ级荷载。交通桥梁底多见顺筋裂缝。桥底板混凝土多见锈斑。交通桥两侧栏杆破损严重。本次加固改造设计拟对其拆除重建。新建桥梁为C25钢筋混凝土结构,新建交通桥为板梁式结构，桥面高程为8.20 m,桥面宽为4.0 m，设计桥板厚为150 mm，梁高800 mm。桥两侧护栏采用大理石栏杆。

(2)检修桥加固改造设计方案。 新建桥梁为C25钢筋混凝土结构，新建检修桥为单跨简支板结构，桥面高程为5.95 m，桥面宽为2.60 m，设计桥板厚为0.25 m。检修桥外江侧护栏采用镀锌栏杆。

4 结 语

上董水闸除险加固工程初步设计于2016年10月报批，2018年7月完成施工。与南江滨东段休闲璐一期工程规划历年相衔接，天福水闸外引港左翼墙采用钻孔灌注桩，可减少墙后土方开挖量，满足规划及景观需要，适本水闸加固方案可供类似工程参考。