沿海地区水闸防沉降关键施工技术

张力文

（广东省水利水电第三工程局有限公司 广东东莞 523710）

0 概述

沿海地区进行水闸建设时，都要解决好如下几个难题：①导流，如在旧河涌上建水闸，如何在软基上填筑围堰形成基坑进行旱地作业，保证结构施工顺利实施；②基础处理，既要保证水闸结构不因基础沉降而导致上部结构沉降或位移破坏，又要保证基础与周边土体能协同变形，防止水闸底板“脱空”；③防渗处理，保证水闸不致渗透破坏；④结构变形。围绕上述4 个目标，本文从施工技术的角度阐述应采取的措施和注意事项，达到保障水闸施工质量的目的。

1 水闸施工导流

1.1 水闸施工导流的方式

水闸施工导流分两种情况：①一次性全断面拦断河床，河水由另外的河涌或新修的导流渠导流；②分期导流，将河床先围一半后施工水闸，另外半边河床导流，待半边水闸施工完后再施工另外半边结构。对于没有过流要求的小型水闸施工可采用第一种导流方式，有过流要求的中大型水闸一般采用分期导流方式。不管是一次性全断面拦断河流还是分期导流，在软基上填筑围堰都有可能碰到围堰填筑不起来的情况，或者即使填上去也会发生滑移和崩塌的现象，导致无法实现围堰挡水的功能，必须有专门的应对措施。

1.2 围堰填筑方法

在软土上修筑挡水围堰有粘土围堰、钢板桩加砂土、模袋砂围堰［1］等形式。以上3种形式都比较常用，要结合现场条件来选用：一般沿海地区河口地段的围堰可采用模袋砂填筑，其特点是取材相对容易、施工速度较快、适应地基变形能力强、挡水和环保效果好，目前应用较广泛；对于内河区域，海砂（牛皮砂）无法泵送到的地区，可采用双排钢板桩加砂土［2］或者直接用粘土填筑围堰，建议优先采用双排钢板桩加填土的方案；如果堰基淤泥层太厚，且因条件限制无法采用模袋砂围堰时，如果直接填筑粘土和打钢板桩无法形成堰体，这时可在设计堰体坡脚线处抛填块石护脚，当块石护脚足以抵挡堰体的滑移力量时，在堰基处铺设土工织物，再在此上面填筑粘土，逐步形成堰体，如图1所示。

图1 三类围堰典型断面Fig.1 Sectional of Three Cofferdams

1.3 软基填筑围堰的施工参数

无论采用何种形式的堰体，都要控制好填筑速率和每层填筑厚度这两个施工参数。填筑太快，可能因加载太快导致堰基失稳破坏，填筑太慢又不经济，掌握好平衡点是关键。确定施工参数比较可行的办法是：在正式填筑围堰前，先运用有限元软件建立模型，然后模拟施工过程，初选每层填筑厚度，逐层加载，根据变形和稳定分析的结果，优化每层填筑厚度和加载速度，并选取合适的施工参数。另外，现场先做试验段，在试验段设置相应的监测设备，收集相关数据，验证理论模型，进一步修正模型的边界条件，选择最符合现场的施工参数，实行模拟➝试验➝理论修正➝实施的过程。

例如：某沿海挡潮水闸工程的围堰是填筑粘土，但在实施过程中，堰体在下卧层（淤泥层太厚）的带动下堰体局部产生滑移，堰体没法填筑到设计高程。在探测地层状况后，通过计算机模拟，先在堰坡脚抛填块石固边，再在中间填筑粘土的办法，并且控制填筑的速度的厚度，逐步填筑到顶，填筑速度是1层/d。同时在堰体下游坡埋设反滤料，让堰体尽快排水固结［3］，有利于围堰的安全和稳定。此案例经过监测，沉降数据除个别点略大于理论模型数据外，其余数据与理论计算基本吻合，如表1所示，堰体能满足使用要求。

表1 某水闸围堰沉降监测Tab.1 Settlement Monitoring of a Sluice Cofferdam

2 水闸基础处理

水闸基础处理是非常关键的施工环节，若基础处理不符合要求，就有可能引发闸室或岸墙沉降、倾斜、开裂等质量事故，有的还会影响到闸门的正常启闭，对水闸安全运行构成重大安全隐患，而且一旦发生这些缺陷，要消除和纠偏非常困难。因此，必须高度重视水闸基础处理的施工质量。目前的软土地基加固方式有很多，但对水闸而言，都有其适用范围和局限性。在进行软土地基处理时，应充分考虑水闸功能要求、材料来源、施工机械、施工工艺、施工安全、施工质量等因素，选择适合水闸基础处理的方式，目前软土地区水闸基础处理主要有以下几种：

2.1 换土垫层法［4］

该方法是通过使用砂石和水泥混合料、混凝土、水泥土等材料来换填软土层，以提高持力层的承载力、改善土层压缩性、减少地基变形。可通过地基承载力验算结合软基处理深度来决定换填一层或两层。在换填垫层时要注意以下3 点：①将软土层挖除干净；②取用换填料均匀，分层进行压实；③闸室下部不能用透水性材料换填，其渗透系数应小于设计要求。

换土垫层法适用于厚度不大（一般≤2 m）［5］的软土地基，其优点是施工简单方便，缺点是回填质量难于控制，本方法在用于较厚的淤泥地基时仍会有较大的沉降量，降低了可靠性，因此该方法不适合在深厚淤泥层中采用。

2.2 桩基法［5］

当软土层埋深较厚时，可利用群桩进行加固处理，桩基法尤其适用于上部为软土层，下部为硬土层的深厚地基。桩基法从受力特点的角度分有两大类：①桩体与土体结合形成复合地基，如水泥土搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩等，此法造价相对较低，但效果没有纯桩体支承的好；②纯桩体支承，如灌注桩［6］、钢筋混凝土预制桩等，无论采用哪种桩基础，都要注意以下事项：

⑴在正式施工前应进行工艺试桩，通过室内配比试验和现场工艺性试验来确定施工参数。

⑵ 在进行桩基钻孔时，开始阶段应适当控制进度，过快的速度易使得软土层坍塌；在发现倾斜、坍塌情况时应立刻停止钻进，采取有效措施后方可继续施工。

⑶桩要穿透软土层，尽量打到持力层上。为保证桩基施工质量，最好采用超前钻探明地质情况，避免碰到孤石造成误判。此外，地基承载力要能满足桩机在其上作业的荷载要求。

对于深厚淤泥层的地基加固，采用搅拌桩基时要特别注意成桩质量和桩长是否满足要求。由于地质和水环境等原因，有可能导致搅拌桩长时间不凝固，龄期到了还达不到设计强度，而且水闸施工一般都在枯水期，工期紧，有的项目搅拌桩还没达到设计强度就开始施工上部结构，这样会大大降低搅拌桩的承载能力，因此，对于深厚淤泥层，如果采用水泥搅拌桩的加固方式，一定要先做试验，判断地层中是否存在与水泥不相容的物质，如果地层水体中存在使水泥不凝固的物质，要及时与设计会商，采取妥当的方案（选用特种水泥、添加外加剂或者改变基础加固方式）；其次，在正式实施前要进行现场原位试验，选取合适的施工工艺参数；另外，胶凝材料要采用高标号水泥（52.5 以上），水泥用量70 kg/m 以上［7］，达到龄期后，要进行检测，检测内容包括单桩质量、复合地基承载力、沉降速率等，检测合格后才能做上部的结构工程。

对于沉降速率过大的地基，一定要分析原因，并采取进一步的措施，直到符合要求才能施工上部结构。

桩基在平面上的施工顺序，搅拌桩与灌注桩和管桩有所区别，对于刚性桩基，施工顺序应先外围后中部，有利于挤密地基；对于柔性桩基，特别是有格栅布置的搅拌桩，应先施工格栅中间的单桩，后施工外围的格栅，防止单桩施工时因土体置换挤压对格栅造成破坏。

在软土上施工搅拌桩基时，为保证桩机不致沉陷，一般在淤泥层上面先铺一层石粉或粒石，桩基施工完成后，该石粉层应以挖除；如果原地面以下是承载力较好的粘土层，建议先不要挖除，直接在上面进行桩基作业，若桩基顶设计高程没到原地面，可以在原地面至设计桩顶高程之间留空桩的形式（该段不喷浆），既可以保证桩基施工顺利进行，又能节约成本。

3 闸基防渗处理

水闸的主要功能是挡水，因此，闸体和基础防渗处理是非常重要的施工内容，特别是基础防渗，如果处理不好，一旦发生绕渗，将增大闸室和消力池的扬压力，产生渗透破坏，直接威胁水闸的稳定和安全。根据工程经验，如果闸底基础为砂砾层，在实施垂直防渗体时，采用高喷帷幕的型式防渗效果不太好，最好采用地下连续墙或咬合排桩。因为在砂砾层实施高喷时，水泥浆在喷射时会被大颗粒的砾石阻隔，影响高喷桩体之间的连接，在帷幕中存在渗透通道，也就影响防渗效果。在淤泥地层实施高压喷浆幕墙时，由于受地质和环境水质的影响，防渗的效果也无法完全保证。而地下连续墙或板桩墙［8］可以较好地解决上述问题，其施工质量相对较容易控制，防渗体一定要穿过透水层，并嵌入持力层1 m以上［8］。

在防渗体施工时，地下不能有动水，如有动水，应采取相应的措施阻断动水来源，或者采用合适的外加剂，如水玻璃和早强剂等，加快防渗体成型。

如果是采用管桩或灌注桩等刚性基础，桩基施工时临时填的砂石料应以挖除，挖除后的空间用不透水材料回填夯实。那么在闸室施工完成后，应对底板与地基接触部位进行回填灌浆和接触灌浆［9］。防渗体必须嵌入闸室底板，形成完整的防渗体系［10］，防渗体施工完成后，一定要经过相应的检验或试验，判定是否达到防渗要求，否则，必须返工重做，直至符合要求。

4 水闸主体结构施工

经实践总结，施工顺序对水闸结构建成后沉降稳定有直接的关系［9］，一般应遵循如下原则：①在竖向，重量大、建基面高程低的结构体要先施工，如闸室、岸墙、消力池等，不允许先施工建基面高后施工建基面低的结构；②在平面上，水闸施工应分区进行［11］，对于整个水闸下部都是软基的，混凝土浇筑应从两岸往中部跳段推进，如图2 所示；对于只有河床中央局部软基，两岸的地基良好的闸室施工，可以从中部往两岸推进，但需在软基边界处留出一连最后施工，有利于变形协调，如图2 所示；③在同一联内，应先浇筑闸墩部位，后浇反拱底板。

图2 水闸闸室施工顺序Fig.2 Construction Sequence of Sluice Chamber

闸室和消力池之间施工要注意节奏搭接，一般先施工闸室底板，后施工消力池，再逐步上闸墩结构。如果等全部闸墩做好后再开挖消力池基础，有可能会因闸室下部加载过快而导致消力池基础隆起的现象，这时候对闸室和消力池的施工质量都很不利，因此，要保持闸室结构和消力池施工的相对平衡。

闸室和岸墙（连接体）的施工顺序，选择不当也会造成水闸局部下沉、开裂或挤压变形等现象［12］，一般应先施工岸墙连接段，并及早填筑堤防（开挖部分），然后再施工河床闸室段。岸墙连接段除了基础埋深较大外，该部位还要回填土方，荷载较大，应该先施工，让它沉降一段时间后再施工相邻的闸室，可以达到协同变形的目的，减少因不均匀沉降对水闸结构的损害。

闸室段的施工应采取跳块施工的方式，同时要把与岸墙连接段相邻的那一联闸室放到最后施工，其余各联跳块施工也是减小不均匀沉降的办法之一，可从两岸向河床中跳块推进，此时，可根据先前施工的各连闸室沉降情况调节最后一联的钢筋和模板安装尺寸，有利于闸室整体线条的平顺。

岸墙背后回填土必须控制填筑速度和每层填筑厚度［13］，因填筑速度过快或一次填筑大厚都有可能导致岸滑移或倾斜，类似的工程案例也曾发生过［7］。因此，对于岸墙背填土，虽然施工技术不复杂，但千万不能掉以轻心，一定要有相应的填筑方案，并严格按批准的方案实施。

水闸施工纵剖面如图3所示。

图3 水闸施工纵剖面Fig.3 Longitudinal Section of Sluice Construction

5 结语

在沿海地区进行水闸建造，为避免因地基沉降等原因而发生质量安全问题，施工时应特别注意如下几点：①围堰可采用模袋砂围堰，易于形成堰体，加快施工进度；②地基及防渗处理要从材料、机械、环境、方法等方面选择最合适的方案，同时应特别注意闸室底板下端的回填灌浆和接触灌浆，保证不因地基下沉导致底板下部“脱空”现象；③闸室各联的施工顺序跟水闸的沉降有密切的关系，因此，水闸结构施工次序要选择最有利于闸室稳定的方案，确保施工质量。