洞庭湖区软土地基水闸不均匀沉降问题浅析

钟达聪，王育飞，刘 湘

(1．广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523710；2.华容县大通湖东垸分洪闸管理所，湖南 岳阳 414200)

1 工程概况

大通湖东垸分洪闸工程位于华容县注滋口镇东浃村湖堤，是国家重大节水供水工程，工程总投资为20 230万元，是长江中下游防洪体系的重要组成部分。

分洪闸布置在原湖堤内侧，闸室轴线与原湖堤中心线平行，并相距72 m，过流总净宽为160 m，闸室总宽为190 m。闸室为低实用堰结构，共16孔，为两孔一联结构形式，联段宽度为23.5 m，单孔净宽为10 m，中墩厚1.5 m，两侧缝墩各厚1.0 m。闸室底板顺流向长20 m，建基面高程为24.5 m。闸室闸顶高程为35.60 m，闸室低实用堰顶高程为28.0 m，低实用堰以外的平底部分高程为26.50 m，底板厚度为2 m。两侧连接段为土堤，堤顶高程为35.60 m。闸室段与连接土堤间设置了箱形岸墙，岸墙宽16 m，顺水流向长22.5 m。闸室上游设置了防渗铺盖和护坦，进口两侧喇叭口采用扶壁式挡墙结构。闸室下游设置了消力池、海漫和防冲槽。

2 地质条件

大通湖东垸属河湖相堆积地貌单元，区内分布地层为第四系冲湖积堆积湖积、河流冲积和人工堆积层。区内地下水类型为孔隙潜水和孔隙承压水，水位受汛期外湖水位影响较大。闸基工程地质情况见图1，各土层力学及渗透性指标见表1。

表1 大通湖东垸分洪闸土的物理力学及渗透性指标推荐值

a 地质探孔平面布置

闸基第四系覆盖层主要为粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉细砂、粘性土、砂壤土、粉细砂、砂卵砾石，防洪堤分布素填土[1]。闸基多为全新统冲湖积堆积Q4al+l淤泥质粉质黏土夹薄层粉细砂及砂壤土透镜体，淤泥质粉质黏土呈流塑～软塑状，厚度为5～7 m，其孔隙比和天然含水率大，压缩系数高，抗剪强度低，透水性弱，因而淤泥质粉质黏土地基承载力低；加之其分布厚度不均，使淤泥质土物理力学性能在垂直和水平分布上有所差异，主要存在渗透变形和软土引起的不均匀沉降及抗滑稳定、抗冲刷稳定等工程地质问题。

根据地勘报告及现场开挖后揭露地质情况来看，分洪闸各建筑物地基大多位于淤泥质粉质黏土夹薄层粉细砂层中，为软土地基，由于其具有高压缩性，承载力低等特点，在上部建筑物荷载作用下，易发生较大的沉降。闸室西侧第7、8联持力层有部分为砂壤土，相对东侧1、2联地质稍好，砂壤土具有中等压缩性，承载力相对较高，在上部建筑物荷载作用下，沉降量相对软土地基小，易导致地基产生不均匀沉降变形。

3 地基处理设计

设计采取水泥土搅拌桩复核地基的处理方案，搅拌桩成格栅式布置，每联共布置886根，置换率为0.312；桩径为500 mm，单桩长13 m，水泥掺量为18%，桩顶设50 cm厚水泥土褥垫层和10 cm厚砼垫层。

闸室左右两侧边墩与土堤连接处设空箱岸墙，左右各两节，每节宽16 m，顺流向长22.5 m。建基面高程为24.5 m，顶部高程为35.6 m。箱涵岸墙底板厚1.5 m，顶板厚0.5 m，外侧墙厚0.75 m，内隔墙纵横向各2道，墙厚0.5 m，中部空腔填土高程为30.5 m。

两侧连接堤为3级堤防，连接一线大堤与分洪闸闸顶交通桥。连接堤与原大堤成210°夹角布置，其中左岸连接堤段长273.0 m，右岸连接堤段长283.7 m。堤防外边坡回填至35.60 m高程，然后与原堤防连接成一整体，内边坡为1∶3。堤顶设8.5 m宽堤顶路面。连接土堤的土料来源为原大堤开挖料和部分结构开挖料，为粉质黏土，设计压实度要求不小于0.93。

箱形岸墙与连接土堤处20 m范围设置了水泥土搅拌桩，桩间距975 mm，排距分别为1.2 m、1.8 m，共布置搅拌桩378根，置换率为0.143。水泥土搅拌桩桩径为500 mm，单桩长13 m，水泥掺量为18%。以缓解土堤段沉降对岸墙的影响。

4 沉降发生过程、处理措施

2017年11月，大通湖东垸分洪闸正式开工。2018年9月，开始对闸室进行沉降观测，2019年4月闸门安装完成。2019年6月发现闸室出现不均匀沉降，且沉降差不断扩大。2019年10月将岸墙箱体内土方减载开挖，从原设计高程30.5 m挖除至高程28.5 m，沉降扩大速率减缓，但仍继续发展。至2020年3月4日，闸室两侧1、8联变形较大，中间2～7联变形较小。监测数据显示：分洪闸上游侧的16个临时水准点(见图2)的平均沉降量为68.3 mm，其中第1联平均沉降量为154.6 mm，第8联平均沉降量为104.3 mm，中间2～7联沉降相对均匀，平均沉降值为45 mm。由于不均匀沉降，导致两侧边联伸缩缝张开、止水局部拉裂。

图2 大通湖东垸分洪闸工程安全监测临时水准点布置示意

2020年4月9日，建设单位组织专家召开咨询审查会议，制定了应急处理方案和后续加固措施。根据咨询意见，施工单位在2020年6月前完成闸室沉降初步处理，主要措施包括：修复伸缩缝止水、连接段增设搅拌桩和上游翼墙墙背削坡减载。同时，增设了箱形岸墙、上下游挡墙、上游铺盖等位置的临时观测点，并进行了持续系统的观测[2]。

2020年7—9月，分洪闸超警戒水位运行近2个月，闸前最高水位超设计分洪水位为0.3 m，闸门止水效果良好，水闸运行正常。

2021年7月6日，项目法人组织了闸室地基沉降处理结果专家评审会议，评审意见如下：经过沉降处理，截止2021年6月30日监测数据显示闸室地基整体平均沉降值77.2 mm，第1联平均沉降量为151.3 mm，第8联平均沉降量为136.6 mm。中间2～7联平均沉降值为58 mm。两侧闸室的不均匀沉降，导致第1、2联与第7、8联之间的伸缩缝发生变形，其中第1、2联之间的上游闸墩顶部伸缩缝最大宽度达105 mm(原设计宽度为20 mm)，第7、8联之间伸缩缝最大宽度为66 mm。从2020年10月份起，闸室地基沉降基本稳定。

图3、4中横轴桩号从东至西开始排布，0桩号为第1联室，188桩号为第8联室。

图3 闸室上游侧各水准点沉降量空间分部曲线示意

图4 闸室下游侧各水准点沉降量空间分部曲线示意[3]

5 沉降形成的原因

5.1 沉降复核计算分析

影响水闸软土地基沉降的因素主要有地基土的厚度、重度、强度、压缩性、渗透性；结构物的形状、体积、重度地基处理方法加载方式及加载速率等[4]。以下通过对各部位的不同地质参数和结构参数进行沉降理论值复核计算，并将理论值和实际监测数据对比。

1)闸室沉降复核

水泥搅拌桩复合地基的压缩变形包括复合土层的平均压缩变形S1和桩端下未加固土层的压缩变形S2。

(1)

Esp=mEp+(1-m)Es

(2)

式中：

pz——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值，kPa；

pz1——搅拌桩复合土层底面的附加压力值，kPa；

Esp——搅拌桩复合土层的压缩模量，kPa；

Ep——搅拌桩的压缩模量，kPa；

Es——桩间土的压缩模量，kPa。

根据《建筑地基处理技术规范》[5]，搅拌桩的压缩模量Ep取130 MPa。

S2采用分层总和法[5]，计算影响深度范围内的各土层压缩量之和。

计算公式：

(3)

式中：

S——地基最终变形量，mm；

S′——按分层总和法计算出的地基变形量；

φs——沉降计算经验系数，取0.6。

n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数；

p0——基础底面处的附加压力，kPa；

Esi——基础底面下第i层土的压缩模量，MPa；

zi、zi-1——基础底面下第i层土、第i-1层土底面的距离，m；

地基变形计算深度，应符合下式要求：

(4)

式中：

复合地基沉降量计算各参数及结果见表2。

表2 复合地基沉降量计算

按水闸完建工况的基底平均应力计算，复合地基计算总沉降量为9.86 cm，满足水闸规范对沉降量的控制要求。相比实际观测数据沉降量峰值：1联室+5.27 cm，8联室+3.8 cm，2～7联室-4.06 cm(“+”偏大，“-”偏小)，说明中间联室沉降可控，两侧边联室沉降受到不利因素影响，沉降值加大。

2)岸墙沉降复核

岸墙沉降计算方法与闸室沉降相同，经计算，岸墙沉降计算结果为：原设计沉降计算值为14.74 cm，与闸室不均匀沉降相差4.88 cm，满足规范要求；施工过程中沉降计算值为19.06 cm，与闸室不均匀沉降相差9.2 cm，超出规范值。相比实际观测数据沉降量峰值：+4.32 cm，说明受到不利因素影响加大了沉降值。

3)新建堤防沉降复核

因地下水位较高，土体在地下水位以下，自重应力采用浮容重计算[6]。沉降计算最终厚度以附加应力与自重应力比值为0.2左右来控制，本处沉降计算深度取值为35 m左右。

堤身和堤基的最终沉降量，可按下式计算[7]：

(5)

式中：

S——最终沉降量，mm；

n——压缩层范围的土层数；

e1i——第i土层在平均自重应力作用下的孔隙比；

e2i——第i土层在平均自重应力和平均附加应力共同作用下的孔隙比；

hi——第i土层的厚度，mm；

m——修正系数，可取1.0，软土地基可采用1.3～1.8，本处软土地基取1.3，非软土地基取1.0。

新建土堤堤高6 m，经计算，沉降值为17.5 cm，与土堤旁的岸墙结构沉降接近。

经以上计算成果可知，闸室两侧结构的理论沉降量均比闸室部分大，由此容易产生不均匀沉降现象，但不均匀沉降应在规范值范围内。而实际建设过程中，产生的不均匀沉降超出了理论计算值，且沉降超限位置集中在岸墙和闸室两侧边联。这点和理论计算的闸室两侧堤防、岸墙地基沉降量较大的特征吻合，由此推测闸室两侧堤防和岸墙地基沉降带动闸室边联地基沉降。

5.2 不均匀沉降原因综合分析

第1联、第8联均为闸室边联，与岸墙、新建土堤相连，其基底应力及沉降受两侧结构施工和沉降影响较大，理论上相比2～7联的沉降更大。目前从现场实际观测情况来看，第1联、第8联沉降明显较其他联室偏大，且实测沉降量比理论计算沉降量偏大，出现左右不均匀现象。主要有以下4方面原因：

1)本工程位于洞庭湖区，闸址地基存在较厚淤泥质软弱土层，土层的物理性能受地下水等情况影响较大，而洞庭湖区地下水丰富，且水位受汛期影响较大，流塑状态的土层地质情况受地下水影响也容易发生变化。此外，地勘资料难以全面反应各个建设阶段基础处理部位的地质情况，相关计算参数取值只能代表地勘作业时期的地质情况，与实际施工阶段存在差别，导致应力计算结果失真，沉降控制措施达不到预期效果。2～7联室沉降相对计算结果偏小，1、8联室相对计算结果沉降偏大，从而沉降差比预期大，不均匀沉降现象更加明显。

2)中间闸室段沉降较小且均匀、两岸闸室段沉降较大、不均匀的规律说明两侧闸室段的沉降受到连接段边荷载的影响大，中间闸室受影响较小。搅拌桩底的监测点数据表明，1联、8联沉降量大部分发生在地基处理桩体以下的位置，且沉降变形也与岸墙及连接段填土时段明显相关，说明两侧连接段填土加载，引起地基沉陷，从而带动两侧闸室和岸墙的地基向连接段沉降，造成闸室1联、8联基础整体向两侧倾斜。另外，堆载速率越快，则等价于加载模式等趋近于瞬时加载，沉降速率也随之加快[8]，由此相对于缓慢堆载更容易带动周边土体沉陷，加剧了闸室边联的沉降，增大了闸室结构之间的不均匀沉降量。

3)施工过程中箱形岸墙内空腔堆土过高，增加了岸墙荷载，岸墙基底应力加大，引起沉降加大，加剧了不均匀沉降，发现该情况后，将箱形岸墙内空腔堆土清至28.5 m高程后，岸墙沉降速率减缓，由此近一步说明荷载过重，减载措施有效。

4)现场桩体检测、地质剖面图和沉降监测数据表明：8联的沉降比1联的沉降小，其主要原因是8联位置地质含砂壤土层厚度比1联厚。水泥土搅拌桩的成桩效果在沙壤土中相对较好，且成桩后桩体抗压强度相对较高。淤泥质粉质黏土的地层，水泥土搅拌桩的成桩效果稍差，成桩固结需要的时间更长[9]。大型水闸选址的时候如果地质不一致，结构地基范围跨越淤泥质土和沙壤土。采用相同的水泥土搅拌桩处理方式进行地基处理，搅拌桩成型后，虽然都达到设计要求，但不同区域的搅拌桩抗压强度、复合地基承载力和压缩量不一致，也容易加大结构的不均匀沉降量。

在上述多种因素的影响下，使得不均匀沉降扩大。采取闸室两侧土体减载和桩基础加固等措施后，沉降现象得到控制，且局部发生回弹，沉降量缩小等现象，近一步佐证了超载等沉降形成的原因和减载等处理措施的合理性。

6 沉降影响评价

从计算复核和运行情况看，闸室稳定满足设计要求，闸室沉降已基本稳定，两侧虽发生了较大沉降，但闸室未发生水平位移，闸室整体结构完好，闸门可正常启闭，伸缩缝经处理后满足防渗要求，分洪闸整体安全，满足正常运行要求(工程实景见图5)。

图5 大通湖分洪闸完工实景(2022年6月7日汛期拍摄)

7 结语

洞庭湖区地质条件复杂，同期建设的钱粮湖垸、共双茶垸分洪闸和三大垸安全区建设中的水闸也出现了不同程度的不均匀沉降问题。因此，设计、施工、建设等单位要对软土地基的不均匀沉降问题引起高度重视，提前预防控制。

1)加强地质勘探工作，因地制宜，选择经济合理、可靠性更高的软基处理方案。水泥土搅拌桩技术虽较成熟，但实际存在施工质量不易控制和成桩效果达不到设计预期的问题，尤其在地下水位较高且流动的地方，水泥土搅拌桩成桩效果有待进一步研究。建议加强地质勘察工作，加密在结构物周边的地质勘测点，结构选址尽量选择土层接近的均质地基。地质条件较差、可能引起周边地基沉陷带动建筑物地基沉降的，应根据荷载情况适当调整扩大地基处理范围和深度[10]，或者采用桩基础、砂桩结合水泥搅拌桩等处理软土地基的方案优化地基处理的效果[11-13]。

2)软土地基上的水闸，要充分考虑边荷载对边闸室的不利影响，尽量保证建筑物结构自重均衡、荷载大小过渡缓和。如大型水闸两侧翼墙和堤防连接段的形式，建议采用斜坡、锥坡结构，让荷载逐步增加，起到过渡缓冲的作用。必要时，可先填土堆载预压，待地基固结后再施工。

3)加强边闸室和连接段的地基处理措施，设置软性过渡装置，可考虑增加结构缝的宽度和缝内填充物的厚度。防止不均匀沉降拉裂止水装置和减小不均匀沉降对主体结构的影响。

4)合理安排结构物施工次序。水闸混凝土浇筑施工以闸室为中心，按“先深后浅、先重后轻、先高后矮、先主后次”的原则进行，预留“重、高”结构部位沉降时间，在连接段施工前，让结构沉降稳定，再安排连接段施工，并做好预防结构部位加载导致二次沉降的措施。

5)建筑物周边填土应注意填土的顺序和速度，均衡上升，同时考虑填土速率及大小对监测预警值的影响，进行动态调整[14]。避免因填土方式不当或速度过快造成建筑物受力不均，从而发生不均匀沉降或滑移。

6)加强工程安全监测，发现异常，立即查明原因，采取合理的处理措施进行控制。

为了洞庭湖区软土地基水闸建设中不均匀沉降可控，相关设计、施工和建设等单位技术人员要多查阅类似工程案例，吸取经验教训，熟悉地质情况，严格、加强工程质量管理，定期进行安全监测，分析沉降的原因，及时采取处理措施，预防和减少不均匀沉降的发生，促进湖区水利工程建设健康可持续的发展。