透水软基上大跨度闸室结构选型——走马塘江边枢纽船闸闸室大跨度结构设计探讨

高兴和 严栋兴 吕 犇

（江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司 江苏苏州 215128）

1 引言

经国家和省发改委审批实施的走马塘江边枢纽工程是走马塘在长江交汇口处设置的重要控制性建筑物。针对松散粉砂土地基的特殊地质条件，本文就其中对投资影响较大的船闸闸室结构，通过多方案综合比选设计研究，选择水泥搅拌桩复合地基上的大跨度整体坞式结构，经施工实践检验，达到了设计预期的效果。

2 工程概况

工程位于张家港市境内的七干河入江口处，由节制闸、船闸和鱼道三部分组成，是水利结合航运的通江控制性枢纽建筑物。其中，船闸与节制闸分开布置，船闸按通行 1000t标准货船设计，闸室总长 240m，净宽 23m，闸室分节长度15m，共16节。

闸室基础坐落在松散粉砂土地基上，厚度6～10m，渗透系数 1.28×10-3cm/s，中等透水，地基允许承载力85kPa，为透水软弱地基，需结合结构设计进行相应的地基加固处理。下卧层为中密－密实的砂壤土，承载力较高。

3 结构方案的引入

鉴于闸室总长度较长，且跨度较大，相应工程量较大，闸室结构方式的确定，对工程投资影响较大，为合理选择闸室结构，体现经济、适用的设计原则，结合透水软弱地基上的防渗及地基处理设计，有必要进行多方案设计比选。

闸室方案的选择，需综合考虑工程地质条件、总布置要求、闸室输水条件、防渗和抗浮安全等因素。由于闸室净宽较大，高宽比小，常用的钢筋混凝土单铰或双铰悬臂式结构因底板悬臂及偏心距较大，抗浮难以满足要求，已不再适用。经仔细筛选，适合本工程的有钢筋混凝土整体坞式（方案1）、空箱扶臂式（方案2）和撑锚直墙式（方案3）等三种结构型式。

4 闸室结构方案设计

3个方案均为钢筋混凝土结构，闸室断面均为轴对称结构。各方案结构布置、基础处理及防渗排水设计如下：

4.1 复合地基上的整体坞式结构方案（方案1）

（1）结构设计。采用倒“∏”型钢筋混凝土整体坞式结构，利用大跨度整体底板降低地基应力。由于闸室为全封闭结构，可较好地解决透水地基的防渗安全问题。根据大体积混凝土精减体量，进一步优化大跨度结构受力条件的需要，底板和墩墙均设计为变截面结构，底板总宽28m，厚 1.6～2.8m，墙高 10.3m，墙厚 0.6～2.6m，底板两端悬挑0.85m抗浮。（见图1）。

（2）基础处理。由于采用整体全封闭结构，闸室基底应力减小，满足软土地基上的闸室承载及沉降要求。采用水泥搅拌桩形成复合地基，设计面积置换率0.25，桩长7～12m。

（3）大体积混凝土抗裂措施。大跨度整体闸室结构属大体积混凝土，需采取适当抗裂措施，减少大体积混凝土内部温升，控制内外温差，避免产生温度裂缝。经测算，抗裂措施费增加约105元/m3，投资比选时一并计入。

图1 复合地基上的钢筋混凝土整体坞式闸室结构图

4.2 复合地基上的空箱扶壁式结构方案（方案2）

（1）结构设计。采用分离、透水的空箱挡墙式闸室结构，结构主要尺寸：闸室墙底板宽10.2m，厚 0.8m，墙身厚 0.6m，空箱宽 4.3m，闸室底部结构总宽41.5m（见图2）。

（2）基础处理。对于空箱挡墙式闸室结构，因空箱减小并均衡闸室挡墙基底应力，也可采用水泥搅拌桩复合地基，满足承载力和地基变形要求，设计面积置换率0.33，桩长12～14m。

（3）闸室防渗排水设计。对于粉砂土上的分离式透水闸室结构，因防渗水头较大，仅靠水平防渗是不够的，必须采用垂直防渗和水平防渗相结合的方法，才能满足粉砂土地基的防渗要求。闸室墙底板以及闸室墙前 5m宽度范围的闸室底部设为水平防渗段，防渗铺盖厚 0.5m；中间为透水铺盖，厚 0.5m；其下反滤层厚 0.5m。同时，翼墙底板的后齿下设置混凝土地下连续墙防渗，墙顶高程-3.3m，墙底高程-19.5m，墙厚0.3m（见图 2）。

图2 复合地基上的钢筋混凝土空箱扶壁式闸室结构图

4.3 钢筋混凝土地下连续墙上的撑锚直墙式结构方案（方案3）

（1）结构设计。根据工程总体布置要求，闸室两侧具备锚拉布置条件，采用钢筋混凝土地连墙上的撑锚结构，利用底部顶撑和上部锚拉作用构成闸室稳定体系，可同时有效解决闸室防渗和闸室地基处理问题（见图3）。

图3 钢筋混凝土地下连续墙上的撑锚直墙式闸室结构图

撑锚闸室墙分为上下两部分，高程 2.0m以下为钢筋混凝土地下连续墙，墙厚 0.8m，高程2.0m处设钢筋混凝土导梁，锚杆自导梁通过张紧器与两侧钢筋混凝土锚锭墙上锚杆连接，形成稳定的闸室锚拉结构，锚杆长20m，直径80mm，间距 2.5m，2.0m以上为钢筋混凝土直墙，墙厚0.6m。闸室底部设四道纵横分格的钢筋混凝土顶撑结构，撑梁断面b×h=（0.8～1）m×1.5m。根据结构布置需要，闸室结构总宽65.1m，施工开挖总宽度约80m。

（2）防渗排水设计。为满足施工期闸室降水防渗及撑锚结构承载变形要求，钢筋混凝土地下连续墙墙底高程为-25.0m，闸室护底为顶撑框格内的钢筋混凝土铺盖，厚 0.4m，透水结构铺盖上设冒水孔，铺盖下设反滤排水层，总厚0.5m，为减小墙后水压力，降低锚拉结构内力，墙后设降排水系统，收集地下水进入排水井，并通过排水管道排向内河。

5 闸室结构方案比选

根据以上方案设计，3个方案在技术上均可行。为了进一步确定闸室结构推荐方案，应从工程造价、结构和施工技术等几个方面进行综合比较，按结构可靠、投资省、施工方便的原则，综合确定闸室结构方案。

5.1 经济比较

对3个结构方案分别进行工程量统计，对照相应子目编制其单价，并分别列出分项子目造价，汇总后得出各方案造价见表1。

表中造价比较显示：方案1虽然闸室结构造价较大，但由于闸室为全封闭结构，省去了防渗排水工程费用，且地基应力较小，相对基础处理费用较低；方案 2、3虽然闸室结构较省，但增加了防渗排水工程费用，且基础处理费用较高。统计结果表明：整体坞式结构因结构简单，施工模板及脚手等措施分摊费用相对较少，因而，混凝土综合单价较低，计入大体积混凝土抗裂措施费用后，总造价仍然最省。

5.2 结构技术比较

经以上结构设计，确定了各方案的结构尺寸，且结构设计均满足规范要求，故技术上3个方案均可行。但由于结构型式不同，各方案在结构技术上各有优缺点，各方案结构优势比较如下：

（1）整体坞式结构。该结构具有整体性好、刚度大、地基应力小以及抗渗性能好等优点，在满足抗浮要求的前提下可有效地解决防渗问题。由于基础处理采用了搅拌桩分节梯级加深的处理方法，加上分期填土、回升地下水位、预留沉降和预留二期混凝土后浇带等措施，弥补了搅拌桩复合地基在沉降变形方面的不足，可较好地满足地基承载稳定和变形要求。

表1 闸室结构造价比选汇总表

（2）空箱扶壁式结构。该结构具有透水、地基应力均衡、结构内力较小等优点，但地基承载力要求较高，与方案1相比，满足闸室结构稳定需要，闸室挡墙地基应力相对较大，搅拌桩复合地基处理深度较深，且桩距减小，基础处理工程量相对增大。在防渗排水方面，必须另外增加防渗排水工程措施，解决工程运行及检修期防渗排水及结构稳定问题。

（3）撑锚直墙式结构。钢筋混凝土地连墙上的撑锚直墙结构可同时有效解决松散粉砂土闸室防渗和地基处理问题，但闸室底部的顶撑和上部导墙结合锚杆的锚拉作用，使得施工期和运行期结构受力复杂多变，结构技术要求相对较高。

5.3 施工技术比较

就3个方案结构而言，方案1、2在施工方法上均为常规施工，无特殊施工技术要求，施工实施简单易行；方案3由于顶撑、锚拉作用必须按设计程序分先后完成，其钢筋方案地连墙和锚定墙施工、锚杆张拉、灰土及素土回填等工序，施工精度要求高，土方开挖也必须按相应程序进行，不但施工期结构受力复杂多变，而且施工技术要求也相对较高。

3个方案的工程施工进度和难度因工序和内容繁简不同而不同。方案1基础处理完成，基坑开挖并封底后，即可进行底板和闸室墙施工，施工内容最少，工程施工难度最小。方案2次之，方案 3除了地连墙基础处理和闸墙顶撑结构施工外，还有两侧锚定墙、锚杆张拉、灰土回填、排水系统等工程的施工，其施工内容最多，施工难度最大。在施工工期上，整体坞式结构施工工序最少，工期最短，空箱扶壁式方案次之，撑锚直墙方案施工工序最多，工程施工工期最长。

针对粉砂土地质特性满足旱地施工要求，施工期必须进行降排水处理。各方案结构尺度不同，闸塘开挖深度、宽度均不相同，导致降排水措施费用有所区别。经测算，方案1底板宽度最小，闸塘开挖面积小，整体底板浇筑后，便可形成较好的旱地施工条件，降水周期最短，费用较低；方案2开挖宽度增大，降水面积较大，因底板为透水结构，满足施工期闸室防渗要求，降水周期相对较长，费用较高；方案3因地连墙先期实施，利用其防渗作用，闸室内的降水面积减小，但由于闸室外开挖宽度较大，仍需大面积降排水，降水费用比方案1高，比方案2略省。

5.4 比选结论及推荐方案

综上所述，以上3种闸室结构方案在设计技术上均可行，相比较方案1更安全可靠。在投资方面，结合防渗和地基处理，计入大体积混凝土方案抗裂措施费用和施工期临时降排水措施费用，方案1的搅拌桩复合地基上的整体闸室结构投资最省。在施工难度和工期方面，方案1难度最小，工期最短。另外，在工程建成、运行后期的维护和管理方面，方案2、方案3需要检修的工程项目内容相对较多。因此，3个方案相比之下，搅拌桩复合地基上的整体闸室结构方案综合起来具有明显优势，为推荐采用方案。

6 闸室沉降处理措施

虽然复合地基上的整体结构地基应力较小，但闸首结构由于荷载较大采用灌注桩基础，闸室与闸首之间地基处理的差别，必然导致两者之间存在一定的沉降差(不均匀沉降)。因此，解决好闸室与闸首之间的安全衔接问题是整体闸室结构设计成败的关键。

根据复合地基的特性，面积置换率指标控制复合地基的承载力，处理深度（桩长）决定地基变形量。因此，可适当调整面积置换率，加深复合地基的处理深度，尽量将桩底落到好土层，使设计成果做到既能满足复合地基承载力要求，又能将地基变形减小到规范允许的范围内。经研究，通过以下几个简易可行的技术措施，有效地解决了闸室沉降带来的闸首与闸室安全衔接的问题。

（1）分期填土。施工期闸室地基应力最大，放水后，整体闸室在水的浮力作用下，地基应力将减小。实际施工中，土方回填可分期、分批实施，预留土方在放水之后回填，可减小地基应力，达到减小施工期沉降的目的。

（2）回升地下水位。整体闸室墩墙封闭之后，随着墙后填土的抬高，可撤除墙后降排水措施，让墙后地下水位慢慢回升抬高，利用地下水的浮托力作用，减小整体闸室基底应力，不但节省降排水措施费用，而且可减小施工期闸室沉降。

（3）梯级加深基础。位于过渡段的闸室首末各3节基础处理深度呈梯级加深，通过加深第1、2节基础处理深度，减少其沉降量的同时，将闸首与第1节闸室之间的沉降差分摊到3节闸室墙上，进一步减小沉降差。

（4）预留沉降。施工阶段预留适当的沉降量，使其沉降后的高程更加接近于设计高程。

（5）二期混凝土后浇带。第 1节闸室墙与闸首衔接处可预留 2m宽度的后浇带，以二期混凝土与闸首衔接，让闸室整体沉降后再与闸首衔接，以避免沉降的闸室结构拉坏止水，确保全封闭闸室结构防渗安全。

（6）加强止水。设置两道铜片止水以加强止水，放水前，再用JSP遇水自膨胀橡胶条对接缝进行封闭处理，确保结构防渗效果达到设计要求。

7 大跨度、大体积混凝土的抗裂措施及效果

对于钢筋混凝土大跨度整体闸室结构，因结构厚度和体积较大，属大体积混凝土，必须采取适当的工程措施，避免产生结构有害裂缝。针对工程实际情况，设计通过优化结构体积、改善地基约束条件，并采取布管通水冷却、掺抗裂外加剂以及配置温度钢筋（提高架立钢筋含钢率）等多个设计措施加以控制。同时结合施工方面的自拌混凝土选用中低热水泥、控制水灰比、优化混凝土配合比、施工温度控制及监测、养护等施工控制措施，有效地实现了大体积混凝土内外温差小于 25℃的设计控制目标。经统计测算，实际增加大体积混凝土抗裂措施费用约98元/m3。目前，闸室结构已验收通水，裂缝常见发生部位始终未发现有裂缝发生。通过设计和施工的多重有效控制，在大跨度、大体积混凝土结构抗裂方面获得了较好的效果。

8 结语

在松散粉砂土地基上大跨度闸室结构设计中，通过综合比选，推荐采用的水泥搅拌桩复合地基上的整体坞式结构方案。此方案具有整体性好、刚度大、地基应力小、抗渗性能好、结构简单、施工方便等优点。通过墙后分期回填、回升地下水位、梯级加深复合地基、预留沉降、加强止水和设置后浇带等一系列简易可行的措施，加上大体积混凝土抗裂控制措施，不但节省工程投资，而且有效地解决了大跨度整体闸室结构抗裂、基础处理、防渗、抗浮、稳定和沉降等一系列结构设计问题。该工程已验收通水，工程实测数据显示闸室之间，特别是闸室与闸首衔接处变形差均小于设计控制值，且闸室大体积混凝土结构始终未有裂缝发生。经施工实践检验，本工程在大跨度闸室结构选型设计、大体积混凝土抗裂、沉降变形等方面的设计研究，达到了设计预期的既经济又确保结构安全的效果。

因设计周期较紧，本工程只是按常规方法进行设计，未能尝试进行“非常规”结构设计研究，如各种条件许可，类似工程可将预应力技术引进大跨度水工结构的设计中，为水下大跨度结构设计尝试新方法、开拓新思路。