尹家沟闸加固工程设计变更原因分析及处理措施

王 昕

(潘集淮河河道管理局，安徽 淮南 232082)

1 工程概况

尹家沟闸位于淮南市潘集区高皇镇境内汤渔湖缕堤上，始建于1951年，目的是排除泥黑河内涝，汛期防止淮河洪水倒灌。尹家沟闸系泥黑河入淮控制闸共2孔，每孔净宽5m，闸底板高程13.5m，设计排涝水位闸上20.20m，闸下20.00m，设计排涝流量105m3/s；设计防洪水位闸上19.0m，闸下水位24.4m，最大设计水位差5.4m。尹家沟闸为钢筋混凝土箱式结构，闸室长15.00m，闸身总宽度26.00m。下游消能采用挖深式消力池，深0.7m，长14m，钢筋混凝土结构，后接15m长混凝土海漫；上游防冲采用7.0m长混凝土加9.2m长干砌石护坦。尹家沟闸地基为砂质土，分别于混凝土护坦、消力池及海曼末端设置杉木桩基。尹家沟闸灌溉面积约61万亩(含汤渔湖行洪区内耕地)。1954年淮河大水，尹家沟闸外淮河水位达23.68m，因设计标准偏低，汛期异常危险，经抢护后免于溃决。为提高防洪能力，闸及堤均于1956年加固。1956年抗旱引水时上游护坦被冲动，1967年加固并接长护坦10m。

为了满足引水灌溉的要求，2007年又增做了反向消能防冲工程。尹家沟闸反向引水消能加固设计主要内容为增设上游侧消力池和延长防冲海漫[1- 5]。设计拟保留混凝土护坦，拆除砌石护坦，于混凝土护坦后设置0.6m厚C25混凝土消力池，池深0.4m，池长12m，其中1∶5斜坡段长2m，面层配置φ12@300双向钢筋网。汛期为有效降低底板扬压力，于消力池后6m段设置反滤和冒水孔，孔径φ80，梅花形布置，间距1.5m消力池后接11m长浆砌石海漫，面层厚0.6m，分别下设0.1m厚碎石和0.1m厚黄砂垫层，砌筑砂浆强度等级为M10；浆砌石海漫后接12m长干砌石海漫，面层厚0.3m，下设0.1m厚碎石垫层，末端设深0.8m防冲齿墙。

2 设计变更及原因分析

工程实施过程中，根据实际情况做了两次较大设计变更：①增设下游围堰，取消减压井：原施工组织设计上游侧设围堰挡水，下游侧利用闸门挡水，为确保施工期闸基渗流安全，于消力池前端设两口φ300mm，深10m的减压井。由于积水无法排干，减压井方案难以实施，当围堰内抽水至14.5m左右，即在原上游护坦部位出现许多小泉眼，明显有粉沙涌出，继续排水恐引起地闸基变形[6- 8]。为确保安全，设计变更采用下游围堰方案，于河口处填筑一道土围堰，围堰设计顶高程19.50m，顶宽2m，水上边坡1∶3，水下边坡1∶5。②取消挖深式消力池，改做消能墩，砌石海漫改手摆石：尹家沟闸基粉砂层较厚，距河口较近，地下水受外河及降水影响，十分丰富，施工采用明排和轻型井点降水均不能满足要求，致原设计方案无法实施。另据反映，1967年加固接长上游干砌石护坦就因地下水无法处理而改为抛石。本次排水施工1月有余，因无施工导流，受连续降水的影响，泥黑河水位偏高，逼近19.00m，造成周边洼地被淹，近期内必须拆除围堰放水。另经排水后检查，上游原砌(抛)石护坦基本完好，无明显冲刷。综合以上因素，为使工程得以顺利实施，经商有关方面，决定取消挖深式消力池，于混凝土护坦末端增设两排消力墩，排距1.5m，前排7个，后排6个，等间距错缝布置；保留原砌(抛)石护坦，原设计浆、干砌石海漫改为手摆块石护底，取消新增干砌块石护坡。另下游侧消力池后混凝土海漫历史上曾发生冲刷，做水下抛石处理，本次加固对抛石做进一步整理补充。变更后的设计如图1所示。

图1 设计变更后的平剖面图

3 尹家沟闸加固井口塌陷处理方案

本方案采用水泥粘土灌浆，灌浆孔呈梅花型布置，在堤肩两侧向井口方向分别布置7、6、5、5、5孔，分为五排，孔距3m，排距3m，孔径30～50mm，上下游、左右岸共112孔，孔底高程13m，平均孔深10m。粘土灌浆施工工艺流程如图2所示。

4 施工方法

图2 粘土灌浆施工工艺流程图

4.1 灌浆孔布置及造孔

本处理方案为水泥粘土灌浆，布置在堤顶中心线两侧至井口塌陷影响范围以外6m处。根据现场位置定位放线，孔位沿堤顶中心线两侧呈梅花型布置灌浆孔，排距3m，孔距3m。钻孔时，钻杆要标识刻度。采用机械钻机钻孔，钻孔孔径30～50mm，孔位偏差不得大于10cm，孔底高程不得高于闸底板高程，钻孔采用干法造孔，不得使用清水循环钻进。在钻孔过程中，应进行孔斜测量，并采取措施控制孔斜，孔斜应控制在孔深的1%以内。灌浆孔的施钻应按灌浆程序，分序分段进行。所有灌浆孔均应全孔测斜，采取可靠的措施防止孔斜，如发现钻孔偏斜超过规定时，应及时纠偏，孔深符合设计要求后，方可开始灌浆。所有钻孔应用木塞等妥加保护，直到验收合格为止。

4.2 灌浆

4.2.1灌浆材料

灌浆水泥采用425#普通硅酸盐水泥，且每克水泥具有的表面积不小于2400cm2，运输、储藏谨防受潮结块。浆液配比中土料的物理力学指标与土质均匀性至关重要，不同类别的土料配出的浆液性能差别甚运。粘土需就近购买，按取土区的开挖线采用人工挖土拖拉机运输，采用面层式取土，取土前清除表层杂质、耕种土、苇根、稀软淤泥等。自然料土的土粒比重一般在2.70～2.74之间。粘土灌浆固结受水位影响较大，在饱和土层中固结时间长，掺加水泥，改善浆液固结性能，可加快水泥粘土浆的固结，但固结过程中，易形成固结骨架，限制水分流失时体积的收缩，使浆体产生细小的水平裂缝。因此合适的配合比十分重要。具体配合比除参照表1外，通过现场实验确定。浆液的物理力学性能应符合以下要求:容重1.3～1.5t/m3，粘度30～100s，稳定性小于0.1g/cm3，胶体率大于80%，失水率20～45cm3/30min。

表1 不同浆液配比表

4.2.2灌浆试验

在灌浆前后，分别做注水试验。每1km应至少做一组对比试验。①根据工程地质条件等实际情况，选择地质条件与实际灌浆区相似的200m地段作为试验区。②灌浆作业开工前7d，编制详细的试验大纲。根据灌浆工程施工图纸的要求按监理人的批示进行试验，并选定试验参数。③在灌浆试验区内，按批准的灌浆试验大纲拟订的施工程序和方法进行灌浆检查灌浆的效果，应整理分析各序孔和检查孔的单位吸水率、单位耗灰量等试验资料，并将灌浆试验成果报送监理人审批。

4.2.3灌浆

本工程为水泥粘土灌浆，采用分段分序灌注，先灌上游孔，再灌下游孔。灌浆分二序进行，一序孔取2倍的孔距，即第隔一孔灌注一孔，一序孔完成后钻灌二序孔，最终达到孔距3m的要求。灌注时，注浆管口首先下到高程13.0m处，主要充填高程13.0～16.0m，灌注3次之后，注浆管口下到高程15.0m处，加强上部灌浆，两次复灌，除个别有洞穴堤段需再补灌外，大部分灌浆孔充填密实，可终止灌浆。灌浆间隔时间，吃浆量大时，至少间隔5d进行复灌；当单位孔深吃浆量小于0.1m3时，间隔3d，可进行复灌；灌浆开始先用容重为1.2t/m3的稀浆灌注，以疏通浆路，经过3～5min后，再加大泥浆稠度，进行正常灌注，每米孔深第一次注浆量不宜超过0.5m3。若孔压力较小或出现负压，且持续时间较长，应加大浆液稠度，但不应超过浆液最大容重，每孔灌浆次数一般不少于5次。本合同标段灌浆孔压力控制在0.3～0.6kg/cm2。作好灌浆记录。

充填灌浆遵循“先稀后稠，先灌多复”的原则进行。灌浆时，若每米孔深吃浆量连续三次小于0.1m3时，即可终止灌浆。灌浆完毕，待周围泥浆不再流动，用与孔径相近的标杆扫孔到底，以钻孔孔径相适应的含水量适中的粘土求分层捣实，封堵至孔口。

对大堤进行充填灌浆，将改变大堤原有的应力状态，使大堤产生纵向裂缝，个别部位冒浆串浆，堤防产生相应沉陷。因此，灌浆过程中，必须加强对堤防的观测。以灌浆压力、灌浆量、裂缝、冒串浆观测为主，堤防变形观测为辅。灌浆过程中，应有专门观测人员负责观测工作，全面控制灌浆质量，及时发现和解决问题。每灌注孔都要观测灌浆压力、灌浆量、大堤裂缝情况、冒串浆现象，并作详细记录，作为该隐蔽工程检验数据。通过这些观测控制灌浆压力、灌浆时间，以达到最佳灌浆效果。

4.2.4灌浆中出现的问题处理

(1)裂缝处理：堤防出现横向裂缝时，应立即停灌检查。如果裂缝浅，可以开挖回填粘土，夯实后继续灌浆，否则要用稠浆灌注，先灌上游，再灌下游。

(2)冒浆处理：堤顶或堤坡冒浆，应立即停灌，挖开冒浆出口，用粘性土料回填夯实；钻孔周围冒浆时压力不大，灌浆量较小，可采用压沙处理，而后继续灌注，水下堤坡或土堤与建筑物接触带冒浆，可采用稠浆间歇灌注。

(3)串浆处理：当灌注第一序孔时，临孔串浆，应加强观测、分析，如确认对堤身无影响，灌浆孔和串浆孔可同时灌注，如该孔吃浆量不足，可用木塞堵住串浆孔，然后继续灌浆，灌注二序孔时，相邻孔串浆，可减少一次灌浆量。

(4)塌坑及隆起处理：在塌坑部位挖出部分泥浆。回填粘性土料，分层夯实。发与现堤坡隆起时，应立即停灌，分析原因，如确认不是与滑坡有关的隆起，待停灌5～10d后，可继续观测，并注意监测。

(5)机械故障的处理：在施工过程中，承包人应采取有效措施妥善处理机械故障，保证施工的顺利进行。

5 结论

尹家沟闸反向消能防冲工程设计变更的原因是由于缺乏原始地质资料，设计阶段对地基复杂程度认识不够，不能很好考虑基础降排水方案，造成工程实施过程中变更较大，基础降排水时间过长，影响了工期。并对尹家沟闸堤肩两侧向井口方向塌陷采用水泥粘土灌浆加固处理方案进行了具体的设计。通过对设计变更的原因分析和灌浆处理方案的设计，提示我们在今后水利工程设计中，尤其是水工建筑物设计中，应充分重视地质勘察等基础工作。

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