耳闸枢纽老船闸两岸挡墙稳定加固处理

刘修水

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

耳闸枢纽是新开河首闸，始建于1919年，位于天津市河北区八马路和志诚道之间，闸上为海河干流，闸下为新开河，由顺直水利委员会负责设计和施工，在原滚水坝的基础上建成耳闸枢纽工程，由拦河节制闸、船闸及之间的分水岛组成。主要功能是汛期分洪；平时挡水、通航[1-2]。

船闸位于拦河节制闸右侧，1921年建成。上下闸首为浆砌条石结构，船闸孔宽5.2m，闸室长115m，原设计可通航50～100t级船队，用以沟通天津市区至北塘、汉沽等地的航运枢纽。

近百年来，船闸在历史上曾对天津市水陆航运起了一定作用。随着现代交通工具的发展，船闸已失去了航运的功能，现成为海河历史风貌建筑，故人们又称其为老船闸。

根据天津市1951～1980年气象资料，本地区年平均气温12.2℃，最高气温39.7℃，最低气温-22.9℃。多年平均降雨量559.9mm，60%以上集中在7～8月。多年平均风速3.0m/s，最大风速28.0m/s，主要风向为北西—东南向。

根据地质勘察及2003年完成的地质勘察成果显示，在揭露的60m深范围内的地层，其土层依沉积年代、沉积环境、岩性及工程地质特性，可以划分为2层。第1层为河堤部位地表层，为人工填土。上部为素填土，呈褐黄色，团块状，由黏土、石灰及砂粒组成，胶结良好，该层平均底高程为-3.95m；第2层为全新统陆相层。土质为粉质壤土，褐黄色，潮湿，松散，含砂粒及贝壳碎片，上部含水量较高。该层在ZK9号孔附近为淤泥质粉质壤土，灰黑色，接近饱和、软塑状，属高压缩性土，层底高程-8.79m，平均厚度4.54m。

2 加固缘由

由于工程老化，老船闸两岸存在明显的地基沉降和护砌破损现象，经鉴定列为水利病险工程。

在船闸室抽水施工期间，右岸八马路一侧距闸室岸边约5.0m和7.0m位置，大致平行闸室岸边出现两条纵向裂缝，裂缝宽度达20～30mm，长度约100m。同时两岸坡上部直墙段局部又出现了明显倾斜，左岸办公区院落的地面出现了不同程度的塌陷、裂缝，说明岸墙的稳定存在问题。

由于左岸为信息中心办公室，一旦出现塌岸易造成坍塌，危及职工人身安全和造成国家财产损失；右岸八马路一侧，由于海河改造常有重型运料车通行，在载重和振动的影响下，时刻威胁着岸墙稳定。因此，对船闸室两侧岸墙采取有针对性的加固处理措施是非常必要和迫切的。

3 加固处理措施

3.1 处理方案

船闸两侧岸墙加固处理措施可归纳为两个方案。

3.1.1 方案1[3]

砂浆锚杆+表土置换方案优点是锚杆两端受力明确，加固效果相对较好；缺点是工程量大，施工技术要求高，施工设备和施工程序转换复杂，施工时对周边影响干扰大，还需移走右岸的变电箱和切断八马路的交通等。

3.1.2 方案2

土钉墙方案加固效果可靠，施工技术比较简单，施工程序单一，施工时对周边的影响和干扰比较小，故推荐方案2。

3.2 土钉钻孔

土钉钻孔应布满闸室两侧整个岸坡。最顶端的一排钻孔左岸布置在地表以下0.65m，即高程3.705m的位置；右岸顶端第一排筋布置在墙顶以下0.65m，高程4.665m。下部各排沿护坡坡面布孔，排距1.5m，由上至下布置6排。土钉行距1.5m，钻孔孔径采用φ100mm（护坡面锚头部分扩孔至150m）。钻孔方向与坡面呈90°角，直墙段钻孔方向与水平面夹角为15°。钻孔深度按照现状裂缝的滑孤计算，锚杆穿过滑弧面2m。

3.3 土钉结构设计

3.3.1 滑裂面确定

滑裂面通常有直线滑裂面、双直线滑裂面及圆弧滑裂面等，对船闸的边坡而言，边坡外的土体长期浸泡在水下，地下水位以下土体呈饱和状态，在闸室抽干水时，闸室两侧路面已出现纵向裂缝。饱和土体的边坡失稳多为圆弧滑动，故本设计将滑裂面确定为圆弧面也是安全的。该圆弧经由边坡坡脚及裂缝位置，滑弧圆心通过《土坝设计》中“寻找最危险滑裂圆弧的方法”求出，滑裂圆弧的圆心位于边坡坡脚及裂缝位置两点的垂直平分线上，并通过“最危险滑裂圆弧”的控制区，垂直平分线刚好交在其控制区的边界线上，该点即为所求滑裂圆弧的圆心，经计算滑裂圆弧半径R=100.7m[4]。

3.3.2 水压力计算

取斜坡顶水面为自由水面 （高于正常水面），水面高程3.105m，设计水深H=4.565m，斜坡长度L=8.5m，设计土钉行距Sx=1.5m。

当闸室抽干水时，每行宽斜坡下的水压力如式（1）：

式中 H为设计水深（m）；γ为水容重（kN/m3）；L为斜坡长（m）；Sx为土钉行距（m）。

本工程计算水压力P为291.02kN，如图1。

图1 斜坡面地下水压力分布

3.3.3 土钉抗拔力标准值

土钉的抗拔力为土钉穿过破裂面后土钉长度的阻滑力，因此需复核土钉的抗拔标准值。每根土钉抗拔能力标准值如式（2）：

式中 LB为土钉伸入破裂面外约束区内长度（m）；τf为土钉与土体间的抗剪强度标准值（kN/m2），τf查《锚固与注浆技术手册》[5]；D为钻孔直径（m）。

单根土钉抗拔力，土钉穿过破裂面（7m处产生的破裂面）长度2m，孔直径100mm，τf按稍密砂土考虑取160kPa/m2，计算结果如表1。

表1 单根土钉抗拔能力计算

3.3.4 坡面稳定计算

闸室外水压力对护坡呈三角形分布，与闸室内水压力大小相等方向相反，随水深的增加而增大。土钉抗拔力呈矩型均匀分布，如图2。

图2 斜坡面土钉拉拔力分布

表明，只要最低一排土钉抗拔力能满足要求，则以上各排土钉均满足抗拔要求；只要nTx≥2P即能满足坡面的稳定要求。因此每行宽土钉抗拔力的合力为行宽水压力的2倍。

土钉穿过滑裂面的长度一般为2～5m，进入稳定土体的长度由下至上可适当减短，此时土钉抗拔力呈梯型分布，仍能满足坡面稳定要求。

3.3.5 锚头稳定复核

土钉锚固在斜坡面板上的部分为锚头，如外水压力直接作用在0.6m厚的斜坡面板时，应复核锚头的稳定。

3.3.5.1 单根土钉锚头拉力

锚头长0.6m，孔径150mm，因护坡表面为砖护砌及三合土垫层，故按密实砂土考虑，τf取270kPa/m2，计算结果如表1。

3.3.5.2 斜坡自重

每根土钉控制土体积的重力沿土钉方向的分力如式（3）：

式中 θ为船闸斜坡面倾角 （°）；γ为土的容重（kN/m3）；Sy为土钉沿坡面的排距（m）；其余符号同前。

土钉拉力与护坡重力分力之合大于或等于水压力的2倍即满足稳定要求。

船闸两岸的纵向裂缝是在闸内抽干水的情况下，岸坡已处于极限平衡状态。土钉的锚固力大于现状的外水压力，岸坡就不会失稳。按此原则计算，闸室现状水位为4.565m。因此需复核土钉的拉力。

每根土钉抗拔力标准值Tx计算如式（4）。

式中 LB为土钉伸入破裂面外约束区内长度（m）；τf为土钉与土体间的抗剪强度标准值（kN/m2），τf查《锚固与注浆技术手册》；D为钻孔直径（m）。

3.4 土钉加固施工技术要求

采用土钉墙技术加固闸室两侧岸墙时要求：

（1）土钉钻孔的轴向偏差应不大于10cm。

（2）为了增加土钉钢筋与土体之间的摩擦力使之形成一体，钻孔内尤其是锚固端所用的水泥砂浆应按要求添加膨胀剂。

（3）为了防止地下水对岸墙的作用，加固处理前必需做好施工排水。

（4）为了尽量减少施工对原有结构的破坏，左右侧岸墙不拆除，临时工程中应加强对现岸墙的保护，钻孔过程中破坏的表面部分应进行修复，特别是对长期露出水面的部分。

（5）闸室两侧的岸墙斜坡段的护砌为砌砖和灰土，直墙段为条石，施工时严禁用重锤敲击，钻孔时建议采用回转钻，以减少对原有结构的振动和破坏。

（6）若采用排水井降水，在土钉钻孔时找好方位，确保钻孔不要钻进排水井。

（7）在土钉施工前应对地基进行必要的钻探和试验，测定土层的各种物理指标。

（8）土钉施工前应进行现场试验，确定施工程序和测定抗拉拔力。

3.5 施工排水

本工程施工排水包括闸室排水和降低两岸地下水位。

对闸室排水，应在闸室两岸的地下水位降低至-2m以下，且趋于稳定后再进行，其主要目的是尽量减少地下水对岸坡的压力。

闸室内的排水要求水位降落的不能太快。因现状两侧岸墙已处于极限平衡状态，如果水位骤降，将会引起岸坡的突然失稳。控制每昼夜水位降幅不超过0.3m。

4 结语

（1）土钉穿过圆弧滑裂面2m，采用土钉墙加固方案，经计算满足要求。

（2）船闸的外水压力计算取用的水位以斜坡面的顶高程为准。不稳定因素是外水压力造成的，计算水位应该是闸室经常出现的稳定最高水位，短期高水位不会改变船闸的外水压力。因出现的水位都在斜坡顶以下，故认为取用的计算水位是安全的，也是可靠的。

（3）船闸在正常状态下，闸室两岸内外水压平衡，其大小相等、方向相反，故易得出外水压力；锚固力必须大于或等于外水压力，计算理论清晰。