新型桩式挡墙堤防结构安全监测——瑞安滨江四期防洪堤工程

吴方宁

(1．水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012；2．水利部农村水电工程技术研究中心，浙江杭州310012)

1 工程概况

瑞安滨江四期防洪堤工程位于飞云江北岸锦湖街道辖区内温福高速铁路桥至西门红旗闸，建设堤长2 200 m，岸线分三段，分别为岙底堤872 m、五里牌堤551 m、小横山堤777 m，防洪潮标准为20年一遇，属4级水工建筑物。堤顶高程为5.6 m，防浪墙顶高程6.0 m。

2 结构典型断面及特点

2.1 结构典型断面

由于地基土为淤泥质粘土，厚度达30 m，结构基础选型钻孔灌注桩，直径80 m，桩长40 m，桩底进入持力层含粘性角砾层2 m，沿堤轴线布置3排桩，桩间距1 m。上部结构部分桩顶为80 cm厚C30钢筋混凝土底板，底板与滩地面之间为杂石料回填。挡土墙设在中间排桩上方，外江侧为空箱式，内岸侧进行闭气土方分层压实填筑，墙外侧隔墩间距4 m(见图1)。

图1结构典型断面示意

2.2 结构特点

工程所采用的桩式挡墙和普通水工建筑物有相似之处，但也有其独自的特点。

(1)该堤防上部结构部分与扶壁式挡墙结构类似，隔墩可看做挡墙的扶壁，这样可有效结合扶壁式挡墙结构的受力特点，将挡墙内侧水平土压力传递至下部结构体系。考虑墙顶需要一个观光平台，外江侧与观光平台形成一个空箱式结构。

(2)挡墙内侧底板段可作为挡墙的趾脚，与下部灌注桩连接，形成一个减载平台，与挡墙组合为一个悬臂式翼墙结构，具有悬臂式翼墙的基本特点。

(3)挡墙外江侧河底高程较低，地基土力学性质很差，受内岸侧土方回填加载的影响，大大降低了边坡的安全稳定性；挡墙结构下部分钻孔灌注桩成为抗滑桩，抵抗滑动力。

3 监测项目布置及其目的

针对防洪堤挡墙结构的自身特点，依托传统安全监测的手段进行监测项目的布置，在每个典型断面布置了以下观测项目：

3.1 结构变形观测

结构主要特点为挡墙结构形式，结构变形观测是主要监测项目之一。在观光平台两侧布置2处综合观测点，用于观测结构的水平位移以及结构的沉降；监测防洪堤结构沉降和水平位移情况，了解堤身在施工期及运行期是否稳定和安全，掌握变形规律，研究有无滑坡、滑动、倾覆等趋势。

3.2 地面沉降

在闭气土方回填位置布置2个沉降监测测点，用于观测挡墙内侧地基及回填土石方的沉降情况。通过观测可以测得地基表面在各级荷载下的沉降量，然后分析沉降情况，引导施工加载加荷速率，防止加荷过快导致桩式挡墙结构变形过大；也可有助于后期准确估算施工期沉降量和工后填土预留沉降量。

3.3 基桩深层水平位移

为监测边坡的圆弧滑动趋势，监测桩基的变形就极其重要。在最外排基桩内侧布置测斜管观测孔，在灌注桩浇筑时将测斜管绑至钢筋笼上埋设，埋设管底至基桩桩底1 m高位置，用于观测基桩在施工及运行期的变形情况。通过分析基桩的变形情况，可以把握桩身所受水平力情况及桩基周围地基土的变形趋势，可分析边坡的滑动安全稳定性。

3.4 桩身轴力观测

通过对最外排基桩混凝土内埋设应变计，监测基桩混凝土应力变化。通过混凝土应力的观测，判断基桩拉应力区的存在位置，了解基桩的受力变形情况，推算地基土的滑动趋势，反演推算设计参数，优化设计计算结果。

3.5 孔隙水压力观测

在地基范围设置3孔，每孔4支共计12支渗压计，布设高程-3.0、-8.0、-13.0、-18.0 m。施工期间通过观测地基不同深度的孔隙水压力大小，用静水压力进行修正即可了解在各级荷载作用下地基土不同深度的超静孔隙水压力变化。同时，结合地表沉降观测成果可以了解地基土固结情况。孔隙水压力的观测成果也可以用来判断地基有无塑性开展、加荷速率是否过快，它是控制施工进度、了解固结效果的手段之一。运行期间可用以观测岸坡及基础渗流情况(见图2)。

4 监测过程

4.1 仪器选型及埋设

(1)应变计

应变计采用南京葛南实业有限公司生产的VWS型应变计。该类型仪器具有结构简单、精度高、抗干扰性能强、不易损坏、易实现自动化、测量方便以及可同时测量混凝土温度等优点，广泛应用于混凝土桩内、混凝土面板堆石坝以及隧洞围岩内，测量其内部应力状态；该仪器还兼具测温功能。主要技术参数如下：

应变测量范围：拉伸(10-6)：1 500，压缩(10-6)：1 500；灵敏度：≤0.5×10-6/F；测量精度：±0.1% F.S；温度测量范围：-40～+150 ℃；温度测量精度：±0.5 ℃；弹性模量：300～800 MPa。

应变计采用粘结埋设法，即在钻孔灌注桩钢筋笼下笼时用电工胶布将传感器测头粘结在相应的设计高程的钢筋上(见图3)。

(2)测斜管

测管采用ABS高精度管材，测斜仪采用伺服加速式活动测斜仪(常州金土木工程仪器有限公司生产JTM6400型)，其测杆直径38 mm，轮距500 mm，总长700 mm；测量范围±15°，灵敏度≤9″/F，测量精度±0.1% F.S，系统误差±4.5 mm/25 m，耐水压≥1 MPa，绝缘电阻≥50 MΩ。

图2 观测项目布置示意

图3应变计及测斜管现场埋设

测斜管采用预埋法，即钻孔灌注桩浇筑前预先在钢筋笼中固定测斜管。

(3)渗压计

量程：0.0～0.25 MPa；零飘 ≤2 Hz；重复性≤±0.4%F.S；使用环境温度0～50 ℃；防水压力120% F.S；非线性 ≤4%F.S。

渗压计采用钻孔埋设法进行埋设。

(4)综合观测点

结构顶部综合变形观测点采购带强制对中基座的国标不锈钢测点，在上部结构浇筑前预埋。沉降测量采用EL201型电子水准仪，水平位移测量采用日本宾得R—400型高精度全站仪用极坐标法或前方交会法。

(5)沉降板

挡墙内侧岸坡基础沉降监测选择埋设沉降板，使用EL201型电子水准仪进行水准测量观测沉降情况。沉降板在内侧土方回填前埋设。

4.2 监测过程

堤防结构施工主要分为3个过程：基桩、上部结构挡墙和挡墙内侧土方回填。依据施工进度埋设相应监测仪器，并进行相应数据采集。

第一阶段：基桩完成施工后，应变计、测斜管、渗压计等仪器埋设完成，因基桩上部并未加载，该阶段数据采集工作只作为初始数据。

第二阶段：上部结构浇筑完成后，基桩承受结构自重和挡墙外侧潮位周期性变化产生的水平荷载。该阶段对基桩混凝土应变计和深层水平位移以及挡墙结构的水平位移和沉降数据进行观测采集，该阶段挡墙并未受到内侧填土压力。

第三阶段：挡墙内侧土方回填期间，该阶段土方回填分层进行。同时，所有监测项目进行数据采集，分析观测数据，判断挡墙与基桩结构的安全稳定性，控制土方回填施工加载速率。

5 监测结果

5.1 监测结果

(1)基桩深层水平位移。分析基桩深层水平位移监测数据，从基桩深度—水平位移—时间关系曲线来看，自上部结构浇筑完成开始观测，桩体发生最大水平位移值为9.11 mm，位移方向为外江侧，位移最大位置位于基桩桩顶，发生时间为内侧土方回填完成时段；该时间段基桩结构主要受内侧土方回填加载和机械施工时机械荷载的影响，地基受到上部结构荷载影响，地基土产生变形，基桩受到地基土变形而产生变形。最大变形量符合设计及相关规范要求。

(2)结构水平位移。整个水平位移观测过程中最大水平位移量为33 mm，发生在土方回填完成时，后续完工观测累计结构水平累计位移最大为28 mm，出现少量回弹。同时，不同潮位引起的结构水平位移不同，土方回填加载之前，-3～2.5 m高程潮位影响结构水平位移幅度为4 mm左右，回填完成后，水平位移幅度为2 mm左右。挡墙结构水平位移累计符合设计控制要求。

(3)结构沉降。结构沉降最大为5 mm，结构沉降不大，且结构挡墙两侧沉降差在1 mm以内，结构沉降较均匀。桩基沉降符合控制要求。

(4)孔隙水压力。测点的孔隙水压力消散较为平稳，受潮位的影响较小。加载期间，受分层加载影响，孔隙水压力波动增长，孔压系数在0.5范围内(回填土重度以20 kN/m3计)，孔压系数符合控制指标要求，表明施工期间加载速率控制基本得当。目前各测点的超静孔隙水压力消散较慢，各测点孔隙水压力历时曲线无明显突变，测点孔压受潮位影响较小，表明基础抗渗性较好。

5.2 监测经验

(1)这种新型桩式挡墙结构安全监测过程中，土方回填施工期间的观测是最为重要的阶段，该阶段的观测结果关系到施工加载快慢进程控制，一些观测数据极值于该阶段发生。

(2)土方回填侧的加载对结构安全稳定性影响较最大，同时外江侧的潮位周期性变化对结构监测的结果也产生较大影响；因此，分析观测结果时，需要考虑外江侧潮位影响，使得分析结果更加接近实际。

(3)瑞安滨江四期防洪堤工程采用桩式挡墙结构作为堤防结构，做到了结构简单、设计新颖，满足安全可靠的要求。