大套船闸除险加固工程设计重难点与解决方案

陶圣叶，於维伟，浦 庆

(盐城市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 盐城 224002)

1 概述

盐城市大套船闸是盐城市最大的综合性跨流域调水工程——通榆河枢纽工程的重要组成部分，位于滨海县城以西8km套坎路与通榆河交汇处，北距废黄河4km，南距苏北灌溉总渠约8km，是通榆河上重要的航运枢纽，担负着确保通榆运河安全畅通，为社会和航运企业提供优质服务的重任。大套船闸工程为Ⅲ级通航建筑物，主体工程为2级水工建筑物，其他永久性建筑物为3级。设计最大船舶吨位为1000t，船闸闸室平面尺寸为16m×220m×3.3m。

根据2020年7月盐城市水利局安全鉴定结论，大套船闸安全类别为二类闸，大套船闸现状人字型闸门损坏严重，存在问题较多，已严重影响船闸的安全运行，因此须对船闸进行除险加固。

文章从设计角度出发，为了确保大套船闸除险加固工程在施工过程中的安全稳定，根据工程施工的主要流程，对存在安全隐患的步骤进行了分析，提出解决方案，且最终在施工中得到了验证，证明了方案的合理性与可行性。

2 工程总体分析

大套船闸除险加固工程主要建设内容为人字门、阀门工程等金属结构项目的维修加固。因人字门在运行过程中会突然下沉，在闸门完全关闭时存在回弹情况，同时伴随着纵向连接系严重变形，闸门存在变形和漏水等现象，故本次需要对大套船闸的闸门进行彻底的检查和大修。

大套船闸除险加固工程需在通榆河航道断航期间进行，避开汛期，采用干法施工。本次工程施工主要流程如下：安放上闸首检修闸门→调整闸室水位与下游水位相平→安放下闸首检修闸门→闸室抽水，对墙后地下水进行同步降水，闸室水位抽降至底板面层→闸门维修→拆除下闸首检修闸门→拆除上闸首检修闸门。

根据本次施工主要流程，最容易出现安全隐患的步骤主要在抽水期和施工期闸室处于无水状态时的稳定性，文章主要对以上两种状态下闸室的稳定性进行研究和设计。

3 工程地质与水文地质

3.1 工程地质

大套船闸闸址处地面高程为3.5～5.5m(废黄河零点，下同)，勘区内土层自上而下分述见表1。

表1 勘区钻探范围内主要土层相关参数表

3.2 水文地质

根据工程勘区水文地质工作单孔注水试验，钻探范围内主要含水层及有关数据见表2。

表2 勘区钻探范围内主要含水层及有关数据表

4 闸室稳定设计

大套船闸工程由上下闸首、闸室、上下游导航墙和上下游靠船墩组成。其中上下闸首、上下游导航墩及上下游靠船墩均为常规结构，按照正常的设计考虑即可，文章不再细述。闸室采用分离式结构，闸室墙型式下部为钢筋混凝土地下连续墙，上部接现浇钢筋混凝土锚锭板墙，闸室底板处设钢筋混凝土顶撑框构，底板型式为干砌石透水底板，墙后设自流排水设施及抽降水井，自流排水设施功能为运行期排除墙后地下高水，排水管出口位于下游翼墙上，并设置逆止拍门，抽降水井功能为施工期、完建期、大修期抽降墙后地下水，闸室底板面高程为-3.5m，闸室净宽16m，闸室墙顶高程为5.6m，顶宽0.6m。

闸室结构如图1所示。

图1 闸室结构图(高程单位：m；尺寸单位：cm)

4.1 突涌验算

一方面闸室底板与两侧墙身为分离式结构，另一方面闸室底板型式为干砌石透水底板，为防止闸室底板发生承压水突涌，确保本工程顺利实施，首先进行闸室突涌验算。

本次突涌验算主要验算闸室底板至承压含水层顶间的土压力应大于承压水的顶托力，即

Hγs≥Fsγwh

(1)

式中，H—闸室底板至承压含水层顶板间距离，m；γs—闸室底板至承压含水层顶板间土的加权平均重度，取18.65kN/m3；h—承压水水头高度到承压含水层顶板的距离，m；γw—水的重度，取10kN/m；Fs—安全系数，取1.10。

闸室底板抗突涌示意图如图2所示，突涌计算成果详见表3。

图2 闸室底板抗突涌示意图

表3 承压水安全系数计算成果表

经计算，在3-3层与5-1层承压水作用下，安全系数均小于1.10，承压水水头能顶裂或冲毁底板，发生突涌。因此，需要在检修期降低承压水水头，经计算，在满足规范要求的情况下，降水深度至少为3.78m，即降水高程为-2.55m以下。

4.2 降水方法的选择

本工程需要降低墙后地下水和承压水。

降低地下水的方法有集水明排和井点降水，经复核，大套船闸原设计墙后排水管和检查井依然能有效降排地下水；承压水需要通过井点降水的方法来降低，井点降水是通过对地下水施加作用力来促使地下水的排出，井点降水有轻型井点、喷射井点、电渗井点和管井(深井)井点等方式，大套船闸闸室两侧原设计分别布置管井5口，经检查确认，其中1口已经损坏，4口已经堵塞，剩余5口深浅不一，详情如图3所示。故本次降水的重点在于承压水降水。

图3 大套船闸降水井检测结果图

经比较，洗井与新打井概算价格相差不大，参考原有降排水设计方案，本次设计采用新打管井降水方案，参考原设计降水井布置，初拟新打管井10口，均布于闸室两侧，直径为30cm，井深20m，井口中心间距52.5m，井口中心距离闸室中心线20m。大套船闸新打管井布置如图4所示。

图4 大套船闸新设降水井布置图(单位：cm)

4.3 降水设计

本工程降水地下渗流特征如图5所示。

根据图5，属于第二类基坑渗流。此类降水的围护结构未深入降水含水层，其地下水渗流特征是由于不受围护结构影响，基坑底部承压水内外连续相通，呈二维流态，为无界基坑平面渗流。

图5 大套船闸工程降水地下渗流特征图(单位：m)

已知混合地下常水位为1.00m，基坑最低处高程为-3.50m，深层水水位为-11.52m，故H=1.00-(-11.52)=12.52m，S=1.00-(-3.50)=4.50m，渗透系数K=1.1×10-3cm/s(0.95m/d)。

(1)降水影响半径

(2)等效半径

A=40×210=8400m2

(3)抽水影响半径

R0=R+X0=81.98m

(4)降水系统总涌水量

工程采用管井井点降水。将整个布井范围视为一个大口井(如图6所示)，采用如下的承压-潜水井稳定流公式计算满足工程降水要求的基坑总出水量：

图6 大套船闸工程降水井分布图计算简图

(2)

计算得出

=1154m3/d(0.0134m3/s)。

(5)管井过滤器进水部分单井的单位进水量

(3)

式中，r—滤管半径，m，按设计取用0.18m；l—有效滤管长度，m，根据表2，主要渗水层为3-3层，按设计取用1.25m；K—渗透系数，m/d，取0.95m/d。

(5)工程需设置降水井数

n=1.1Q/q=1.1×1154/129.11=9.83，降水井数取10口。故本工程初拟降水井(即新打管井、余同)数量满足设计要求。

(6)工程实际抽水监测

本次闸室抽水时间为2021年5月5—9日，闸室2台水泵抽水，墙后降压井共10台水泵，24小时抽水。

抽水期间，控制闸室水位随墙后降水井水位下降而下降，开始降水井水泵放置在-1.00m高程处，待水位降至与闸室底板高程(-3.50m)相平时，将水泵放置在-7.00m位置，24小时抽水，每日观测一次水位。详细观测数据见表4。

表4 闸室墙后降压井水位观测表

根据观测数据得出以下结论：在闸室抽空之前，控制闸室水位同墙后降水井水位齐平或略高，墙后降水井降至-2.2m左右时，控制水位不再发生变化，抽空闸室。根据观测资料，闸室底板没有渗水现象；根据变形观测数据分析(详见安全检测章节)，水位已稳定，且不会造成闸室墙位移。

5 安全监测

在除险加固过程中，为确保检修期的施工安全，需监测船闸在检修期的稳定情况，便于及时发现异常情况并采取措施，也为今后的船闸检修改造提供参考数据，本次检修期对闸室墙等水工建筑物进行了位移、沉降等观测工作。

根据GB 50026—2007《工程测量规范》、JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》及JTS 131—2012《水运工程测量规范》中对位移、沉降观测的各项规定，本次采用GB 50026—2007规定，以大型船闸监测点位中误差为±(3～6)mm作为本次观测工作的精度指标，沉降观测点的高程中误差为±0.5mm。

本次位移沉降均采用天宝S9全站仪测量，该仪器测角精度为0.5秒，测距为0.6mm+1ppm，该仪器可以自动跟踪瞄准，观测三维坐标数据自动记录并保存。

每次观测应遵守“四固定”原则，即观测使用同一台仪器，观测人员固定，观测路线固定，观测环境和条件基本相同。

在整个除险加固过程中，位移和沉降共观测了16次。得出如下观测结论：闸室墙无上浮趋势，左岸、右岸均有向闸室中心线位移的趋势，但均未超过标准(位移突变值为5mm，累计为12mm；沉降突变值为5mm，累计为10mm)，闸室墙基本稳定。

通过本次安全监测结论以及现场竣工验收成果，本次降水设计满足规范要求，也是安全可靠的。

6 总结

本工程采用干法施工，闸室底板为干砌石透水底板且存在承压水，重点需要基坑深层降水设计，从后期的检测资料、现场查勘结果以及对施工单位的回访，普遍认为本次管井降水设计是安全可靠的。

本次研究，理论计算结果和实际观测结论存在一定的偏差，但是总体能保证工程施工的安全。本工程在设计过程中查阅了大量岩土工程系列资料，在相应的水利工程相关设计规范中缺少对详细应用的说明或案例，希望在以后科研中能加强对基坑降排水在水利工程中的应用研究，编制技术标准、完善设计理论、开发计算软件，填补行业空缺。