沿海大型船坞深基坑防渗流设计与监测

胡 鹏

(中国铁建港航局集团有限公司 广东珠海 519070)

1 引言

国内外船坞已有了长足的发展，目前常规船坞设计中普遍采用的止水和排水减压系统可以降低或消除地下水对结构的影响。但在施工期间，该系统还无法运行帮助降水，通过施工期间临时的管井降水将周边地下水位降低后，周边土体中会有较大的水位差，从而形成一定的水力坡降。船坞结构和基坑防护可能会因为渗流不稳定而造成破坏。

由于船坞临海修建，坞底板标高较低，其周围海水位和地下水位较高，海水对围堰和坞墙有较大的侧水压力，地下水对船坞的地下结构有较大的扬压力，在力的作用下，容易发生渗流，若不进行预防和及时处理，待形成贯通水道后，会对船坞的施工安全和质量产生较大的负面影响。为了保证渗流稳定，必须借鉴国内外渗流学的先进经验，做好对船坞的渗流分析和验算，指导施工。

2 工程概况

舟山市鑫亚船舶修造有限公司六横镇无动力船舶防抗台安全避风池项目施工范围主要是将原有船坞扩建，拟扩建船坞尺寸为长610 m，宽90.8 m。新建船坞主体划分为坞口、坞墙、坞室底板、减压排水系统、泵房、门机轨道基础和止水系统等几部分。其中船坞底板厚度0.3 m。船坞坞壁采用扶壁式结构。船坞的一侧临海，另三个侧面与底部被地下水包围。船坞全貌如图1所示。

图1 船坞全貌

2.1 水文

六横岛位于宁波穿山半岛的南侧，其东部为头洋港，南部为磨盘洋，西部为象山港口门海域，北部为佛渡水道。

本工程区域浅海分潮不大，潮汐属正规半日潮，潮差属浙江沿海低潮差区，平均涨潮历时5 h 55 min，平均落潮历时6 h 30 min。

将定海水文站长期潮位资料和六横一年期的短期资料进行相关分析，得到本工程的极端高、低水位和设计高、低水位。

极端高水位:3.48 m(重现期50年一遇)

极端低水位:-2.56 m(重现期50年一遇)

设计高水位:2.12 m(高潮累积频率10%)

设计低水位:-1.51 m(低潮累积频率90%)

本工程海域理论深度基准面位于1985国家高程以下2.27 m。

2.2 地质

拟建工程位于舟山市普陀区六横舟山市鑫亚船舶修造有限公司厂区内，场地北侧为大海，西侧为低矮丘陵；南侧为空地；东侧为厂房。拟建工程场地属于山前冲海积平原地貌。场地地面高程在3.0～4.0 m，高差约1.00 m。

本地区地质构造位于浙闽粤燕山期火山活动带，主要断裂走向为NE～NNE向，区内小断层节理较发育，致使场地下伏基岩破碎，从拟建场地附近基岩露头看，岩石完整性相对较差，局部(强风化)呈碎裂状结构，垂向发育深度较大[1]。

3 防渗流设计

3.1 渗流验算简化

干船坞的渗流具有空间性和不恒定的特性。通过对实测资料进行分析，在离开海域一段距离后，潮水位的变化对其并无明显影响；船坞的纵向渗流远比横向渗流长，可以对空间渗流进行近似简化，只考虑坞墙下的横向渗流；施工过程中在坞口两侧设置了范围足够的截水防渗措施，坞口两侧的绕流忽略不计。综上所述，将坞墙的渗流近似简化为恒定的平面渗流计算。

3.2 渗流计算

本次渗透压力计算分析采用《船厂水工工程设计规范》(JTS 190—2018)[2]、《水闸设计规范》(SL 265—2016)[3]中改进的直线比例法；该计算方法较经典的直线比例法更为精确，而且经实践经验证明，其精度能满足工程要求；改进的直线比例法假定渗流中的水头损失是沿着换算的地下轮廓线均匀分布的[4]。

(1)坞室渗径计算

式中，L为渗透轮廓换算渗径总长度(m)；C为渗径系数，根据地质情况取值7；Hs为渗径起点与终点水位差，忽略渗径起算面以上的水头损失，取11.5 m；Ls为渗透轮廓水平段长度，取30.3 m；m为换算系数，取2；Lc为渗透轮廓垂直段长度，取6.28 m；Lx为渗透轮廓倾斜段换算长度，取0.721 m；L1为渗透轮廓倾斜段水平投影长度(m)；L2为渗透轮廓倾斜段垂直投影长度(m)。

(2)坞室渗透压力与总水压力计算

渗径起算面以上的水压力可按静水压力计算，渗径起算面以下的总水压力强度可按下列公式计算:

式中，Px为计算点水压力强度(kPa)；γ为水的重度，海水取10.25 kN/m3；h1为计算点与墙前水位的高差(m)，计算点在墙前水位以下时取正值，以上时取负值；h2为计算点渗透水头(m)；Hc为坞墙前后水位差，取11.5 m；L为坞墙换算渗径总长度(m)；x为计算点至渗径终点的换算渗径长度(m)。

从渗径起算面起算，渗透轮廓换算渗径总长度L＝40.441 m。

渗径长度构造要求富余系数:渗径长度不满足构造要求，需要采取措施延长渗径[5]。

如不采取延长渗径的措施，基底西侧计算点至渗径终点的换算渗径长度x为22.4 m。基底西侧的扬压力Px按照下列公式计算:

按照底板1/4处泄水孔计算:

延长渗径的方法采用旋喷桩防渗帷幕方案[6]，渗径延长的效果评估(延长后的渗径长度计算，仅以断面K0＋400为例)采用下列公式进行反算:

根据渗透压力检测数据，采用旋喷桩防渗帷幕方案后[7]，基底西侧的扬压力Px最大值减小为8 kPa，计算点至渗径终点的换算渗径长度x仍为22.4 m。

通过反算，实施旋喷桩作为防渗帷幕的技术方案之后，渗径长度L增加为330 m，大于构造要求渗径长度:CHs＝7×11.5＝80.5 m。根据计算渗径长度增加了约8倍左右，高压旋喷作为防渗帷幕对于延长渗径的效果非常显著[8]，高压旋喷桩止水帷幕示意如图2所示。

图2 止水帷幕示意

3.3 渗流监测

监测范围主要包括施工过程中坑底渗透压力监测、船坞底板施工完成后扬压力监测[9]。沿船坞纵向设置3个断面(K0＋100、K0＋400、K0＋600)。每个断面船坞侧墙外不同高度设置3个测点，坞底板设置3个测点(新建坞底板两边及中间各设置一个)，共计18个。此次渗透压力、扬压力监测均使用渗压计。用振弦式渗压力计实测其频率的变化，根据标定的频率～压力率定值，求得水压力值。

以K0＋400断面为例，该断面位于船坞中部。该断面在2019年3月24号完成了渗压计的埋设工作。采用高压旋喷桩作为止水帷幕，2021年4月28日船坞进行放水作业。图3为本期监测渗压力-位置-水位关系曲线，图4为本期监测基底扬压力-时间关系曲线。

图3 K0＋400断面渗透压力-位置-时间关系曲线

图4 K0＋400断面基底扬压-时间关系曲线

通过对该断面的监测数据分析，高压旋喷桩的渗透系数远远小于原有岩土体，在基坑内外侧存在水头差的条件下，高压旋喷桩会产生浸润线，且浸润线的水力坡降在旋喷桩和地下水面接触的位置大于旋喷桩内部。该段由于基岩面标高比较高，基岩内部节理裂隙不发育，基坑底部水位很低，故该段基底扬压很小[10]。

4 结语

根据《船厂水工工程设计规范》(JTS 190—2018)的干船坞渗流量的验算规则，分析船坞各部位对渗流的影响，提出简化验算的方法，使在工程实际渗流分析中可以更好地方便计算。

受高压旋喷桩和基坑开挖降水的影响，地下渗流场发生变化。由于基坑内外侧存在水头差，故会产生渗流。渗透压力受基坑内外侧地下水位差的影响，渗透压力与基坑内外侧地下水位差呈正相关，随地下水位差的增大而增大。

高压旋喷桩组成的止水帷幕渗透系数很小，故其内部水头损失很快，旋喷桩上会产生浸润线，且浸润线上的水头下降很快，到达基坑边界时浸润线位置已经低于基坑底部，故本工程高压旋喷桩止水效果明显。同时由于高压旋喷桩止水帷幕延长了地下水的渗流路径，从而降低单位土体的渗透力，使基坑不会发生渗透破坏，保证了基坑施工的安全。