长江口地区软基水闸异常变形原因综合分析

2023-08-28高军军汤雷陆俊王恩准

水利水电快报 2023年7期

高军军汤雷陆俊王恩准

摘要：为分析江苏省长江口某中型水闸的异常变形原因，通过变形监测、地基承载力计算、放水试验和闸基无损探测、钻孔取芯验证等综合诊断，研究了水闸整体变形发展规律和不同运行工况下闸基土层塑性区的开展深度、闸基地层的渗漏状态与物理现状。结果表明：闸基地层透水性较大、局部止水设施失效、渗透路径缩短，导致闸基发生渗透破坏，进而使闸基出现多处不密实或欠密实区和高含水率区，闸基承载力不能满足要求，从而引起水闸发生异常变形。研究成果为类似病险水闸的安全鉴定工作提供一定的技术参考。

关键词：软基水闸；异常变形；沉降监测；原位试验；无损探测；长江口

中图法分类号：TV698.1

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.006

文章编号：1006-0081（2023）07-0039-06

0 引言

水闸具有挡水、泄水的功能，在平原或沿海地区通常建于软基之上。目前江苏省已建水闸超过2万座，约占全国水闸的1/5［1］。江苏省地处中国东部沿海长三角地带，受第四纪后期滨海相及长江两岸漫滩相沉积地层的影响，软土分布较广，其中砂性土常常以砂壤土、粉细砂的形式存在于淺层地基中，分布极不均匀，具有含水量高、压缩性大、承载力低等特点［2］。若出现流土、管涌、接触冲刷等渗透破坏现象，则会造成软基中细小土颗粒流失，闸底板出现脱空，引起水闸不均匀沉降［3］。如何及时准确查明运行期水闸出现的异常变形等险情原因仍是较棘手的难题。

水闸变形观测主要采用水准仪、经纬仪或全站仪等设备进行长期监测［4-6］。杨星等［7］对比InSAR技术与水准测量发现二者得到的水闸沉降规律基本一致，并采用沉降速率来判断水闸变形的稳定性。罗居剑［8］通过对某水闸枢纽建设及运行期全过程的综合分析及有限元计算，发现建筑物间的沉降缝设置不当会导致闸室变形。朱思军等［9］根据勘察和沉降监测资料分析了水闸不均匀沉降的原因并提出采用锚杆静压桩的纠偏方案。

从结构力学的角度分析，水闸发生大变形的原因是运行荷载超过了水闸地基允许承载力。根据水闸设计规范，地基允许承载力计算大致有两类：① 从地基变形角度出发，通过限制地基塑性变形的开展深度来确定；② 从地基发生整体剪切破坏的极限平衡角度出发，通过限制极限荷载来确定。SL 265-2016《水闸设计规范》中的公式均假定地基为均质土，忽视了实际工程地质的复杂性，尤其当闸基出现渗漏情况时，地层情况将更为复杂，复核承载力时不可再简单套用设计时的土层参数值。

综上所述，水闸异常变形的原因较复杂，单纯从某一方面的分析不能完全反映水闸整体的安全性态。本文通过运行期加密监测得到水闸短期内的稳定趋势，并结合实地勘察成果计算分析水闸地基的塑性区开展范围。此外，设计不同水位差的原位放水试验了解水闸地基的渗漏情况，并结合探地雷达无损检测技术对地基土层情况进行全面摸查。通过以上综合手段分析水闸异常变形的原因，研究成果可为及时处理水闸异常变形提供技术支撑。

1 工程概况

江苏长江口某一中型水闸，主体建筑物等级为2级，建于2003年，为钢筋混凝土U形结构，混凝土标号为C25。闸室分为5孔，单孔净跨6 m；底板分3块，中间3孔一联布置，两边孔各1块，闸室总跨度37.44 m。闸基以砂壤土夹粉砂为主。闸室两侧设钢筋混凝土空箱岸墙。闸底板顺水流方向长15.5 m。上、下游（内河侧为上游，长江侧为下游）均设消力池，并设有5 m长的防渗板桩。现场调查发现，水闸左右缝墩明显错开且存在不均匀沉降差，致使上部工作排架发生倾斜。

2 异常变形原因分析

2.1 变形规律

为及时反映水闸异常变形的持续性即水闸是否属于稳定状态，在出现险情后，对水闸的沉降位移进行了为期24 d的连续监测。监测点布置于闸墩顶部，其中左右缝墩两侧各1个，左右边墩顶各1个，共计6个监测点（图1），采用高精度水准仪测量。图2为闸墩顶部各观测点24 d内累积沉降量的变化规律，其中负值代表沉降。

由图2可见：水闸的沉降位移呈较明显的增长趋势，24 d内最大累积沉降量达5.18 mm（C3）；图中可以清楚反映出左侧边孔的沉降量（C1、C2）明显大于右侧边孔的沉降量（C5、C6），这种沉降差还随时间在逐渐扩大，24 d内最大沉降差达1.6 mm；中孔左右两侧的沉降速率明显不一致，导致闸墩及上部结构发生倾斜。经计算，水闸的最大沉降速率为0.22 mm/d，平均沉降速率为0.19 mm/d。根据JTS 235-2016《水运工程水工建筑物原型观测技术规范》、JGJ 8-2016《建筑变形测量规范》的规定，建筑物属于稳定状态的沉降速率应小于0.01～0.04 mm/d［10］，因此该水闸正在发生持续性的沉降变形，且变形不收敛。

2.2 地基承载力分析

根据现场最新钻孔勘探结果，该闸基地层情况如下：① 第1层为粉土、砂壤土夹杂少量碎石、卵石，层厚1.7～2.9 m；② 第2层为粉土、粉砂夹薄层壤土，层厚2.8～6.4 m；③ 第3层与第2层相间，含少量淤泥质壤土夹粉土、粉砂，层厚0.2～0.4 m；④ 第4层与第2层类似，层厚0.9～1.2 m；⑤ 第5层为壤土夹砂壤土、粉砂，层厚1.0～16.5 m。土的主要物理力学计算参数如表1所示。

当水闸基底应力超过一定值时，地基内部土体就会发生塑性屈服，塑性变形区连通后水闸将产生整体失稳破坏。为了反映水闸不均匀沉降与地基承载力的关系，本节尝试通过塑性变形区的开展深度来确定。

令地基满足极限平衡条件时所需的地基土最小黏聚力为CK，参考SL 265-2016《水闸设计规范》，计算公式如下：

CK=（σy+σx）22+τ2xy-σy+σx2sinφcosφ（2）

式中：σy，σx，τxy分别为地基某点的竖向应力、水平向应力和剪应力，kPa，可通过弹性力学有限元法计算得到。

当计算CK值大于地基土层的实际黏聚力时，表示该位置达到塑性变形状态。通过表2中计算得到的基底应力，对地基土层进行弹塑性分析，得到各点的应力分量，通过比较CK值可绘出塑性变形区的范围，如图4所示。由表2可以看出，4种工况（不同上下游水位差）下的最大基底应力均小于100 kPa，最大/最小应力比小于1.32；塑性区开展深度最深的情况是正向设计工况，达5.89 m，已超过闸底宽度（15.5 m）的1/3（中型水闸规定允许值），正向校核工况塑性开展深度为5.77 m，由图4可见塑性区有继续向下贯通的趋势；反向工况塑性区开展范围较小。因此，考虑地层实际抗剪强度指标后，计算得到的水闸地基承载能力已不能满足基础稳定要求。

验算结果与水闸实际表现的失稳状态相吻合。初步推测闸基地层中可能存在渗漏通道以及欠密实区和富水区，引起局部土体抗剪强度指标下降［12-13］，塑性区范围进一步扩展，导致水闸产生不均匀沉降变形。采取放水试验和无损探测作进一步研究。

2.3 放水试验

于工程现场开展了原位放水试验，以获取闸基地层的渗漏情况。试验方案：① 在水闸上下游距离100 m的位置设置临时拦水围堰；② 关闭闸门，对上下游以不同速率进行抽放水，使上游水位高于下游1.0 m左右，并观察水头差0～1 m范围内的情况；③ 将下游水位放干并进行清淤，上游水位保持在底板以上1 m左右，观察下游冒水点；④ 将上游水位放干并清淤，下游水位回放至1 m左右，观察上游冒水点。

通过现场观察发现，在水闸上下游不同位置均出现“冒泡”现象。随着水位差加大，下游发生“冒泡”的部位愈加明显；随着水位差的减小，“冒泡”的区域面积、气泡大小和频率也逐渐减小。将水排尽后发现，位于护坦上的原施工降水井内基本均存在间歇性的“冒泡”现象，原因系建闸期间施工降水作业后未按设计要求进行封井。降水井设计埋深22.5 m，据现场勘探资料，此深度尚未完全穿透含水层，降水井底部位于弱透水层（粉砂夹粉土或夹淤泥质黏土），仍有可能发生流土流砂现象，如果反滤设施不到位或发生破坏，砂土会流入降水井内。根据现场观察，井内水体较浑浊。

当下游水放干后，水并未从下游混凝土护坦的冒水孔流出，而是从护坦与消力池的分缝中溢出。经过测试，36 h下游水位上升0.09 m，约32 m3，平均速率为14.8 L/min，说明局部止水设施已失效。此外，在左侧翼墙与底板衔接处也存在溢水现象。地下渗水选择更短的渗透路径，水力坡降增大，对水闸稳定不利。

回放下游水位至1 m，放干上游水位后，上游消力池在靠近护坦位置一排3孔冒水孔一直冒清水。经过测试，24 h水位上升0.25 m，约170 m3，平均速率为118 L/min，说明地层透水性较大，在渗透力的作用下容易发生渗透变形。

虽然根据经验公式验算的渗径长度满足规范要求，但采用改进阻力系数法验算的出口段渗透坡降达到0.29，已接近规范允许上限值（根据现场地勘结果按最不利工况复核，粉砂地層允许值为0.25～0.30）。根据放水试验可知：水闸下游局部止水设施失效，地基形成新的渗流通道，在更大水位差（超过1 m）的作用下，细小颗粒会进一步流失［14］，使土层出现欠密实区和富含水区，进而导致水闸发生不均匀沉降变形；当变形过大，可能使防渗板桩发生破坏或产生间隙，进一步影响水闸的渗流安全。

2.4 闸基无损探测

目前，闸基隐患检测方法主要有钻孔取芯法、探地雷达法、弹性波法、高密度电法等［15-18］。其中钻孔取芯法最直观，但覆盖面不够，且对结构具有一定破坏性。探地雷达法、弹性波法、高密度电法等属于无损检测技术，可以间接探测基础内部的缺陷。探地雷达通过发射和接收高低频电磁波来确定介质内部结构缺陷的特征。本文采用探地雷达对闸基地层进行隐患探测，并与现场钻取芯样比对和验证。

2.4.1 探测原理

基于地下介质电性参数的差异，根据雷达反射波的振幅、波形和频率等动力学特征来分析和推断介质结构的物理特性。根据电磁场理论，电磁波在传播过程中遇到介质分界面将发生反射，分界面两侧的介电常数相差越大，反射越强。通过沿剖面同步移动发射天线和接收天线，可获得由反射记录组成的雷达剖面，其同相轴分布与地下不同介电常数目标体的埋深、形态对应。

假设雷达所接收到的反射波的双程走时为t，若已知电磁波在地下的传播速度v和收发天线间的间距x，由式（3）～（4）即可计算出反射界面的埋深z［19］：

z=vt22-x22（3）

v=cεr（4）

式中：c为电磁波在真空中的传播速度，3×108 m/s；εr为地下介质的相对介电常数。

2.4.2 探测结果

本次探测使用美国地球物理测量系统公司生产的SIR-3000型探地雷达，为了得到不同深度的隐患情况，选取多种频率天线，其中较低频率的电磁波探测深度较大、分辨率较低，较高频率的电磁波探测深度较浅、分辨率较高［20］。

探测范围为闸底板和上下游消力池底板以下的地基。测线分布：闸底板表面布置1条横向测线；上游消力池底板布置6条顺水向测线；下游消力池底板布置8条横向测线和5条顺水向测线；为了反映护坦降水井周边土层的情况，在上下游相应位置分别布置4条横向测线。在放干水后进行测试。

图5为雷达典型剖面与钻孔取样结果。下游护坦即降水井附近的4号测线200 MHz天线检测剖面，见图5（a）显示：横向10～28 m、深约1.5～4.0 m范围内，雷达反射波同相轴扭曲错动，连续性差，存在团块状的强反射或多次反射异常，推断该区域地层介质不密实，同时由于水的介电常数较大，导致反射波愈加明显。4号测线相应位置的钻孔验证，图5（c）表明：垫层松散、不密实、孔隙率高，且含水率也较高。下游消力池底板的10号测线100 MHz天线检测剖面，图5（b）显示：横向0～12 m、深约2～3 m范围内，雷达反射波振幅较强，波形、波向一致性较差，与周围地层反射信号对比鲜明，且存在条带状的不连续强反射，据此推断地层不密实、孔隙率高、含水率高。这种高孔隙率和高含水率的土质容易使水闸发生不均匀沉降变形。

联合所有剖面的分析结果，得到闸基异常区域的平面分布情况如图6黄色阴影区所示（图中红色代表测线及其编号）。可见，水闸上下游地层中均存在雷达解析异常区域，其中上游消力池下方1处、下游消力池下方5处（相对较为离散），上下游护坦降水井附近土层的异常区范围较广，说明施工降水井未封闭的影响较为明显。

根据雷达剖面，异常区域的埋深大多数分布在浅层（1.5～13 m）范围内。左边孔下游侧的异常区埋深较浅且范围较广，故左边孔的沉降相对更为显著。正向工况下，同样表现为下游侧的土体更容易达到塑性状态，如图4（a）、（b）所示。异常区域基本上表现为土层不密实或欠密实、松散、含水率高等特点，因此可以间接推断闸基地层存在明显的渗漏通道，随着土颗粒在渗流力的作用下发生迁移，导致局部产生一定程度的脱空现象［21］，大大降低土体的抗剪强度和闸基的承载能力，是引起闸身异常变形如不均匀沉降等问题的主要原因［22］。

3 结论

本文通过变形监测规律分析、地基承载力验算、放水试验及闸基无损探测等手段综合分析了江苏长江口某一中型水闸发生异常变形的原因，得到以下主要结论。

（1）水闸沉降位移呈持续增长趋势，最大沉降速率达0.22 mm/d，远超规范允许值，即水闸变形处于非稳定状态。

（2）采用实测的地层抗剪强度参数验算地基承载力，得到闸基塑性区的开展范围，最大深度超过闸宽的1/3，表明闸基承载力不能满足要求。

（3）通过原位放水试验可以真实反映水闸当前的渗漏状态：地层透水性较大，局部止水设施失效，渗透路径缩短，出口渗流比降较大。

（4）结合不同频率探地雷达的典型剖面分析结果，可以较为全面地反映闸基地层的物理现状，包括不密实或欠密实区、高含水率区等。

在水头差的作用下，当渗透坡降达到一定数值时，软土地基细小颗粒将随着渗流从土体孔隙中流失，持续发展就会导致局部土层孔隙率变大，含水率增加，不密实程度变高，严重时甚至发生脱空现象，进而引起水闸异常变形。

参考文献：

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