浦西水利枢纽工程水闸钢板桩防渗墙加固设计

贾庆稳

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003）

浦西水闸集防洪、挡潮、排涝、引水灌溉等于一体，是中顺大围最重要的水利枢纽工程，也是中山市最重要的水利枢纽工程。监测资料显示，当水闸内外侧水位差较大时，水闸内河侧常出现渗流异常现象，推测原水闸防渗钢板桩已经失效，影响水闸安全，急需对水闸闸基进行防渗加固处理。钢板防渗墙是闸基加固的常用措施之一，具有显著效果。本文针对浦西水利枢纽工程水闸的钢板防渗墙进行设计分析。

1 工程概况

浦西水利枢纽工程由排水防潮节制闸、通航船闸和排涝泵站组成，是一个以防洪、防潮、排涝、灌溉、航运、冲污等功能为主的大（2）型水利枢纽工程。水闸总净宽150 m，共10孔，设计过闸流量1020 m3/s，双向挡水，采用平板钢闸门，液压式启闭机开关，设计启闭力2×40 t。水闸底板为1.2 m厚钢筋混凝土结构，分缝宽度34 m，基础处理采用φ800钻孔灌注桩，水闸两侧闸墩基础为φ1200钻孔灌注桩，设计桩长29 m。

水闸闸基为淤泥质土，属软弱土层，水闸上、下游混凝土框格抛石护坦经过多年运行已发生不均匀沉陷冲散现象，严重影响其消能防冲功能[1~2]。

2 钢板桩防渗墙加固设计

2.1 复核防渗长度

水闸防渗长度复核结果见表1（不计算钢板桩）。

表1 水闸防渗长度复核结果

复核可知防渗长度满足规范要求。

水闸渗透坡降复核结果见表2（不计算钢板桩）。

复核可知底板水平段5渗透坡降不满足规范要求。水闸原钢板桩防渗墙已失效，急需对水闸闸基进行防渗加固处理。根据地质勘察报告情况，参考本地区已建类似工程经验，主要对钢板桩防渗墙和高压旋喷桩两种方案进行必选[3]。

表2 水闸渗透坡降复核结果

2.2 方案比选

2.2.1 钢板桩防渗墙

水闸原设计钢板桩防渗墙布置在外江侧，其中1#、2#闸孔钢板桩布置在水闸底板与护坦接缝处，3#～10#闸孔钢板桩布置在水闸底板齿墙处，原钢板桩防渗墙为9 m长。

本次在水闸闸底板内、外河侧重建建设钢板桩防渗墙，设计防渗墙顶高程为-5.20 m，设计钢板桩顶高程为-5.50 m，采用拉森Ⅲ型钢板桩，型号为PU400×125×13。钢板桩防渗墙顶设混凝土盖梁，钢板桩防渗墙顶与水闸闸底板之间采用柔性防水连接。

2.2.2 高喷防渗墙

在水闸周围布置一排高压喷射防渗墙围封，防渗墙设计横向轴线与水闸横向轴线平行，防渗墙纵向轴线与水闸纵向轴线平行。先对水闸内外河侧底板接缝处进行柔性材料堵漏，再施工高压喷射防渗墙围封[4~5]。

高压喷射防渗墙采用双管法：气管和浆管。灌浆材料采用水泥粘土浆，水泥强度等级为42.5。防渗墙轴线灌浆孔间距1.70 m，分两序孔布置，Ⅰ序孔采用旋喷桩，设计桩径1.2 m，Ⅱ序孔采用摆喷桩，摆喷角度为30°，相互搭接。防渗墙底部伸入淤泥层底部以下不小于1.0 m，根据地质情况，防渗墙深度为20.6 m~28.6 m。正式进行高喷防渗墙施工前必须先进行围井试验，确定高喷灌浆的各项参数，保证灌浆达到设计效果。

水闸高喷防渗墙围封总长399.4 m，其中横向防渗墙长366.6 m，纵向防渗墙长32.8 m。

图1 防渗墙方案图

2.3 方案对比

以上两种闸基处理方案在技术都是可行的，但各有优缺点。

（1）钢板桩防渗墙方案

①优点：钢板桩防渗采用物理方法连接，防渗效果好，施工技术成熟，水上施工便利，效率高，对地基土层要求不高。虽然18 m长钢板桩没有穿透淤泥层，但是本次加固主要是对防渗进行加固，淤泥层为弱透水层，18 m钢板桩极大的增加了水闸渗径[6]，同时也使得渗透坡降大大降低，可以满足设计要求。

②缺点：工程造价较高。

（2）高喷防渗墙方案

①优点：施工工艺简单，成墙效果好，施工工效高，无污染、噪音低。高喷防渗墙浆液与土体强制混合，在土体中形成一个固结体，防渗效果较好。高喷凝结体并不规则，但与地层结合紧密，且高喷凝结体周围除了浆皮层外，一般还存在渗透凝结层，有着良好的复合防渗效果，从而进一步提高了凝结体的防渗性能。

②缺点：高喷防渗墙对土层敏感性强，一般在壤土层、中密状态的砂土层中成强质量较好，而对于粘性土、致密砂层，尤其是地层中含有较大粒径的卵石、漂石时，成墙连续性不易保证。同时地层中出现地下水流速较大情况，成墙效果也较难保证。

从经济上比较，高喷防渗墙比钢板桩防渗墙优势明显，钢板桩防渗墙直接工程费845万元，高喷防渗墙直接工程费530万元。但考虑到高喷防渗墙的成桩质量与地基土的关系紧密，现状水下闸基以下已经出现悬空状态，高喷防渗墙无法在托空闸基形成连续防渗墙。

综合各方面的因素，推荐采用钢板桩防渗墙方案作为浦西水闸防渗加固处理方案。

3 钢板桩承载力复核

新建钢板桩防渗墙分别布置在闸室底板的内河侧和外河侧，内河侧和外河侧防渗墙长度均为172 m，使内、外侧防渗墙共同对水闸闸基形成围封状态。

水闸1#、2#闸孔外河侧设有原钢板桩防渗墙（9 m长），本次新建钢板桩设于原钢板桩外河侧，间距按0.5 m控制。其他部分均紧靠水闸闸底板设置，槽宽为0.5 m。

新建钢板桩防渗墙上部设C30混凝土盖梁，使钢板桩顶部嵌入混凝土盖梁内，其中顶部0.3 m厚为膜袋混凝土铺盖，设计防渗墙顶高程与水闸底板高程齐平，为-5.20 m，设计钢板桩顶高程为-5.50 m。原1#和2#闸孔外侧的钢板桩应进行水下切割，保证顶部高程不大于-5.50 m。防渗墙顶部与水闸闸底板之间采用柔性防渗连接。本工程钢板桩采用拉森Ⅲ钢板桩，型号为 PU400×125×13。

单桩竖向承载力特征值Ra按下式计算：

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值，kN；K为安全系数，取K=2。

本次计算根据地勘资料中提出的土的物理指标和承载力参数，采用经验参数法进行计算，本工程采用拉森Ⅲ钢板桩作为防渗墙，采用《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）进行计算，由于公式中采用的是标准值，而《地勘报告》上所提的桩端阻力和桩侧摩阻力均为特征值[7]，因而，计算时进行相应转换，计算公式如下：

式中：u为桩身周长，m；qsik为桩侧第i层土的摩擦力标准值，kPa；li为桩穿越第 i层土的厚度，m；qpk为桩端土承载力标准值，kPa；Ap为桩端面积，m2，其它符号同前。为桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6，承载力高时取低值。

根据土的物理指标和承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值，按下式估算，计算结果见表3。

表3 钢板桩计算表（外河侧）

根据以上计算结果可知，钢板桩防渗墙承载力满足要求。

4 结语

通过对浦西水利枢纽工程水闸进行安全检测，发现水闸原钢板桩防渗墙已经失效，且底板水平段渗透坡降不能满足规范要求，急需对水闸闸基进行防渗加固处理。结合水闸实际运行情况，提出钢板桩防渗墙方案作为浦西水闸防渗加固处理方案，并经复核得出钢板桩防渗墙承载力满足要求。