某复线船闸工程坝基防渗施工方案优化分析

◎ 许自玉 安徽省港航建设投资集团有限公司

1.工程概况

某复线船闸工程建设标准为Ⅱ级船闸，为新建 2000 t 级单线单级船闸一座，船闸有效尺度为 240m×23m×5.2m，与一线船闸中心距离120m，工程主基坑防渗体系由岸侧防渗帷幕、土围堰防渗帷幕和双排桩结构构成，形成了一套完整的全封闭式防渗体系。其中船闸上游右岸纵向防渗位于老河道和拟拆除船闸内，距离拟修建的退建蓄洪堤堤轴线26米，其地质条件为：上层局部为②-0淤泥(Q4al)，层厚0.3～2.3m，需清理至原状土后回填，回填土采用开挖的粉质黏土，下层为⑤粉质黏土及黏土(Q3al)，层顶埋深为24.70～45.85m，揭示厚度一般为1.90～28.40m,,平均厚度12.8m，渗透系数建议值为3×10cm/s。采用混凝土防渗墙，混凝土防渗墙厚度采用60cm，C20P12素混凝土浇筑而成，进入较好隔水层深度不小于2m。

该复线船闸工程对基坑防渗结构施工质量与施工工期的要求很高，通过施工阶段工程施工现场地形、地质复勘等情况分析，原设计对工程现场实际施工条件理解不够深入，船闸上游右岸纵向防渗设计布置方案不尽合理，为此，从防渗墙施工工艺优化、节约工期等方面对该复线船闸工程基坑防渗施工方案进行优化。

图1 防渗布置

图2 原方案素混凝土防渗墙剖面图

2.方案优化

2.1 原方案介绍

船闸上游右岸纵向防渗墙原位置为防渗帷幕拐点G至防渗帷幕拐点F，位于老河道和船闸内，距离退建蓄洪堤堤轴线距离为26米，现状河道底高程约15m至16m，退建蓄洪堤轴线位于现状河道岸坡上，地势东高西低，高程约18m至25m。素混凝土防渗墙墙顶设计高程为21m，底高程为0m，超浇0.5m，超浇后墙顶高程为21.5m，导墙深度为1.53m。考虑利用导墙回浆，施工过程中防渗墙导墙顶高程为23m，故施工平台填筑高程需为23m。施工GF段防渗墙前需完成老河道清淤、该段区域内原船闸涉及部位拆除以及退建蓄洪堤填筑至23m高程，方能进行该段素混凝土防渗墙施工。此方案主要存在以下不足之处：

1）该处素混凝土防渗墙施工前最深处需要填筑土方高度约11m，回填土不利于素混凝土防渗墙成槽施工，易造成塌孔现象，对防渗墙成槽质量产生不利影响。

2）由于退建蓄洪堤填筑和船闸拆除施工影响，且退建蓄洪堤填筑、船闸拆除施工周期较长，会导致船闸防渗体系封闭时间滞后，影响整个工程施工进展。

2.2 优化后方案介绍

根据工程现场实际情况，为保证素混凝土防渗墙施工质量，加快上游防渗墙施工，早日完成全体防渗体系封闭，为促进工程一期主基坑开挖提供有利条件。

工程对该部位的岸坡防渗进行方案优化：

1）将GF段平移26m至退建蓄洪堤轴线，防渗墙轴线移至退建堤轴线后，HG轴线段长度增长26m，总长变为142.7m，EF轴线段长度减少26m，总长变为10.9m，防渗墙轴线总长度不变。

2）将上游右岸纵向防渗墙从G2点处至主坝坝脚，约356m，降低5m布置，即墙顶高程从21m降低至16m，G1至G2长度为14m。降低后防渗墙顶主要位于②-2 粉质黏土(Q4al)内，渗透系数为1×10cm/s和④-1 粉质黏土及黏土 (Q3al)内，渗透系数为6×10cm/s，地质条件较好，墙底高程0m维持不变，依旧深入⑤粉质黏土及黏土(Q3al)不小于2m。退建蓄洪堤堤轴线现状高程约18-25m，满足现行施工上游右岸素混凝土防渗墙施工。图3、图4为优化后素混凝土防渗墙平面布置图及剖面图。

图3 优化后素混凝土防渗墙平面布置图

图4 优化后素混凝土防渗墙剖面图

2.3 优化方案的渗控效果分析

根据基坑剖面地质资料以及防洪堤结构尺寸资料，选取典型基坑剖面建立有限元模型，开展防渗墙移至退建堤轴线且墙顶高程为16m时的基坑渗流场进行模拟分析。渗流计算边界条件设置如下：模型底部边界取隔水边界；模型左侧边界紧临一线船闸，其表面节点为已知水头边界，水头值根据一线船闸区域淮河水位确定，按照施工期10年一遇度汛水位为26.9m；模型右侧为退建蓄洪堤区域，其表面节点为已知水头边界，水头值根据区域地下水位监测成果确定，而模型上表面的其它节点均视为潜在出渗边界。

渗流分析得到的基坑压力水头云图和总水头等值线如图5、6所示。左侧边界渗入基坑的单宽渗流量为1.29×10m/s，右侧边界渗入基坑的单宽渗流量为5.05×10m/s，开挖基坑的单宽渗流量为1.80×10m/s。总水头等值线在防渗结构布置分布密集，压力水头等值线经过防渗结构后大幅跌落，优化方案下防渗结构的渗控效果显著，可有效控制基坑渗流量，南移防渗墙侧基坑渗流量很小，符合渗流控制要求。

图5 基坑典型剖面渗流压力水头云图（单位：m）

图6 基坑典型剖面渗流总水头等值线图（单位：m）

基坑渗流流速和渗流总梯度分布图如图7、8所示。由图可知，基坑渗流流速最大值为0.623E-05m/s，位于基坑底部左侧，其高程为8.84m。基坑梯度最大值为27.7659，位于左侧防渗墙位置，右侧防渗墙处也出现了较大了梯度值，这表明防渗墙起到了很好的控渗效果。

图7 2-2剖面渗流流速分布图（单位：m/s）

图8 2-2剖面渗流总体梯度分布图

3.防渗墙施工方案的对比分析

结合工程施工的实际情况，对优化前与优化后的两种施工方案从工期、质量、施工环境、投资等方面进行综合分析。

（1）在工期方面：原方案施工需提前完成老河道清淤、船闸拆除和退建蓄洪堤填筑，使得防渗施工开工至少滞后2个月，原方案防渗墙深度21m，采用液压抓斗“三抓法”成槽施工需要52天完成。优化后方案能提前进行防渗墙施工，为主基坑开挖提供有利条件，防渗墙深度16m，需要30天完成，节约工期22天。

（2）在质量方面：优化后方案在原状土上成槽施工，对防渗墙成槽质量控制有利。

（3）在施工环境影响方面：原方案涉及老河道清淤和船闸拆除，场地受限，施工便道受阴雨天气影响严重；优化后方案所处环境良好，场地清理后满足施工要求，便道通畅。

（4）在经济性对比上：原方案需填筑11m高度土方，土方量约增加2万方，增加费用45万元；优化后方案防渗墙降低5m深度，相比原方案节约费用约200万元。

根据方案对比及渗控效果分析，最终确定了该船闸上游右岸纵向防渗南移26m的最优方案，同时对该南移防渗墙结构进行优化，保证工程防渗稳定性和工期的同时有效节省了工程投资。

4.结论

（1）综上所述，该船闸上游右岸纵向防渗南移是合理的，对工期、质量、施工环境及投资方面是有利的，可以满足现场实际施工需求。

（2）对于本研究中的堤基，通过有限元分析防渗墙优化对基坑起到了较好的防渗作用。考虑经济和工效，满足设计防渗要求的最优防渗墙方案是南移26m，防渗墙长度不变，顶高程降为为16m，厚度60cm，进入较好隔水层深度不小于2m。

（3）上述分析为该工程的防渗优化提供了切实可行的方案，为工程其余部位防渗优化提供了很好的方向，为工程主基坑开挖提供了有利条件，在接下来的研究工作中，还需对工程深基坑及降水等方面进行深入研究和优化。