洞庭湖區軟土地基水閘不均勻沉降問題淺析

鐘達聰，王育飛，劉 湘

(1．廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710；2.華容縣大通湖東垸分洪閘管理所，湖南 岳陽 414200)

1 工程概況

大通湖東垸分洪閘工程位于華容縣注滋口鎮東浹村湖堤，是國家重大節水供水工程，工程總投資為20 230萬元，是長江中下游防洪體系的重要組成部分。

分洪閘布置在原湖堤內側，閘室軸線與原湖堤中心線平行，并相距72 m，過流總凈寬為160 m，閘室總寬為190 m。閘室為低實用堰結構，共16孔，為兩孔一聯結構形式，聯段寬度為23.5 m，單孔凈寬為10 m，中墩厚1.5 m，兩側縫墩各厚1.0 m。閘室底板順流向長20 m，建基面高程為24.5 m。閘室閘頂高程為35.60 m，閘室低實用堰頂高程為28.0 m，低實用堰以外的平底部分高程為26.50 m，底板厚度為2 m。兩側連接段為土堤，堤頂高程為35.60 m。閘室段與連接土堤間設置了箱形岸墻，岸墻寬16 m，順水流向長22.5 m。閘室上游設置了防滲鋪蓋和護坦，進口兩側喇叭口采用扶壁式擋墻結構。閘室下游設置了消力池、海漫和防沖槽。

2 地質條件

大通湖東垸屬河湖相堆積地貌單元，區內分布地層為第四系沖湖積堆積湖積、河流沖積和人工堆積層。區內地下水類型為孔隙潛水和孔隙承壓水，水位受汛期外湖水位影響較大。閘基工程地質情況見圖1，各土層力學及滲透性指標見表1。

表1 大通湖東垸分洪閘土的物理力學及滲透性指標推薦值

a 地質探孔平面布置

閘基第四系覆蓋層主要為粉質黏土、淤泥質粉質黏土夾粉細砂、粘性土、砂壤土、粉細砂、砂卵礫石，防洪堤分布素填土[1]。閘基多為全新統沖湖積堆積Q4al+l淤泥質粉質黏土夾薄層粉細砂及砂壤土透鏡體，淤泥質粉質黏土呈流塑～軟塑狀，厚度為5～7 m，其孔隙比和天然含水率大，壓縮系數高，抗剪強度低，透水性弱，因而淤泥質粉質黏土地基承載力低；加之其分布厚度不均，使淤泥質土物理力學性能在垂直和水平分布上有所差異，主要存在滲透變形和軟土引起的不均勻沉降及抗滑穩定、抗沖刷穩定等工程地質問題。

根據地勘報告及現場開挖后揭露地質情況來看，分洪閘各建筑物地基大多位于淤泥質粉質黏土夾薄層粉細砂層中，為軟土地基，由于其具有高壓縮性，承載力低等特點，在上部建筑物荷載作用下，易發生較大的沉降。閘室西側第7、8聯持力層有部分為砂壤土，相對東側1、2聯地質稍好，砂壤土具有中等壓縮性，承載力相對較高，在上部建筑物荷載作用下，沉降量相對軟土地基小，易導致地基產生不均勻沉降變形。

3 地基處理設計

設計采取水泥土攪拌樁復核地基的處理方案，攪拌樁成格柵式布置，每聯共布置886根，置換率為0.312；樁徑為500 mm，單樁長13 m，水泥摻量為18%，樁頂設50 cm厚水泥土褥墊層和10 cm厚砼墊層。

閘室左右兩側邊墩與土堤連接處設空箱岸墻，左右各兩節，每節寬16 m，順流向長22.5 m。建基面高程為24.5 m，頂部高程為35.6 m。箱涵岸墻底板厚1.5 m，頂板厚0.5 m，外側墻厚0.75 m，內隔墻縱橫向各2道，墻厚0.5 m，中部空腔填土高程為30.5 m。

兩側連接堤為3級堤防，連接一線大堤與分洪閘閘頂交通橋。連接堤與原大堤成210°夾角布置，其中左岸連接堤段長273.0 m，右岸連接堤段長283.7 m。堤防外邊坡回填至35.60 m高程，然后與原堤防連接成一整體，內邊坡為1∶3。堤頂設8.5 m寬堤頂路面。連接土堤的土料來源為原大堤開挖料和部分結構開挖料，為粉質黏土，設計壓實度要求不小于0.93。

箱形岸墻與連接土堤處20 m范圍設置了水泥土攪拌樁，樁間距975 mm，排距分別為1.2 m、1.8 m，共布置攪拌樁378根，置換率為0.143。水泥土攪拌樁樁徑為500 mm，單樁長13 m，水泥摻量為18%。以緩解土堤段沉降對岸墻的影響。

4 沉降發生過程、處理措施

2017年11月，大通湖東垸分洪閘正式開工。2018年9月，開始對閘室進行沉降觀測，2019年4月閘門安裝完成。2019年6月發現閘室出現不均勻沉降，且沉降差不斷擴大。2019年10月將岸墻箱體內土方減載開挖，從原設計高程30.5 m挖除至高程28.5 m，沉降擴大速率減緩，但仍繼續發展。至2020年3月4日，閘室兩側1、8聯變形較大，中間2～7聯變形較小。監測數據顯示：分洪閘上游側的16個臨時水準點(見圖2)的平均沉降量為68.3 mm，其中第1聯平均沉降量為154.6 mm，第8聯平均沉降量為104.3 mm，中間2～7聯沉降相對均勻，平均沉降值為45 mm。由于不均勻沉降，導致兩側邊聯伸縮縫張開、止水局部拉裂。

圖2 大通湖東垸分洪閘工程安全監測臨時水準點布置示意

2020年4月9日，建設單位組織專家召開咨詢審查會議，制定了應急處理方案和后續加固措施。根據咨詢意見，施工單位在2020年6月前完成閘室沉降初步處理，主要措施包括：修復伸縮縫止水、連接段增設攪拌樁和上游翼墻墻背削坡減載。同時，增設了箱形岸墻、上下游擋墻、上游鋪蓋等位置的臨時觀測點，并進行了持續系統的觀測[2]。

2020年7—9月，分洪閘超警戒水位運行近2個月，閘前最高水位超設計分洪水位為0.3 m，閘門止水效果良好，水閘運行正常。

2021年7月6日，項目法人組織了閘室地基沉降處理結果專家評審會議，評審意見如下：經過沉降處理，截止2021年6月30日監測數據顯示閘室地基整體平均沉降值77.2 mm，第1聯平均沉降量為151.3 mm，第8聯平均沉降量為136.6 mm。中間2～7聯平均沉降值為58 mm。兩側閘室的不均勻沉降，導致第1、2聯與第7、8聯之間的伸縮縫發生變形，其中第1、2聯之間的上游閘墩頂部伸縮縫最大寬度達105 mm(原設計寬度為20 mm)，第7、8聯之間伸縮縫最大寬度為66 mm。從2020年10月份起，閘室地基沉降基本穩定。

圖3、4中橫軸樁號從東至西開始排布，0樁號為第1聯室，188樁號為第8聯室。

圖3 閘室上游側各水準點沉降量空間分部曲線示意

圖4 閘室下游側各水準點沉降量空間分部曲線示意[3]

5 沉降形成的原因

5.1 沉降復核計算分析

影響水閘軟土地基沉降的因素主要有地基土的厚度、重度、強度、壓縮性、滲透性；結構物的形狀、體積、重度地基處理方法加載方式及加載速率等[4]。以下通過對各部位的不同地質參數和結構參數進行沉降理論值復核計算，并將理論值和實際監測數據對比。

1)閘室沉降復核

水泥攪拌樁復合地基的壓縮變形包括復合土層的平均壓縮變形S1和樁端下未加固土層的壓縮變形S2。

(1)

Esp=mEp+(1-m)Es

(2)

式中：

pz——攪拌樁復合土層頂面的附加壓力值，kPa；

pz1——攪拌樁復合土層底面的附加壓力值，kPa；

Esp——攪拌樁復合土層的壓縮模量，kPa；

Ep——攪拌樁的壓縮模量，kPa；

Es——樁間土的壓縮模量，kPa。

根據《建筑地基處理技術規范》[5]，攪拌樁的壓縮模量Ep取130 MPa。

S2采用分層總和法[5]，計算影響深度范圍內的各土層壓縮量之和。

計算公式：

(3)

式中：

S——地基最終變形量，mm；

S′——按分層總和法計算出的地基變形量；

φs——沉降計算經驗系數，取0.6。

n——地基變形計算深度范圍內所劃分的土層數；

p0——基礎底面處的附加壓力，kPa；

Esi——基礎底面下第i層土的壓縮模量，MPa；

zi、zi-1——基礎底面下第i層土、第i-1層土底面的距離，m；

地基變形計算深度，應符合下式要求：

(4)

式中：

復合地基沉降量計算各參數及結果見表2。

表2 復合地基沉降量計算

按水閘完建工況的基底平均應力計算，復合地基計算總沉降量為9.86 cm，滿足水閘規范對沉降量的控制要求。相比實際觀測數據沉降量峰值：1聯室+5.27 cm，8聯室+3.8 cm，2～7聯室-4.06 cm(“+”偏大，“-”偏小)，說明中間聯室沉降可控，兩側邊聯室沉降受到不利因素影響，沉降值加大。

2)岸墻沉降復核

岸墻沉降計算方法與閘室沉降相同，經計算，岸墻沉降計算結果為：原設計沉降計算值為14.74 cm，與閘室不均勻沉降相差4.88 cm，滿足規范要求；施工過程中沉降計算值為19.06 cm，與閘室不均勻沉降相差9.2 cm，超出規范值。相比實際觀測數據沉降量峰值：+4.32 cm，說明受到不利因素影響加大了沉降值。

3)新建堤防沉降復核

因地下水位較高，土體在地下水位以下，自重應力采用浮容重計算[6]。沉降計算最終厚度以附加應力與自重應力比值為0.2左右來控制，本處沉降計算深度取值為35 m左右。

堤身和堤基的最終沉降量，可按下式計算[7]：

(5)

式中：

S——最終沉降量，mm；

n——壓縮層范圍的土層數；

e1i——第i土層在平均自重應力作用下的孔隙比；

e2i——第i土層在平均自重應力和平均附加應力共同作用下的孔隙比；

hi——第i土層的厚度，mm；

m——修正系數，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.8，本處軟土地基取1.3，非軟土地基取1.0。

新建土堤堤高6 m，經計算，沉降值為17.5 cm，與土堤旁的岸墻結構沉降接近。

經以上計算成果可知，閘室兩側結構的理論沉降量均比閘室部分大，由此容易產生不均勻沉降現象，但不均勻沉降應在規范值范圍內。而實際建設過程中，產生的不均勻沉降超出了理論計算值，且沉降超限位置集中在岸墻和閘室兩側邊聯。這點和理論計算的閘室兩側堤防、岸墻地基沉降量較大的特征吻合，由此推測閘室兩側堤防和岸墻地基沉降帶動閘室邊聯地基沉降。

5.2 不均勻沉降原因綜合分析

第1聯、第8聯均為閘室邊聯，與岸墻、新建土堤相連，其基底應力及沉降受兩側結構施工和沉降影響較大，理論上相比2～7聯的沉降更大。目前從現場實際觀測情況來看，第1聯、第8聯沉降明顯較其他聯室偏大，且實測沉降量比理論計算沉降量偏大，出現左右不均勻現象。主要有以下4方面原因：

1)本工程位于洞庭湖區，閘址地基存在較厚淤泥質軟弱土層，土層的物理性能受地下水等情況影響較大，而洞庭湖區地下水豐富，且水位受汛期影響較大，流塑狀態的土層地質情況受地下水影響也容易發生變化。此外，地勘資料難以全面反應各個建設階段基礎處理部位的地質情況，相關計算參數取值只能代表地勘作業時期的地質情況，與實際施工階段存在差別，導致應力計算結果失真，沉降控制措施達不到預期效果。2～7聯室沉降相對計算結果偏小，1、8聯室相對計算結果沉降偏大，從而沉降差比預期大，不均勻沉降現象更加明顯。

2)中間閘室段沉降較小且均勻、兩岸閘室段沉降較大、不均勻的規律說明兩側閘室段的沉降受到連接段邊荷載的影響大，中間閘室受影響較小。攪拌樁底的監測點數據表明，1聯、8聯沉降量大部分發生在地基處理樁體以下的位置，且沉降變形也與岸墻及連接段填土時段明顯相關，說明兩側連接段填土加載，引起地基沉陷，從而帶動兩側閘室和岸墻的地基向連接段沉降，造成閘室1聯、8聯基礎整體向兩側傾斜。另外，堆載速率越快，則等價于加載模式等趨近于瞬時加載，沉降速率也隨之加快[8]，由此相對于緩慢堆載更容易帶動周邊土體沉陷，加劇了閘室邊聯的沉降，增大了閘室結構之間的不均勻沉降量。

3)施工過程中箱形岸墻內空腔堆土過高，增加了岸墻荷載，岸墻基底應力加大，引起沉降加大，加劇了不均勻沉降，發現該情況后，將箱形岸墻內空腔堆土清至28.5 m高程后，岸墻沉降速率減緩，由此近一步說明荷載過重，減載措施有效。

4)現場樁體檢測、地質剖面圖和沉降監測數據表明：8聯的沉降比1聯的沉降小，其主要原因是8聯位置地質含砂壤土層厚度比1聯厚。水泥土攪拌樁的成樁效果在沙壤土中相對較好，且成樁后樁體抗壓強度相對較高。淤泥質粉質黏土的地層，水泥土攪拌樁的成樁效果稍差，成樁固結需要的時間更長[9]。大型水閘選址的時候如果地質不一致，結構地基范圍跨越淤泥質土和沙壤土。采用相同的水泥土攪拌樁處理方式進行地基處理，攪拌樁成型后，雖然都達到設計要求，但不同區域的攪拌樁抗壓強度、復合地基承載力和壓縮量不一致，也容易加大結構的不均勻沉降量。

在上述多種因素的影響下，使得不均勻沉降擴大。采取閘室兩側土體減載和樁基礎加固等措施后，沉降現象得到控制，且局部發生回彈，沉降量縮小等現象，近一步佐證了超載等沉降形成的原因和減載等處理措施的合理性。

6 沉降影響評價

從計算復核和運行情況看，閘室穩定滿足設計要求，閘室沉降已基本穩定，兩側雖發生了較大沉降，但閘室未發生水平位移，閘室整體結構完好，閘門可正常啟閉，伸縮縫經處理后滿足防滲要求，分洪閘整體安全，滿足正常運行要求(工程實景見圖5)。

圖5 大通湖分洪閘完工實景(2022年6月7日汛期拍攝)

7 結語

洞庭湖區地質條件復雜，同期建設的錢糧湖垸、共雙茶垸分洪閘和三大垸安全區建設中的水閘也出現了不同程度的不均勻沉降問題。因此，設計、施工、建設等單位要對軟土地基的不均勻沉降問題引起高度重視，提前預防控制。

1)加強地質勘探工作，因地制宜，選擇經濟合理、可靠性更高的軟基處理方案。水泥土攪拌樁技術雖較成熟，但實際存在施工質量不易控制和成樁效果達不到設計預期的問題，尤其在地下水位較高且流動的地方，水泥土攪拌樁成樁效果有待進一步研究。建議加強地質勘察工作，加密在結構物周邊的地質勘測點，結構選址盡量選擇土層接近的均質地基。地質條件較差、可能引起周邊地基沉陷帶動建筑物地基沉降的，應根據荷載情況適當調整擴大地基處理范圍和深度[10]，或者采用樁基礎、砂樁結合水泥攪拌樁等處理軟土地基的方案優化地基處理的效果[11-13]。

2)軟土地基上的水閘，要充分考慮邊荷載對邊閘室的不利影響，盡量保證建筑物結構自重均衡、荷載大小過渡緩和。如大型水閘兩側翼墻和堤防連接段的形式，建議采用斜坡、錐坡結構，讓荷載逐步增加，起到過渡緩沖的作用。必要時，可先填土堆載預壓，待地基固結后再施工。

3)加強邊閘室和連接段的地基處理措施，設置軟性過渡裝置，可考慮增加結構縫的寬度和縫內填充物的厚度。防止不均勻沉降拉裂止水裝置和減小不均勻沉降對主體結構的影響。

4)合理安排結構物施工次序。水閘混凝土澆筑施工以閘室為中心，按“先深后淺、先重后輕、先高后矮、先主后次”的原則進行，預留“重、高”結構部位沉降時間，在連接段施工前，讓結構沉降穩定，再安排連接段施工，并做好預防結構部位加載導致二次沉降的措施。

5)建筑物周邊填土應注意填土的順序和速度，均衡上升，同時考慮填土速率及大小對監測預警值的影響，進行動態調整[14]。避免因填土方式不當或速度過快造成建筑物受力不均，從而發生不均勻沉降或滑移。

6)加強工程安全監測，發現異常，立即查明原因，采取合理的處理措施進行控制。

為了洞庭湖區軟土地基水閘建設中不均勻沉降可控，相關設計、施工和建設等單位技術人員要多查閱類似工程案例，吸取經驗教訓，熟悉地質情況，嚴格、加強工程質量管理，定期進行安全監測，分析沉降的原因，及時采取處理措施，預防和減少不均勻沉降的發生，促進湖區水利工程建設健康可持續的發展。