王西青

（阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計院 阜陽 236000）

1 概述

潁河阜陽樞紐主要包括節(jié)制閘、船閘、閘上交通橋三部分。節(jié)制閘于1959年建成，主要作用是蓄水。阜陽老船閘于1963年建成，已完全報廢，現(xiàn)于2010年3月份開工，2012年3月份完工驗收。重建新船閘閘室長度180m，凈寬12m，船閘規(guī)模為Ⅳ級，船舶噸級為500噸級。閘址利用老船閘及老河道，拓寬挖深。10年一遇相應(yīng)阜陽節(jié)制閘閘上水位為31.4m，閘下水位為31.1m。船閘上游圍堰：在上閘首上游約520m處布置，軸線長330m，圍堰采用均質(zhì)土圍堰，由設(shè)計洪水位以上的堰頂超高（壅水高度+爬高+安全超高），計算得堰頂高程32.1m，最大堰高7.1m，堰頂寬3.0m。下游圍堰：在下閘首下游約500m處布置，軸線長300m，圍堰采用均質(zhì)土圍堰，堰頂高程31.8m，最大堰高9.8m，堰頂結(jié)合臨時交通取寬7.0m。圍堰填筑邊坡水下取自然坡為1∶6，水上邊坡為1∶3。根據(jù)地質(zhì)勘探報告，下游圍堰基底由于多年淤積，淤泥達(dá)3.5m左右。

2 圍堰堰體變形

土石圍堰堰體主要由散粒體材料填筑而成，由于土石料的抗拉強度很低，尤其是砂石料本身就沒有拉伸能力，因而圍堰堰體在自重及水壓力的作用下產(chǎn)生變形，其中變形形式有豎向位移（通常稱為沉降），橫向水平位移（垂直堰體軸線），縱向水平位移（平行堰體軸線）。當(dāng)這些變形值不大時，對工程施工期間的影響不大，但是當(dāng)變形達(dá)到一定程度，不均勻沉降與水平位移會引起堰體的裂縫。由于堰體裂縫的存在破壞了堰體的整體性，使得滲流沖刷和水力劈裂有了途徑，可能導(dǎo)致滲水失事，影響圍堰的正常使用及施工期基坑安全。

影響堰體變形的因素很多，有堰體高度、防滲體的結(jié)構(gòu)形式、筑堰材料成分及其物理力學(xué)性質(zhì)、堰體的施工方法、施工進度及施工質(zhì)量、河谷形狀及地基的壓縮性質(zhì)、水位變化情況等。

3 圍堰堰體及地基的沉降量計算

圍堰堰體和地基土的沉降主要包括初始沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。初始沉降是由于建筑物底面積相對較小，當(dāng)荷載通過建筑物底面作用在地基上以后，在地基中，特別是在靠近基礎(chǔ)邊緣處，由于存在應(yīng)力集中，產(chǎn)生剪切變形，而在建筑物建完后立即產(chǎn)生的沉降。固結(jié)沉降是指超靜孔隙水壓力逐漸消散，使土體積壓縮而引起的滲透固結(jié)沉降，也稱主固結(jié)沉降，它隨時間而逐漸增長。次固結(jié)沉降是指土體中超靜孔隙水壓力全部消散、主固結(jié)已經(jīng)完成后，因土骨架本身的蠕變特性，在荷載作用下發(fā)生的緩慢沉降。

3.1 地基及堰體分層

壩基及壩體分層考慮：

（1）堰體分層厚度不大于1/10～1/5壩高。

（2）非均勻地基，應(yīng)按地基土的性質(zhì)和類別劃分計算層，但每層厚度不應(yīng)大于堰底寬度的1/4，也不宜大于10m。

3.2 堰體沉降量計算

（1）堰體沉降量計算按經(jīng)驗公式：S=0.01%H，式中H為壩高。

（2）堰體沉降量計算按E.L.Lauden和M.D.Leest根據(jù)土石壩工程觀測資料分析所得計算式：S=0.001H3/2，式中H為壩高。

（3） 堰體沉降量計算按碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（ SL274-2001）。

粘性土按（E.3.3）計算，

式中：St——竣工時或最終的壩體和壩基總沉降量；

eoi——第i層的起始孔隙比；

eti——第i層相應(yīng)于竣工時或最終的豎向有效應(yīng)力作用下的孔隙比；

hi——第i層的土層厚度；

n——土層分層數(shù)。

非粘性土按（E.3.4）計算，

式中：S∞——非粘性土壩體或壩基的最終沉降量；

Pi——第i計算土層由壩體荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力；

Ei——第i計算土層變形模量。

3.3 堰基的沉降量計算

堰基沉降量分單向壓縮和側(cè)向變形兩部分沉降：

（1）單向壓縮用單向分層總和法計算沉降量，計算中要注意某層土未筑堰前的應(yīng)力與筑堰后由于堰體荷載對該層產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力之和。

（2）壓縮層厚度的確定：堰基壓縮層較厚時，需規(guī)定一個計算深度。從堰基底面到該深度處的垂直距離，稱為壓縮層厚度Ya。該厚度按土層中的應(yīng)力分布確定。當(dāng)某土層因筑堰而增加的豎向應(yīng)力等于筑堰前該土層原有的豎向應(yīng)力的20%時，該土層至地表的深度即是壓縮層深度。如果在堰基面以下Y深處遇不可壓縮層或基巖，而Y＜Ya，則取壓縮層深度為Y。

（3）根據(jù)碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范（SL274-2001）E.2.3當(dāng)滿足下列公式要求時，可不考慮壩體荷載引起的附加應(yīng)力在壩基的應(yīng)力擴散，取壩頂以下的最大壩體自重應(yīng)力作為壩基的附加應(yīng)力：

對于高壩Y/B<0.1 （E.2.3-1）；

對于中壩Y/B<0.25 （E.2.3-2）；

式中：Y——壩基可壓縮層厚度，m；

B——壩底寬度，m。

考慮側(cè)向變形的壩基沉降量計算：一般壩基土層厚度小于壩底寬1/2時，計算沉降時可不考慮側(cè)向變形的影響。但對于堰底寬度小，堰基土層很厚或為不均質(zhì)地層，側(cè)向位移對沉降量影響不能忽略。

4 堰體的水平位移產(chǎn)生的裂縫

圍堰變形與沉降是圍堰產(chǎn)生裂縫的主要原因。由于圍堰底面積較大，應(yīng)力分布不均勻，其最大應(yīng)力主要集中在圍堰軸線附近。

4.1 橫向水平位移（垂直堰體軸線）產(chǎn)生縱向裂縫

如圖1所示縱向裂縫的走向平行于圍堰的軸線，多出現(xiàn)在堰頂及壩坡處，有時出現(xiàn)在堰體內(nèi)部。

由于圍堰底部深厚淤泥層的壓縮性較大，在堰體自重作用下不斷地產(chǎn)生塑性變形，最后擴大形成塑流區(qū)，致使堰體沿塑流區(qū)產(chǎn)生滑動，淤泥向兩側(cè)蠕動隆起，發(fā)生較大的不均勻沉降，堰體內(nèi)部拉伸，裂縫從垂直向下變成向外坡傾斜，形成了沿軸線產(chǎn)生縱向裂縫。

另外堰體橫向位移的大小與上游水位的變化有較大關(guān)系，當(dāng)水位較高時，產(chǎn)生較大橫向位移，此時堰體內(nèi)形成穩(wěn)定滲流，堰體土料處于飽和狀態(tài)，土粒受到水的浮力作用，重度減小。當(dāng)水位降落時，水壓力減小，橫向水平位移也減小。

4.2 縱向水平位移（平行堰體軸線）產(chǎn)生橫向裂縫

如圖2所示橫向裂縫的走向垂直于圍堰的軸線，這種裂縫是由于堰體在軸線方向上不均勻沉降而引起的拉伸縫，在那些局部變化大的地形以及岸坡陡峭處的區(qū)域，易產(chǎn)生局部的拉伸區(qū)出現(xiàn)橫向裂縫，這種縫形成滲流通道，對圍堰安全的危害很大。

堰體不均勻沉降的計算：兩個堰體斷面的間距是△L，兩個堰體斷面堰頂?shù)某两挡钍恰鱏，則沿堰軸的不均勻沉降比值為is=△S/△L。 若不均勻沉降比較大，則在這兩個斷面之間就有可能發(fā)生橫向裂縫。有可能發(fā)生橫向裂縫比值，隨土的塑性而異，按經(jīng)驗統(tǒng)計表明，其值約在1%上下。

5 堰體裂縫的防治

5.1 設(shè)計方面

（1）選擇合適的地形和有利的地質(zhì)條件并進行必要的處理，地形上應(yīng)盡可能避開顯著不對稱的河谷斷面，岸坡盡可能平順。高壓縮性淤泥層應(yīng)可能挖除處理。

（2）合理設(shè)計堰體的剖面形狀。

（3）選擇適宜的土料和合理的參數(shù)。

5.2 施工方面

施工中應(yīng)嚴(yán)格控制土料的密實度、含水量和顆粒組成，精心施工，以免產(chǎn)生較大的沉降和變形，特別是岸坡接觸面附近，要注意防止漏壓，必要時用人工或小型機具認(rèn)真地補充碾壓。

當(dāng)堰體上升到一定高度時，可適當(dāng)放緩上升速度，待下部堰體沉降大致完成后，再進行上部填筑，以適應(yīng)底部淤泥的變形及地基強度的增長速率。

6 結(jié)語

潁河阜陽樞紐船閘施工圍堰在施工前期產(chǎn)生了多條縱、橫向裂縫，在施工中通過調(diào)整堰體的剖面形狀，改變施工工藝，延緩施工進度，從而控制了裂縫的發(fā)展，取得了較好的效果