段元振， 周 灿， 黄圣平

(湖南省水运建设投资集团有限公司， 湖南 长沙 410011)

1 工程概况

株洲二线船闸位于湘江流域中游河段株洲境内，布置在湘江右岸株洲航电枢纽一线船闸右侧，是湘江二级航道二期工程的重要组成部分，关键控制性工程之一。

株洲二线船闸为Ⅱ等单级船闸，主要建筑物3级，设计洪水标准为50 a一遇，校核洪水标准为500 a一遇。设计年单向通过能力为2450×104t，闸室有效尺度280m×34m×4.5m(长×宽×门槛水深)，采用闸墙长廊道侧支孔分散输水系统。

株洲二线船闸闸址河床地质以白垩系红色砾岩为主，成分复杂，含灰岩、砂岩、板岩等，灰岩砾石占40%以上，胶结物多为铁质、钙质。在地质演化过程中，受岩性和地质构造的内因、地下水活动的外因、溶蚀和风化等共同作用，形成了多个溶蚀风化带、风化槽，槽内充填松散的风化残积土，物理力学性能较差。由于溶蚀风化的随机性、差异性、突变性等特征，影响了船闸水工建筑物的布置。早在2002年建设株洲航电枢纽期间，建设者就闸坝区域的风化深槽地质问题做了大量的科研和技术攻关。包括采用电测深方法探测风化深槽的分布[1]，提出了全挖全填、部分挖填部分拱梁、岩体灌浆等处置方案[2]，湖南省水利水电勘测设计研究院还专门开展了红层溶蚀风化土固结灌浆试验研究[3]。上述科研及工程实践，对现风化深槽的技术处理，仍具有借鉴意义。

2 风化深槽地质构造

勘察场地地处衡阳盆地边缘，株洲盆地南端，位于区域构造长寿街-双排断裂带之西南侧，场地内主要构造形迹表现为北北东-北东向的断层、构造盆地等。新构造运动主要表现为以上升为主的大面积升降运动，未见活动性断裂带分布。区内历史地震烈度均小于6°，属于相对稳定板块。

图1 风化深槽地质剖面图

表1 岩石主要地质参数推荐值地层代号风化程度岩性允许承载力/kPa弹性模量/GPa变形模量/GPa砼与岩间抗剪断强度f 'C/MPa永久开挖坡比透水率/LuE强风化砾岩300～5002.51.30.650.11∶12.0中风化砾岩1 5005.02.50.800.31∶0.750.5K22强风化砾岩400～7003.01.50.700.11∶12.0中风化砾岩1 8006.03.00.900.31∶0.750.5～1.0

3 水文地质条件

区内地下水类型主要有第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水。场地地下水以松散层孔隙水为主，接受大气降水及河水侧向补给，最终排泄于湘江，基岩裂隙水较为贫乏。

粉质粘土层渗透系数为4×10-6～3×10-5cm/s，属于微透水层；圆砾层渗透系数为3.4×10-2～9.9×10-2cm/s，属于强透水层。场地内中风化较完整岩体透水率一般<1.0 Lu，属微透水层，较破碎岩体透水率一般<4.50 Lu。全风化泥质粉砂岩、全风化含砾砂岩、全风化砾岩的渗透系数一般介于1×10-4～5×10-5cm/s，均属于弱透水层；强风化砾岩、强风化含砾砂岩、强风化泥质粉砂岩的渗透系数一般介于1×10-4～2×10-5cm/s，属于弱透水层。

风化深槽边缘部位渗透系数最大达到1×10-1cm/s，说明风化深槽特别是不整合接触带渗透性极强，岩性不均匀。在渗流作用下，地基软化、风化岩崩解、强度降低等，容易造成建筑物不均匀沉降和位移；同时，饱和后的松散土体被渗流携带流失形成空洞坍塌，存在结构失稳风险。

4 风化深槽对二线船闸方案影响

通过理论计算方法定量分析风化深槽对一线船闸的影响程度，评估危害后果。针对施工过程中一线船闸安全问题，采用抗剪强度公式和抗倾公式计算结构抗滑稳定性；针对施工过程中边坡稳定性问题，采用简单条分法和摩根斯坦法进行边坡稳定分析。

4.1 影响一线船闸安全

株洲一、二线船闸轴线距离100m，风化深槽自一线船闸下闸首穿过下辅导航墙至二线下游导航墙，影响区域见图2。

图2 风化深槽影响区域

一线船闸最不利工况为围堰高水位挡水且二线船闸开挖至建基面但主体砼尚未浇筑时。不采取任何措施情况下，一线船闸临基坑侧闸室墙抗倾覆不满足要求;采取基坑充水平压后，经计算一线船闸的迎水侧抗裂、基底应力等不受影响，但位于风化深槽部位的一线船闸导航墙结构稳定性不满足要求。其摩擦系数0.35，地基承载力约为300kPa，按抗剪强度公式计算的抗滑移安全系数0.93～1.0，小于1.05的要求。计算结果见表2。

表2 二线船闸基坑开挖后一线船闸导航墙结构稳定性计算成果表部位抗倾覆安全系数抗滑移安全系数备注上游进水墙1.402.33岩基,按主动土压力计算闸室墙Ⅰ2.171.78土基,按主动土压力计算闸室墙Ⅱ2.732.43岩基,按静止土压力计算下游导航墙Ⅰ1.790.93土基,按主动土压力计算下游导航墙Ⅱ1.791.0土基,按静止土压力计算

4.2 影响基坑边坡稳定

二线船闸基坑采用高压旋喷墙防渗处理后，防渗墙起到降低浸润线的作用，经条分法计算，除风化深槽部位的边坡外，其余部位均满足稳定性要求(见图3)，风化深槽部位的边坡采用简单条分法计算，K值为0.89(见图4);采用摩根斯坦法计算，K值为1.04。如果进一步放缓开挖边坡，则需要将围堰轴线外移，进而影响通航和行洪安全，并不可取。

图3 基坑边坡条分法图

图4 风化深槽处旋喷处理后条分法

4.3 影响施工方案和地基处理图

株洲二线船闸基坑最大开挖深度达30m，地质缺陷决定了基坑局部处置方案，开挖方式、围护结构、坡面防护、基坑降排水、安全监测措施等均需要采取专项施工方案。同时，对结构布置、地基处理方式、工程造价等都会产生不同程度影响。

5 工程措施

5.1 基础处理

研究认为，一线船闸建设期间，采用“有盖重和有侧限”灌浆能有效改善溶蚀风化土的物理力学性能[3]，满足地基承载力要求，同时提出了换填、人工挖孔桩等处理方案。在此基础上，二线船闸建设充分吸收前期科研成果，运用施工工艺较为成熟的钻孔灌注桩、固结灌浆等技术进一步优化风化深槽处理方式。

1) 下闸首位于不整合接触带附近，基本建筑在中风化岩层上。中风化岩层的承载力和完整性均满足地基要求，不整合接触带对下闸首的结构安全和稳定性影响很小，为提升地基性能，采用固结灌浆、对局部破碎岩基换填C15混凝土等处理措施。

2) 下游导航墙位于风化深槽边缘，基本建筑在中风化岩层上。下游导航墙紧邻下闸首，闸首基底面积较大，达60m×35m，开挖深度也大于导航墙奠基面，有一定侧限作用，能够提升固结灌浆效果。因此，导航墙基础遇风化深槽时采用有盖重固结灌浆方案进行地基处理。从灌浆各序孔水泥单位注入量来看，随着孔序的加密，总体上呈现单位注入量递减的变化趋势，符合正常灌浆递减规律；单点压水试验，实测透水率为1.70～2.29Lu，满足小于5 Lu的要求。

3) 对于趋近风化深槽中心部位，早期有研究表明，无盖重和侧限、排水不良的情况下，固结灌浆作用有限[3]。换填的开挖工程量较大且影响一线船闸安全，因此采用联排C30砼灌注桩基础；为减少桩基侧向受压，按上导下排的原则，桩间间隔15cm空隙作为排水通道，面板留排水孔，桩顶设横梁增强刚度和抗侧向力。桩基基本参数为桩径1.5m、间距1.6m、排距6.4m、桩长27m，建筑在强风化砾岩上(见图5)。采用桩基后，辅导航墙及边坡满足稳定要求[5]，计算结果见表3。

5.2 基坑边坡处理

1) 利用双排旋喷墙增加渗透稳定性。

一、二线船闸轴线间距较小，下游引航道地质条件复杂多变，为减少渗透破坏，在下游主导航墙采用双排旋喷桩防渗墙防渗。防渗墙布置宜尽量靠近迎水侧，增强土体稳定性，并避开一线船闸墙后排水管。

2) 采用支护桩加强基坑围护。

图5 风化深槽基础处理

表3 下游排桩式辅导航墙计算结果计算内容桩弯矩设计值/(kN·m)桩剪力设计值/kN整体稳定安全系数抗倾覆安全系数抗隆起安全系数抗管涌安全系数计算结果4 5651 4862.921.6320.913.64

全风化泥质粉砂岩、全风化含砾砂岩抗剪强度指标较低，其凝聚力15～20kPa，内摩擦角15°～18°，岩性遇水软化，软化系数0.3～0.5，极易渗透液化。在下闸首及靠近下闸首的2个闸室结构段等薄弱部位采用单排灌注桩进行边坡支挡，支护桩顶部设置横梁。

6 变形观测

株洲一线船闸与二线船闸共布置56个沉降位移观测点，分布在闸首、闸室、导航墙等部位。观测数据显示，施工期的一线船闸和通航后的二线船闸均没有发生明显变形，累计变形量微小，客观反映了船闸建筑物在设计工况下正常运行的可靠性，验证了风化深槽处理措施的可行性。变形监测数据见表4。

表4 变形监测统计表点号相对坐标值/m累计变形量/mmXYHΔXΔYΔH部位SC13105.786.845.0000一线船闸闸室SC1418.786.845.0011一线船闸导航墙SC50-31.922.045.0011二线下游重力式辅导航墙SC53-91.153.845.0232二线下游桩承式辅导航墙SC56-59.2-18.845.01-11二线下游主导航墙

7 结语

株洲一线船闸与二线船闸间分布有风化深槽和不整合接触带、粉细砂、圆砾等强透水层，风化深槽对两线船闸间坝体稳定性影响非常明显，强透水层易发生“渗透液化”。在深入研究其影响机理和范围的基础上，针对船闸建筑物布置在风化深槽的不同部位，提出了针对性措施，即风化深槽中心部位采用桩基、不整合接触带采用换填和有盖重固结灌浆等一系列措施，较好地解决了风化深槽的地基处理问题。风化深槽等地质缺陷隐蔽性很强、随机分布概率很大、地质条件很复杂，大幅增加了勘察、地基处理的工作量和难度，同时也增加了工程风险，因此在工可阶段做好地质详勘十分必要。