泡沫轻质混凝土在南冲水闸加高加固工程中的应用

林慧先

(江门市江海区南冲水闸工程管理所，广东 江门 529000)

1 项目概况

南冲水闸位于江门市江海区礼乐镇，距礼乐镇4 km，是江新联围礼西围的主要挡潮和排涝水闸。南冲水闸防潮标准按100年一遇设计，设计挡潮水位2.49 m；排涝标准按围内10年一遇24 h暴雨遇外江5年一遇潮型一天排干设计，最大设计排水流量387.6 m3/s。闸室总净宽40 m，总宽46 m，是一座中型水闸。由于水闸所在场地属软土地基，淤泥层较深，使得管理所周围地面出现不同程度沉降、与地面脱空的现象，不利于管理所的安全使用。为提高管理所建筑物的安全性，保障水闸的安全，促进环境的协调统一，本次需对南冲水闸右岸进行环境整治[1]。

1.1 地质条件

1.2 存在的地质问题

根据对南冲水闸地质勘探结果发现，水闸闸址区地基浅层分布淤泥(②2)。地基地质结构属双层结构(Ⅱ类)上厚黏性土下粗粒土亚类，地基无渗漏和渗透稳定问题，但普遍存在严重的沉陷变形和抗滑稳定问题。场地类别为Ⅲ类，场地的适宜性差，其主要工程地质问题是地基浅部厚层软土的沉陷问题[2]。

2) 淤泥的天然含水率接近60%，天然孔隙比e0=1.7～3.0，属高压缩土，容易产生大沉降。在强烈地震条件下，可能产生“震陷”现象。基坑开挖坡高超过3.0 m，就可能发生滑动，地基抗滑稳定性差。

3) 根据室内试验结果，淤泥的压缩指数Cv=0.37～0.66，平均为0.475。在200 kPa压力下、固结度达到90%的垂直方向固结系数Cv=0.000 33～0.001 51 cm2/s，平均为0.000 708 8 cm2/s；在400 kPa压力下、固结度达到90%的垂直方向固结系数Cv=0.000 46～0.001 17 cm2/s，平均为0.000 816 3 cm2/s。

水闸重建时，在淤泥层上部回填厚8.4 m的填土层，淤泥层上部附加过大荷载，使淤泥层产生大沉降，导致地基大面积严重沉陷，建筑物与周围地面脱空；河岸挡土墙倾倒、滑移，导致挡墙基础底板出现空隙。

2 地质问题处理方案

2.1 地面沉降计算

2.1.1 计算模型及参数

目前，南冲水闸右岸外江侧翼墙设计地面高程4.0 m，填土厚度为8.60 m，其下为淤泥层，层厚约20.2 m，填筑完成至今约15年，即2001-2016年。

沉降计算模型基于以下边界条件确定：

1) 首先建立沉降比较基准，即以原地面4.0 m高程自2001-2016年15年内完成的沉降作为比较基准，以现状地层物理力学指标、填土高度8.60 m、沉降计算时段180个月进行基准沉降计算。

2) 计算2001-2021年度，以下不同工况完成的沉降：①不做处理，仅加高现状地坪至高程4.00 m，即填土高度为9.4 m；②加高现状地坪至高程4.0 m，对现状地坪进行泡沫轻质土换填，换填范围为1.5～3.50 m高程，其余回填黏土；③加高现状地坪至4.0 m高程，对现状地坪进行泡沫轻质土换填，换填范围为2.5.0～3.50 m高程，其余部分回填黏土。

3) 将第2步计算的基准期末完成沉降，减去第1步计算的基准期末完成沉降，即为各工况下未来5年的工后沉降。

4) 对于换填泡沫轻质土的工况，设换填厚度为h，轻质土允许重度取8 kN/m3，常规填土重度取18 kN/m3，则换填后的等效常规填土高度H=9.4-h×(18-8)/18。

5) 考虑到自2001年至今，实际填土荷载高度始终有8.6 m高(如考虑施工期沉降补填，荷载高度应大于8.6 m)，故轻质土换填后，对于等效填土高度，相当于施加了一个超载预压，且超载预压时间作用了15年。

实际计算沉降时，采用理正岩土软件软土地基路堤计算模块。

主沉降计算方法采用基于e-lgp的分层总和法，相关物理力学指标取本次勘察提供的数据。

2.1.2 沉降计算结果

根据前述沉降计算模型，沉降计算结果见表1。

表1 不同工况沉降计算结果

根据本次勘察资料及沉降计算结果，得出以下结论及建议：

1) 水闸右岸下伏地层为高度欠固结的软土，其工后沉降显著，即使采取换填措施，地面沉降还会延续，但会有相当大的改善。

2) 为了减少沉降，地面尽量少加高。

2.2 应用方案

南冲水闸右岸地面经过多年的使用，沉降明显，已达1.0 m，严重威胁到水闸及防洪堤的安全，且沉降后现状进闸道路路面高低不平，因此需要进行整治。具体设计方案如下：水闸右岸外江侧翼墙后1.5～3.5 m高程换填泡沫轻质土，3.5～4.0 m回填黏土；内涌测翼墙后0.0～1.0 m换填轻质土，1.0～1.5 m回填黏土。设计断面图见图1、图2。

图1 外江侧回填剖面图

图2 内涌侧回填剖面图

3 轻质混凝土施工要点

3.1 技术要求

轻质混凝土属于一种环保、节能、性价比高的新型节能材料，其一般是通过化学物理的方式将气体引入混凝土浆体之中，在经过合理养护后形成封闭气孔，属于抗压强度较高的混凝土制品。但在实际应用中，还应满足其对原材料的技术要求，具体如下：①湿密度≤600 kg/m3；②流值：160～180 mm；③7天龄期抗压强度≥0.4 MPa；④消泡试验泡沫轻质土湿密度增加率不超过10%；⑤泡沫轻质土施工完毕后，如表面浇注层抗压强度满足≥0.4 MPa的要求，即可进行后续工程的施工，否则应待强度满足要求后才能进行后续工程的施工；⑥发泡剂应满足表2要求。

表2 发泡剂性能指标

3.2 轻质土施工

3.2.1 施工准备

水闸工程在准备施工时，需要根据施工方案的要求，将施工区域内的地上、地下障碍物清除和处理完毕，并对场地压平整实，且需要满足轻质土浇注要求。考虑雨季或汛期一般水闸水量都比较多，且水位较高[3]，此时施工会存在诸多安全问题，为此不宜在汛期或雨天进行。

3.2.2 施工配合比强度试验

1) 配合比试配试验应在原材料检验合格基础上进行。

2) 原材料检验合格后，应进行消泡试验，仅当消泡试验所确定的湿密度增加率满足要求，方能进行抗压强度试验。

3) 施工配合比强度试验块采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试块。抗压强度试验方法同普通混凝土强度试验方法，但要求压力机采用小量程砂浆压力机进行抗压试验，且强度结果不做尺寸折减。

4) 施工配合比强度试验以3块试块为一组，测定7天龄期强度。当7天龄期抗压强度≥0.5倍设计强度时，该配合比可作为施工配合比采用。

3.2.3 浇注施工要点

轻质混凝土在进行施工浇注时，还需要注意以下几个方面：

1) 泡沫轻质土浇注施工前，应确保基底无积水、无松软土；基底土层应进行必要的碾压处理，压实度应不低于80%。

2) 泡沫轻质土抗压强度≥0.4 MPa后，表面铺设复合PE防渗土工膜。

3) 泡沫轻质土浇注面积尺寸较大时，应按200～300 m2划分为独立的浇注区，且浇注区的长轴方向不宜超过25 m，以控制单区域在2 h内完成浇注施工。

4) 相邻浇注区先用木模板支挡间隔分缝，待浇注体成型固化后，拆除木模板,用厚20 mm的PE泡沫板设置变形缝。

5) 泡沫轻质土单层浇注厚度应控制在0.3～1.0 m范围；同一区段上下相邻浇注层，当施工期气温不低于15℃，最短浇注间隔时间可按8～12 h控制；否则，浇注间隔时间应不低于2天。

6) 应沿浇筑区长轴方向自一端向另一端浇筑；如采用一条以上浇注管浇注时，则可并排从一端开始浇注,或采用对角的浇注方式。

7) 浇筑过程中，当需要移动浇注管时，应沿浇注管放置的方向前后移动，而不宜左右移动浇注管；如确实需要左右移动浇注管，则应将浇注管尽可能提出当前已浇筑轻质土表面后再移动。

8) 进行扫平表面时，应尽量使浇注口保持水平，并使浇注口离当前浇筑轻质土表面尽可能低。

9) 尽量减少在已浇完尚未固化的轻质土里来回走动。

10) 泡沫轻质土浇注至设计标高后，泡沫轻质土顶面采用塑料薄膜进行覆盖保湿养护，仅当最后一层浇注层同条件养护强度≥0.4 MPa方能进行后续工程的施工。

4 结 论

南冲水闸右岸环境整治工程项目作为江门市提高城市环境品质的重要组成部分。由于其施工具有一定技术难度，且对工程质量要求比较高，施工时间比较紧，为此将泡沫轻质混凝土应用到本水闸右岸加高加固工程中，能充分发挥轻质土的重量轻、强度高、施工快的作用；能有效减少填土对内外侧翼墙的荷载，缓解水闸沉降、滑移问题，提高水闸防洪防汛能力与抗滑稳定性，改善水闸周围环境。本工程实施后，取得良好的效果，不仅消除了南冲水闸的安全隐患，还保障围内人民的生命财产安全。