水利工程論文-海堤工程除險(xiǎn)加固技術(shù)概述.doc

水利工程論文-海堤工程除險(xiǎn)加固技術(shù)概述摘要：通過(guò)分析福建省海堤（水閘）工程存在的問(wèn)題及其造成的原因，提出相應(yīng)的除險(xiǎn)加固技術(shù)，供同類(lèi)海堤加固時(shí)參考。關(guān)鍵詞：海堤工程存在問(wèn)題除險(xiǎn)加固技術(shù)1基本情況福建省海岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)3324km，居全國(guó)第二位。修建了大量的海堤，全長(zhǎng)1603km(其中保護(hù)千畝以上農(nóng)田的海堤有298處，總長(zhǎng)1134km，同它配套水閘有456座)。開(kāi)發(fā)保護(hù)土地30萬(wàn)公傾，保護(hù)人口500萬(wàn)人，保護(hù)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值400億元。這些海堤（水閘）大多數(shù)運(yùn)行多年，存在不同工程問(wèn)題，每年都必須投入大量人力、物力予以除險(xiǎn)加固。海堤的地質(zhì)情況主要有巖基、砂礫層和淤泥層三種類(lèi)型。潮汐屬規(guī)則半日潮，平均潮差4.8m6.6m，最大8m9m，是全國(guó)潮差最大的省份之一。平均每年登陸和影響的臺(tái)風(fēng)56次，最大風(fēng)速超過(guò)40m/s。臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的暴雨強(qiáng)度大,歷時(shí)短,雨量集中,一般在200mm400mm間局部超過(guò)700mm。2工程存在問(wèn)題2.1海堤存在問(wèn)題2.1.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低據(jù)統(tǒng)計(jì)福建省99年臺(tái)風(fēng)水毀的海堤大多數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，造成這種現(xiàn)象主要有以下幾方面原因：這類(lèi)海堤原設(shè)計(jì)時(shí)參照的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)偏低；海堤原設(shè)計(jì)時(shí)選取的參數(shù)與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不同，如設(shè)計(jì)高潮位原來(lái)是采用歷史最高潮位，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)采用設(shè)計(jì)頻率潮位；設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括堤頂高程和結(jié)構(gòu)兩方面，而以往的海堤僅突出對(duì)堤頂高程的要求，未考慮結(jié)構(gòu)方面的要求，主要包括消浪防沖結(jié)構(gòu)和海堤“三面包”護(hù)砌。2.1.2堤身單薄據(jù)1990年統(tǒng)計(jì)，福建省全省有892km海堤存在堤身斷面偏小，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，主要原因是大部分海堤為“三邊”工程，有些工程是群眾自發(fā)上馬的，普遍存在資金不足，未經(jīng)設(shè)計(jì)部門(mén)設(shè)計(jì)等問(wèn)題。造成有些堤頂寬度不足2m，坡度只有1：1。2.1.3護(hù)坡抗沖能力偏低福建省海堤迎水坡多采用干砌塊石護(hù)坡，但由于部分護(hù)坡施工質(zhì)量差，砌筑不緊密，或選用塊石重量小，厚度不足，不能抗御風(fēng)浪的襲擊，還有的護(hù)坡墊層級(jí)配差，有的甚至不設(shè)墊層，起不到反濾層的作用，使墊層、堤身被淘空，從而造成垮堤或缺口。還有些海堤未護(hù)砌，只采用草皮護(hù)坡，更是不堪一擊。另外福建省大部分海堤未“三面包”，經(jīng)不起越浪，在垮堤事故中也屢見(jiàn)不鮮。2.1.4海堤基礎(chǔ)存在失穩(wěn)和漏水現(xiàn)象福建省海堤大部分建在淤泥軟基，且淤泥層深厚，最深達(dá)20m以上，當(dāng)基礎(chǔ)處理不當(dāng)時(shí)，竣工后，沉陷量大，常常引發(fā)滑坡或護(hù)坡破壞現(xiàn)象，另一方面，軟基采用拋石壓載處理，由于閉氣工程控制不嚴(yán)，引起堤基不同程度的漏水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，堤基嚴(yán)重漏水達(dá)72km。2.1.5岸灘沖刷問(wèn)題據(jù)統(tǒng)計(jì)，岸灘沖刷引起護(hù)坡破壞的情況，占總護(hù)坡破壞數(shù)的5%10%。盡管比例不大，但海堤堤腳、岸灘缺乏保護(hù)，在潮水的作用下，發(fā)生嚴(yán)重的沖刷，引起堤坡大量的脫落，從而導(dǎo)致護(hù)坡大面積的崩塌，進(jìn)而造成決口跨堤。2.2海堤水閘存在問(wèn)題由于資金缺乏，福建省千里海堤除險(xiǎn)加固達(dá)標(biāo)中，未能對(duì)海堤水閘進(jìn)行同步加固。保護(hù)千畝以上海堤有456座水閘，大多已運(yùn)行二、三十年，普遍老化失修，存在嚴(yán)重的隱患。主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題。2.2.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低福建省海堤水閘大多數(shù)是六、七十年代興建，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，加上設(shè)計(jì)過(guò)程中調(diào)查洪水、潮水不準(zhǔn)確，甚至缺少資料，造成設(shè)計(jì)單寬流量偏小，上、下游水頭差不準(zhǔn)確等情況，設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足不了工程要求。2.2.2防沖消能問(wèn)題由于運(yùn)行調(diào)度不當(dāng)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，軟基處理不完善，運(yùn)行方式改變，人為破壞，過(guò)量采沙等諸多原因，造成消能工破壞，危及閘基安全，是福建省海堤水閘普遍存在的工程問(wèn)題。例如連江大官坂圍墾海堤上的水閘。由于發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)需要，運(yùn)行方式改變，由原來(lái)單一排澇閘改為兼有排澇、納潮任務(wù)的水閘，而上游未設(shè)置消能措施，近幾年檢查發(fā)現(xiàn)上游大面積被沖刷深14m，面積達(dá)5000m2。2.2.3滲流穩(wěn)定問(wèn)題軟基或沙基上的水閘防滲在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件主要采用打板樁和粘土鋪蓋防滲，這種防滲措施有一定局限性，加上施工質(zhì)量差，排水系統(tǒng)不完善，地基沉陷等綜合因素，極容易造成滲流破壞。個(gè)別水閘甚至形成閘基淘空現(xiàn)象。2.2.4鋼筋混凝土碳化問(wèn)題從福建省水閘檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，沿海工程鋼筋混凝土腐蝕破壞方式和破壞程度隨所處的位置不同而有所差異，根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞特征，大致可分為以上幾種類(lèi)型：(1)在水位變化區(qū)、浪濺區(qū)。其原因主要可分為混凝土抗干濕交替能力較差，引起表層開(kāi)裂、鹽類(lèi)在混凝土毛細(xì)孔中結(jié)晶膨脹造成脹裂，氯離子侵入引起鋼筋銹蝕膨脹造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞。(2)水中混凝土結(jié)構(gòu)，由于自身密實(shí)度不夠，氯離子侵入引起鋼筋銹蝕膨脹，造成混凝土破壞。(3)全部暴露于空氣中的上部混凝土結(jié)構(gòu)，因二氧化碳、氯離子隨風(fēng)進(jìn)入混凝土孔隙引起混凝土碳化及鋼筋銹蝕造成破壞。這種現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面尤為嚴(yán)重。(4)因混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)、施工質(zhì)量未達(dá)到要求，而造成破壞也占很大比例。2.2.5啟閉系統(tǒng)及鐵件銹蝕問(wèn)題據(jù)初步統(tǒng)計(jì)福建省水閘大部分都已運(yùn)行20年以上，由于運(yùn)行年限長(zhǎng)，維修更新改造的資金不足，管理不善等原因，尚有180多座水閘啟閉機(jī)及啟閉系統(tǒng)需要更新改造。鐵件和鋼閘門(mén)的銹蝕也很?chē)?yán)重，例如大官坂圍墾水閘和福清柯嶼水閘等。3除險(xiǎn)加固技術(shù)海堤、水閘的除險(xiǎn)加固技術(shù)有多種，一般應(yīng)根據(jù)形成破壞的原因，海堤、水閘的運(yùn)行情況及洪水、潮水等相關(guān)因素，綜合考慮，因地制宜地選擇?，F(xiàn)將福建省近年來(lái)幾種常用的除險(xiǎn)加固技術(shù)論述如下。3.1海堤除險(xiǎn)加固技術(shù)3.1.1提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要對(duì)海堤進(jìn)行徹底的除險(xiǎn)加固，就必須按有關(guān)規(guī)范確定海堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括海堤堤頂高程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。（1）堤頂高程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)堤頂高程的設(shè)計(jì)首先應(yīng)按海堤保護(hù)的范圍和重要性確定其設(shè)計(jì)頻率，然后按公式：堤頂高程=設(shè)計(jì)高潮位H+波浪爬高R+安全超高A確定，設(shè)計(jì)高潮位采用設(shè)計(jì)頻率潮位，風(fēng)浪爬高采用莆田公式計(jì)算，安全超高根據(jù)海堤是否允許越浪予以選取。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要包括海堤消浪防沖結(jié)構(gòu)和“三面包”護(hù)砌兩方面。消浪防沖結(jié)構(gòu)最常采用的是三級(jí)消浪結(jié)構(gòu)（詳見(jiàn)下述）?！叭姘弊o(hù)砌是將海堤內(nèi)、外坡和堤頂都進(jìn)行護(hù)砌，是防止越浪破壞的有效措施，外坡護(hù)坡采用消浪防沖結(jié)構(gòu)，堤頂采用砌石或素砼，內(nèi)坡多種干砌條、塊石或草皮護(hù)坡。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重護(hù)坡下反濾層的設(shè)計(jì)，近年來(lái)多采用土工布代替?zhèn)鹘y(tǒng)的砂礫料反濾層。3.1.2消浪防沖(1)建立消浪防沖結(jié)構(gòu)海浪沖擊是危及海堤安全的主要因素，建立完好的消浪防沖結(jié)構(gòu)是抵消波浪沖擊的有效措施，消浪結(jié)構(gòu)不僅能削減波浪的爬高，降低堤頂高程，而且能減輕波浪對(duì)堤身主體結(jié)構(gòu)的沖擊力。由于福建省海堤大多數(shù)是座落在淤泥或沙基礎(chǔ)上，且堤前灘底水深，因此適宜采用多級(jí)消浪結(jié)構(gòu)，有利于地基穩(wěn)定和工程施工，常采用的是三級(jí)消浪結(jié)構(gòu)，最底一級(jí)采用拋石護(hù)腳，二級(jí)采用砌石或砼預(yù)制塊護(hù)面，三級(jí)采用擋土墻（防浪墻）。(2)拋石護(hù)腳海堤護(hù)岸除了護(hù)坡外，還需要護(hù)腳，但于堤前水深大，施工困難，很難直接進(jìn)行護(hù)砌，同時(shí)為了適應(yīng)軟基礎(chǔ)的不均勻沉降，常采用拋石護(hù)腳。拋石厚度一般為23m，邊坡根據(jù)具體情況控制在1：1.51：3之間，拋石粒徑應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或參照已建工程分析確定，為了保護(hù)拋石層及其下部基礎(chǔ)的穩(wěn)定；應(yīng)在拋石區(qū)下鋪設(shè)濾層，采用砂礫料或土工布作濾層，福建省莆田市后海海堤采用拋石護(hù)腳，經(jīng)多次臺(tái)風(fēng)巨浪沖擊仍然完好如初。(3)外坡消浪防沖外坡通常采用砌石或砼預(yù)制塊護(hù)面，砌石護(hù)面為了提高消浪防沖能力，采用凹凸豎直干砌條石護(hù)坡，砌筑時(shí)條石大頭向下，小頭向上，每塊條石四邊緊靠，有空隙處用片石打入擠緊，條石塊塊如插樁墻，從單個(gè)塊體受力分析，豎直砌比橫鋪、順?shù)伷狡鍪懿ɡ送苿?dòng)的面積少，受推動(dòng)的力相應(yīng)減少，穩(wěn)定性好，同時(shí)坡面起到加糙作用，摩擦力大，風(fēng)浪爬高低，消浪效果好。福建省晉江東潘海堤采用豎直干砌條石護(hù)砌部位在99年臺(tái)風(fēng)襲擊時(shí)受的破壞明顯較其他型式條石護(hù)砌少。對(duì)于風(fēng)浪較大的開(kāi)敞海域，為避免波浪對(duì)護(hù)坡的反復(fù)沖損，有些海堤采用砼預(yù)制塊護(hù)面，砼預(yù)制塊的體積、重量按設(shè)計(jì)波浪要素確定。對(duì)于砼預(yù)制通常有四腳空心塊和砼柵欄塊兩種。(4)漿砌石擋土墻（防浪墻）在海堤外坡較高部位設(shè)置漿砌石重力式擋土墻能夠有效抗擋波浪的沖擊，擋土墻設(shè)置的關(guān)鍵是要確?；A(chǔ)穩(wěn)定，擋土墻上部通常作為防浪墻，高0.81.0m，據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究，在防浪墻上設(shè)置一弧形或梯形挑浪嘴，能夠有效地將來(lái)浪挑回海面，達(dá)到減少越浪量的目的，挑浪嘴的結(jié)構(gòu)以采用現(xiàn)澆砼為宜，向外側(cè)伸出一定的寬度，以一定傾角的斜面或反弧與下部直墻聯(lián)結(jié)，形成梯形或弧形的挑浪嘴。福建省莆田湄州灣海堤部分堤段在防浪墻上設(shè)置挑浪嘴，消浪效果良好。(5)消浪平臺(tái)設(shè)置消浪平臺(tái)在福建省已經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，實(shí)踐證明在外海側(cè)設(shè)置消浪平臺(tái)，對(duì)減少越浪量降低堤頂高程有明顯的效果，尤其是斜坡式海堤，還能對(duì)護(hù)坡起到一定的保護(hù)作用，消浪平臺(tái)最好設(shè)置在多年平均高潮位附近，或略高0.30.5m，此位置消浪最充分。平臺(tái)寬度可取設(shè)計(jì)有效波高的12倍，一般不宜超過(guò)3m。3.1.3防滲補(bǔ)強(qiáng)海堤堤身防滲補(bǔ)強(qiáng)通常有外坡土工膜防滲，堤身水力開(kāi)槽土工膜垂直防滲和堤身灌漿等防滲措施。(1)外坡土工膜防滲外坡鋪設(shè)土工膜防滲是一種經(jīng)濟(jì)、可靠，施工簡(jiǎn)便的堤防防滲措施，其結(jié)構(gòu)是先在海堤處坡鋪設(shè)一層下墊層，然后在該墊層地鋪層土工膜，再在土工膜上鋪設(shè)上墊層和保護(hù)層。下墊層采用沙載土，土工膜厚度不得薄于0.3mm，上墊層為碎石墊層厚0.150.3m，防護(hù)層可用砌石或砼預(yù)制塊。土工膜防滲應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算及膜后排滲能力校核。福建省寧德市西陂塘海堤采用外坡土工膜防滲，防滲效果良好。(2)水力開(kāi)槽土工膜垂直防滲水力開(kāi)槽土工膜垂直防滲技術(shù)是采用射水法造孔機(jī)機(jī)具在海堤外港側(cè)開(kāi)出一定寬度和深度的溝槽，利用垂直鋪膜機(jī)在溝槽內(nèi)鋪設(shè)土工膜，然后回填溝槽，使其形成一個(gè)以土工膜為隔水體的連續(xù)防滲帷幕，起到垂直防滲的作用。施工過(guò)程應(yīng)著重抓好連續(xù)造孔開(kāi)槽，槽內(nèi)擋水、擋土保護(hù)，土工膜鋪設(shè)與接頭處理，槽溝回填等方面工藝。該技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)，施工簡(jiǎn)單，速度快，投資少等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。近年來(lái)在福建省閩侯縣多個(gè)堤段采用此法防滲。(3)堤身灌漿福建省海堤堤身灌漿常采用的是充填灌漿和高壓噴射灌漿。充填灌漿是利用漿液自重通過(guò)鉆探孔向堤身隱患處注漿的灌漿方法。充填灌漿是防止堤身局部滲漏的有效措施，漿液多采用粘土漿，根據(jù)不同需要，在漿液中可摻入適量的水泥，灌漿孔多采用兩排布孔，孔距12m，分序灌漿，灌漿壓力多為0.1MPa0.5MPa。福建省羅源灣海堤部分堤段采用充填灌漿防滲，效果不錯(cuò)。高壓噴射灌漿是利用工程鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)處理的深度后，用高壓泥漿泵通過(guò)安裝在鉆桿桿端置于孔底的特殊噴嘴，向周?chē)鷫w高壓噴射漿液；同時(shí)鉆桿以一定的速度，邊旋轉(zhuǎn)邊提升，高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞，并強(qiáng)制與漿液混合；凝固后在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體，能起到防滲抗?jié)B的作用。根據(jù)漿液噴射流的移動(dòng)方向不同，分為旋噴灌漿、定噴灌漿和擺噴灌漿三種，防滲時(shí)大多采用定噴和擺噴；灌漿漿液采用水泥漿。此防滲具有成本較低，施工速度較快，固結(jié)體強(qiáng)度大，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)福建省海堤采用高壓噴射灌漿防滲日趨廣泛。3.1.4地基加固福建省海堤大多數(shù)建在淤泥層軟基上，為確保海堤工程安全必須先解決地基加固問(wèn)題，近年來(lái)海堤地基加固除了以往常用的振沖法和強(qiáng)夯法外，還推廣擠密砂樁法和排水固結(jié)等加固方法。(1)擠密砂樁法擠密砂樁法是先在軟基中用沖擊法或振動(dòng)法打孔成樁，然后往樁中灌入砂子并搗實(shí)達(dá)到提高地基承載力的地基加固方法。此法在松散砂土中能起到擠密和振密土體的作用，可用于增大沙土體相對(duì)密度，防止振動(dòng)液化；在淤泥中能起到置換、排水作用，加速固結(jié)沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。根據(jù)打孔成樁的方法不同可分為振動(dòng)成樁法和沖擊成樁法兩種。福建省寧德市海堤部分堤段采用擠密砂樁法加固地基。(2)排水固結(jié)法排水固結(jié)法是解決軟粘土地基沉降和穩(wěn)定問(wèn)題有效措施，由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組合而成。排水系統(tǒng)是在地基中設(shè)置排水體，利用地層本身的透水性由排水體集中排水的結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)排水體的不同可分為砂井排水和塑料排水帶排水兩種。加壓系統(tǒng)是通過(guò)臨時(shí)填土石等方法對(duì)地基加載預(yù)壓，達(dá)到預(yù)先完成大部分地基沉降的處理過(guò)程。福建省福清過(guò)橋山圍墾海堤淤泥層軟層最深達(dá)十余米，采用塑料排水帶排水固結(jié)處理取得成功；福建省連江縣大官坂海堤則采用砂井排水固結(jié)法進(jìn)行地基加固處理。3.2水閘除險(xiǎn)加固技術(shù)3.2.1水閘下游沖刷破壞處理措施水閘下游沖刷破壞是福建省海堤水閘普遍存在的一個(gè)主要工程問(wèn)題，通過(guò)多年來(lái)工程實(shí)踐，已經(jīng)形成一整套有效的處理措施。(1)回填沖刷坑,設(shè)置完善消能措施如水閘下游沖刷破壞形成沖刷坑不大,可采用砂回填沖刷后,設(shè)置完善的消能措施,包括消力池、海漫和防沖槽。先通過(guò)水力計(jì)算確定各種消能工的結(jié)構(gòu)尺寸，其中消力池部分如破壞不嚴(yán)重或與計(jì)算尺寸相差不多，可通過(guò)設(shè)置尾檻、齒坎或消力墩等輔助消能工，用來(lái)提高消能效率；反之則應(yīng)按設(shè)計(jì)尺寸重新設(shè)置，常用漿砌條石或鋼筋砼護(hù)砌，厚度為0.51.0m；海漫部分則應(yīng)因地制宜選取適宜護(hù)砌材料，通常有干砌石、漿砌石、鋼筋砼海漫等；防沖槽則一般采用拋石防沖槽。(2)部分回填沖刷坑，采用柔性護(hù)砌如水閘下游沖刷破壞形成較大沖刷坑，往往采用砂部分回填沖刷坑后柔性護(hù)砌的處理措施。部分回填沖刷坑一方面較經(jīng)濟(jì)，另一方面可利用沖刷坑作為消能防沖水墊，另外通過(guò)柔性護(hù)砌，可以達(dá)到良好的加固效果；柔性護(hù)砌通常包括土工網(wǎng)袋裝塊石護(hù)砌，土工長(zhǎng)管沙袋護(hù)砌以及土工模袋砼護(hù)砌等，比起傳統(tǒng)的剛性護(hù)砌，柔性護(hù)砌具有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要圍堰，可在水下施工；柔性好，能夠適應(yīng)河床沖刷變形；塊體較大，整體穩(wěn)定性好；糙率大，能夠最大限度消除余能；透水性強(qiáng)，滲水能夠自由排出；土工織物在水中使用年限長(zhǎng)。柔性護(hù)砌通常結(jié)構(gòu)型式為：面上鋪層土工網(wǎng)袋裝塊石或長(zhǎng)管沙袋或土工模袋砼，其下鋪設(shè)碎石或粗砂墊層，厚2025cm，最底下鋪一層土工布倒濾層。福建