新型圍墾堤防工程的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

新型圍墾堤防工程的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

1主要測(cè)試技術(shù)防洪排澇工程的安全監(jiān)控是對(duì)圍欄工程的施工和運(yùn)營(yíng)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并計(jì)算沉降量，以檢查和改進(jìn)設(shè)計(jì)。一旦發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象,可及時(shí)分析原因,采取防護(hù)措施,防止事故發(fā)生,保證工程安全運(yùn)行。通過(guò)原型觀測(cè)積累觀測(cè)資料,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性和合理性,并為科學(xué)研究打下基礎(chǔ),以提高圍墾堤防工程設(shè)計(jì)與管理水平。在工程實(shí)踐過(guò)程中,國(guó)內(nèi)外對(duì)圍墾堤防工程安全監(jiān)測(cè)都非常重視。隨著充填管袋筑堤工藝的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)工程施工安全的監(jiān)測(cè)主要集中在施工前原始基礎(chǔ)地質(zhì)的監(jiān)測(cè)和筑堤過(guò)程中堤防自身變形監(jiān)測(cè)兩方面:巖土地質(zhì)監(jiān)測(cè)主要是測(cè)量堤基泥面的標(biāo)高,較常采用GPS配合探測(cè)儀進(jìn)行;而筑堤過(guò)程中堤身變形監(jiān)測(cè)主要圍繞垂直沉降和水平位移測(cè)量進(jìn)行,一般采用直接水準(zhǔn)測(cè)量法與測(cè)斜法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)幾十年的工程實(shí)踐與科學(xué)研究,我國(guó)在圍墾堤防工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等方面取得了一定的成果,2008年頒布的SL435—2008《圍墾堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)圍墾堤防安全監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)設(shè)施、監(jiān)測(cè)內(nèi)容提出了原則性的意見(jiàn)。但對(duì)低灘圍墾堤防、潮溝區(qū)圍墾堤防以及采用充填管袋施工堤防的安全監(jiān)控、質(zhì)量檢測(cè)與安全評(píng)估的研究尚不充分,國(guó)內(nèi)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范還沒(méi)有建立,在不同地區(qū)的不同工程中對(duì)圍墾堤防工程相關(guān)措施研究也不盡相同,仍處在探索階段。由于圍墾堤防工程具有與其他擋水建筑物不同的特點(diǎn)和復(fù)雜性,如堤線長(zhǎng)、潮(洪)水位變化迅速,臺(tái)汛期容易出現(xiàn)險(xiǎn)情等,其監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)在確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、量測(cè)儀器、代表性的監(jiān)測(cè)斷面選擇、數(shù)據(jù)的整理與傳輸?shù)确矫孢€面臨諸多需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。圍墾堤防工程安全監(jiān)測(cè)與隱患探測(cè)相輔相成,不可偏廢。安全監(jiān)測(cè)能揭示堤壩的長(zhǎng)期運(yùn)行規(guī)律和結(jié)構(gòu)性態(tài),安全檢測(cè)能在短期內(nèi)對(duì)圍墾堤防工程的缺陷、隱患或險(xiǎn)情進(jìn)行局部或全面的分析與評(píng)價(jià)。國(guó)外用于堤防工程安全檢測(cè)的技術(shù)和方法較多,其中以無(wú)損檢測(cè)技術(shù)最為突出。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)由無(wú)損檢測(cè)、無(wú)損試驗(yàn)發(fā)展到了無(wú)損評(píng)估階段,完成了由一般檢測(cè)技術(shù)向高科技過(guò)渡的歷程,并提出了在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中增加定量無(wú)損評(píng)估、評(píng)定材料缺陷危險(xiǎn)性、預(yù)測(cè)剩余壽命等新設(shè)想與技術(shù)體系。鑒于目前單一無(wú)損檢測(cè)技術(shù)尚無(wú)法保證能夠識(shí)別所有的結(jié)構(gòu)缺陷,在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,常常通過(guò)2種或2種以上的不同方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證。多年來(lái),國(guó)內(nèi)許多單位在堤防隱患探測(cè)方面亦進(jìn)行了大量研究,文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的研究做了詳細(xì)的綜述,取得的主要成果有:1985年山東省水利科學(xué)研究所研究出一種堤壩隱患探測(cè)儀器及5種探測(cè)方法,形成了一套綜合探測(cè)堤壩隱患的技術(shù)系統(tǒng);九江市水利科學(xué)研究所鄧習(xí)等研制出TTY1型便攜式智能堤壩探測(cè)儀;徐廣富提出利用自然電場(chǎng)法探測(cè)堤壩滲漏量的設(shè)想;王理芬等研究了荊江大堤堤基管涌破壞機(jī)理;劉康和應(yīng)用K剖面法探測(cè)堤壩隱患;葛建國(guó)等采用淺層地震反射波法探測(cè)堤壩隱患;陳紹求提出用雙頻激電法探測(cè)堤壩隱患;吳相安等對(duì)利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)堤壩隱患的有效性進(jìn)行了研究;底青云、王妙月等將高密度直流電阻率法用于珠海堤壩隱患探測(cè);黃河水利委員會(huì)研制出ZDT1型智能堤壩隱患探測(cè)儀,編制實(shí)行了國(guó)內(nèi)堤防隱患探測(cè)方面最早的一份技術(shù)規(guī)定“黃河堤防工程隱患電法探測(cè)管理辦法”;中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制出SDC2堤壩滲漏探測(cè)儀;江蘇省農(nóng)科院完成的“壩基滲流場(chǎng)探測(cè)中多含水層穩(wěn)定流混合井流理論與綜合示蹤法研究”項(xiàng)目,獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng);“智能化單井地下水動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀”獲倫敦與日內(nèi)瓦國(guó)際博覽會(huì)金獎(jiǎng);中南大學(xué)完成水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目“流場(chǎng)法堤壩滲漏管涌檢測(cè)方法及儀器研究”,成果屬國(guó)際領(lǐng)先水平。目前常用的地球物理探測(cè)方法包括:電阻率法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、彈性波檢測(cè)、核物理檢測(cè)、流場(chǎng)法檢測(cè)等。多年來(lái),這些方法都得到了實(shí)際運(yùn)用,取得了不少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。圍墾堤防工程是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和管理過(guò)程中存在眾多的不確定性因素,同時(shí)由于人們認(rèn)識(shí)水平的局限所引起的主觀不確定性,使得堤防工程存在失事和破壞的風(fēng)險(xiǎn),基于可靠性理論的風(fēng)險(xiǎn)分析方法將多種影響因素綜合考慮,并可根據(jù)不同堤防結(jié)構(gòu)重要性程度采取相應(yīng)設(shè)計(jì),具有先進(jìn)性和科學(xué)性?；诖?將風(fēng)險(xiǎn)理論應(yīng)用于堤防工程中,對(duì)堤防工程在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析研究,可以全面反映堤防系統(tǒng)的安全性,為存在諸多不確定性情況下的堤防安全決策提供科學(xué)方法、手段和依據(jù),進(jìn)而有針對(duì)性地采取相應(yīng)技術(shù)措施,必然會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以堤防工程安全管理現(xiàn)狀和現(xiàn)代化堤防管理要求為出發(fā)點(diǎn),考慮堤防工程的安全影響因素、分析流程、指標(biāo)體系、量化處理、賦權(quán)方法以及分類標(biāo)準(zhǔn)等,涉及主要內(nèi)容有:①分析工程存在的不安全因素;②分析各因素對(duì)工程安全的影響程度;③判定堤防的安全程度;④根據(jù)堤防安全程度采取相應(yīng)的措施等。綜合來(lái)看,國(guó)內(nèi)外對(duì)于堤防工程的安全評(píng)判研究尚處于起步階段,目前還沒(méi)有形成一套成熟適用的理論和方法。國(guó)外有關(guān)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù),對(duì)堤防信息進(jìn)行管理和集成。堤防工程的技術(shù)分析、安全評(píng)判已成為今后堤防工程科學(xué)管理的發(fā)展方向。荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家在灘涂圍墾、海堤風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面的研究較為深入[13,14,15,16,17,18,19],采用概率設(shè)計(jì)原理、熵理論以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型等方法對(duì)海堤防洪系統(tǒng)進(jìn)行了分析,并通過(guò)引入成本效益來(lái)反映堤防工程系統(tǒng)的容許風(fēng)險(xiǎn)水平和決策問(wèn)題。在綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面,考慮了失事概率和失事后果,研究了圍墾工程洪水風(fēng)險(xiǎn)的定量分析技術(shù)。荷蘭在分析實(shí)際工程基礎(chǔ)上,建立了一套較為適合當(dāng)?shù)貒?guó)情的堤防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù),并將堤防的安全等級(jí)劃分為優(yōu)、良、中、差4級(jí)。相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)堤防工程安全評(píng)價(jià)的研究還很少,針對(duì)傳統(tǒng)圍墾堤防工程,采用層次分解法、專家調(diào)查法和幕景分析法,對(duì)圍墾堤防工程系統(tǒng)可能出現(xiàn)的失事形式、失事形式的影響因素以及系統(tǒng)失事可能造成的后果分析已取得一定的進(jìn)展;采用模糊綜合評(píng)判模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)決策雖然亦已有所應(yīng)用,但尚不成熟。隨著圍墾堤防工程結(jié)構(gòu)型式的改進(jìn),建筑新材料的研發(fā)以及施工工藝的不斷改造與創(chuàng)新,圍墾堤防工程施工中的安全影響因素也隨之發(fā)生變化,施工安全監(jiān)控、質(zhì)量檢測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式與常規(guī)海堤亦有所不同?，F(xiàn)有基于高灘圍墾堤防的安全監(jiān)控、質(zhì)量檢測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,已不能滿足新時(shí)期低灘圍墾、潮溝區(qū)圍墾以及深水區(qū)堵口安全評(píng)估要求。針對(duì)新時(shí)期圍墾堤防工程的特殊性,研究圍墾堤防施工與運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與保障運(yùn)行體系是保證圍墾工程順利實(shí)施的必要條件;快速、高效的圍墾堤防質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)與隱患識(shí)別方法已成為確保圍墾安全的必要手段;基于新時(shí)期圍墾堤防工程的安全監(jiān)控及施工期質(zhì)量隱患檢測(cè),構(gòu)建堤防安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,進(jìn)而采用先進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)分析理論對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)估,也是確保圍墾堤防工程安全的重要技術(shù)手段。2圍墾水利工程安全監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)新型圍墾堤防工程堤壩具有矮長(zhǎng),建筑物基礎(chǔ)條件差,水深較大,水下地形復(fù)雜,潮汐、波浪等水動(dòng)力條件更加惡劣的特點(diǎn),與常規(guī)堤壩相比,圍墾堤防的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)均具有其特殊性,常規(guī)堤防施工技術(shù)在新型圍墾堤防施工中的應(yīng)用尚不成熟,工程施工難度加大,施工及運(yùn)行過(guò)程的失事風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大。針對(duì)圍墾堤防工程上述特殊性,以江蘇蘇北沿海東臺(tái)條子泥特大型圍墾工程為依托,結(jié)合圍墾堤防具體的工程地質(zhì)條件、水文條件、地基處理方式、斷面結(jié)構(gòu)形式及采用的不同施工工藝,研究高低灘、深水、潮溝、龍口等施工與運(yùn)行安全影響控制因素,提出經(jīng)濟(jì)合理的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)置、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)估體系;提出適合沿海特殊環(huán)境條件下圍墾堤防質(zhì)量隱患檢測(cè)的科學(xué)有效的方法;提出圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,建立圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,采用先進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和方法,從而為圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)決策和管理提供科學(xué)方法、手段和依據(jù)。3本研究3.1監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究a.依據(jù)海堤工程的級(jí)別、水文氣象條件、地形地質(zhì)條件、堤型特點(diǎn)及工程運(yùn)用要求,研究圍墾堤防施工安全的主要影響因素,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析,研究設(shè)置經(jīng)濟(jì)合理的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)資料的整理分析技術(shù)以及預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。b.針對(duì)沿海特定環(huán)境,研究提出抗腐蝕性、實(shí)用方便、技術(shù)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。c.研究提出新型圍墾堤防施工安全監(jiān)測(cè)保障運(yùn)行技術(shù)體系。3.2高效質(zhì)量檢測(cè)方法與配套儀器a.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、對(duì)比分析目前常用的探測(cè)方法(人工或機(jī)械錐探、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、彈性波法、高密度電法等)對(duì)于圍墾堤防質(zhì)量檢測(cè)的有效性,從而達(dá)到評(píng)價(jià)圍墾堤防工程質(zhì)量的目的。b.提出適合沿海特殊環(huán)境條件下圍墾堤防高效質(zhì)量檢測(cè)方法與配套儀器。c.研究提出高效的圍墾堤防隱患識(shí)別理論與方法,并應(yīng)用于實(shí)際工程。3.3圍墾防風(fēng)工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系構(gòu)建a.通過(guò)分析圍墾堤防工程的水文條件,地質(zhì)條件,監(jiān)測(cè)、檢查及隱患探測(cè)結(jié)果,堤防建設(shè)和出險(xiǎn)情況等因素,確定圍墾堤防安全的主要影響因素。b.在研究圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)主要影響因素的基礎(chǔ)上,從圍墾堤防工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的特點(diǎn)出發(fā),分析堤防工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系建立的基本原則,構(gòu)建圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。c.根據(jù)圍墾堤防工程的具體條件、運(yùn)行環(huán)境,在圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的基礎(chǔ)上,應(yīng)用數(shù)學(xué)理論和方法,建立圍墾堤防工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)學(xué)模型。d.通過(guò)分析圍墾堤防安全主要影響因素的特殊性,借鑒已有堤防安全風(fēng)險(xiǎn)分析成果,以圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型為基礎(chǔ),研究適用于圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的計(jì)算方法,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,從而為圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)決策和管理提供科學(xué)方法、手段和依據(jù)。4圍墾式防洪工程措施專題采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與檢測(cè)、數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的技術(shù)路線進(jìn)行研究,總體技術(shù)路線如圖1所示。a.針對(duì)存在問(wèn)題,進(jìn)行廣泛調(diào)研和勘查,充分收集資料,制定研究方案。b.依據(jù)設(shè)計(jì)資料,建立圍墾堤防結(jié)構(gòu)有限元模型,仿真模擬堤防充填管袋施工過(guò)程,計(jì)算預(yù)測(cè)圍墾堤防堤基及堤身結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展過(guò)程及相關(guān)量值,為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)提供初步的參考依據(jù),同時(shí)也為圍墾堤防風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估提供定量分析資料。c.依據(jù)數(shù)值仿真分析結(jié)果,參照傳統(tǒng)圍墾堤防工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,結(jié)合圍墾堤防場(chǎng)地條件,選擇代表性斷面布設(shè)深層沉降位移、深層水平位移等觀測(cè)設(shè)備,監(jiān)測(cè)充填管袋施工過(guò)程中堤基及堤防結(jié)構(gòu)的一系列變形,通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究確定影響圍墾堤防施工安全的主要因素、控制指標(biāo)以及控制措施。d.初步的研究表明,充填管袋層間滑移是新時(shí)期充填管袋施工圍墾堤防工程失事的主要原因之一,因此針對(duì)該新施工工藝,需要研發(fā)可以監(jiān)測(cè)充填管袋層間滑移量的監(jiān)測(cè)設(shè)備,并研究其量值與管袋穩(wěn)定性的關(guān)系,從而可以通過(guò)該指標(biāo)的監(jiān)控達(dá)到保障圍墾堤防施工安全的目的。e.結(jié)合堤防結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真模擬結(jié)果、典型斷面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,通過(guò)分析可以選擇出保障新型圍墾堤防施工安全必須且經(jīng)濟(jì)合理的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、配套儀器、不同階段的監(jiān)測(cè)頻率及不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的預(yù)警指標(biāo)。f.在上述工作基礎(chǔ)上,提出新型圍墾堤防安全監(jiān)控運(yùn)行體系。g.對(duì)比分析地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、彈性波法、高密度電法等對(duì)于圍墾堤防質(zhì)量檢測(cè)的有效性,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比,優(yōu)選出新型圍墾堤防工程質(zhì)量檢測(cè)的有效方法以及適合沿海環(huán)境的配套儀器。h.對(duì)影響工程安全因素進(jìn)行歸納總結(jié),結(jié)合安全監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢測(cè),篩選、確定圍墾堤防安全的主要影響因素,以此構(gòu)建圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,以圍墾堤防安全風(fēng)險(xiǎn)為總目標(biāo),提出適合圍墾堤防實(shí)際情況的安全風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法。i.集成上述成果,在條子泥圍墾工程中示范應(yīng)用。5圍墾超導(dǎo)體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估a.結(jié)合圍墾堤防具體的工程地質(zhì)條件、水文條件、地基處理方式、斷面結(jié)構(gòu)形式及采用的不同施工工藝,提出經(jīng)濟(jì)合理的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)置、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)估體系。