稻草沙水庫工程建設(shè)中的建筑材料選擇與施工作業(yè)

稻草沙水庫工程建設(shè)中的建筑材料選擇與施工作業(yè)

1．路—工程概況草地沙源水庫（以下簡稱草地沙水庫）位于長江口南支下段南北港旁的水域。如圖1所示，它由興縣島西部和北部的中央沙、草坪沙和北部的小蓬槽組成。環(huán)庫堤壩總長約48.4km,水庫總面積66.15km2,水庫最高蓄水位7.00m(吳淞零點,下同),設(shè)計最低水位-1.50m,水庫總庫容5.27億m3,有效庫容4.38億m3。水庫堤壩工程主要包括:新建長約22km的青草沙庫區(qū)堤壩(北堤、東堤),按水庫標準改造中央沙庫區(qū)圍堤(南堤、西堤)約10.5km,加高加固庫區(qū)范圍的長興島老海塘約15.9km,以及臨江側(cè)的中央沙庫區(qū)南堤、西堤和青草沙庫區(qū)北堤、東堤的保灘護底等。水庫環(huán)庫堤壩為1級水工建筑物,臨江側(cè)的防洪(潮)標準采用100a一遇高潮位(6.13m)加同頻率風浪設(shè)計,300a一遇高潮位(6.43m)加同頻率風浪校核;庫內(nèi)側(cè)的設(shè)防標準采用最高蓄水位(7.00m)加相應(yīng)風浪高。長興島老海塘加高加固段按不允許越浪設(shè)計,其余堤段按允許部分越浪設(shè)計。2水庫建設(shè)與河流潛力和海灘利用控制2.1合理設(shè)置河勢堤線,保證河道植物的生長青草沙水域地處長江口南支的江心區(qū)域,水量充沛、水質(zhì)良好,具備水源地建庫條件。前期大量的研究成果表明:青草沙水域河勢較為穩(wěn)定,但南北港分流口河勢已向不穩(wěn)定發(fā)展過渡,是建庫的較好時機;實施青草沙水庫工程對長江口地區(qū)防洪排澇、南北港分流口河勢、南北港河勢、長江口深水航道、北港主通航孔及長興島南岸重大工程無明顯不利影響;工程固定了新橋通道的下邊界,阻止了中央沙頭的后退,為南北港分流口整治工程的實施創(chuàng)造有利條件。擬建取水口設(shè)置在新橋通道中段南側(cè),在河勢穩(wěn)定性方面基本可行。堤線布置直接關(guān)系到南北港河勢的穩(wěn)定。通過水動力、泥沙、鹽度、水質(zhì)數(shù)學模型模擬,并結(jié)合河演分析和長江口整體大變率動床、定床物理模型試驗研究,決定將新建堤壩布置在長興島西北側(cè)離岸1.2~4.0km、順流向長約30km的江心沙洲外緣的帶狀沙脊上,其走向基本與北港落潮流一致,堤線在沙尾橫穿大型漲潮溝(北小泓)后與加高加固的長興島老海塘相接,上游側(cè)與加高加固的中央沙圈圍大堤相連,形成閉合的環(huán)庫堤壩,詳見圖1。2.2施工總體思路青草沙庫區(qū)灘地形態(tài)主要由南北兩側(cè)灘地和橫貫東西的深泓構(gòu)成,庫區(qū)中心區(qū)域靠西為現(xiàn)狀青草沙墾區(qū)。通過對工程區(qū)的地形地貌特點、水流條件、工程實施方式及總工期的分析,研究提出按兩個階段實施的方案。第一階段基本框架是多堤段同時實施,但高灘、低灘港汊和深泓潛堤的控制高程應(yīng)不相同。對數(shù)十種方案組合進行詳細的數(shù)模計算分析后,得到如下主要結(jié)論:在全線堤段的堤身處實施護底的基礎(chǔ)上,北堤的高灘部分可盡快出水,北堤的港汊部位(低灘段)應(yīng)作為納潮通道予以保護,東堤深泓段可先實施潛堤至-4.0m高程。高灘、港汊和深泓潛堤的堤壩填筑布局,可使工程區(qū)在較長時段內(nèi)保持作為北港副槽的水流特征,漲潮流從橫沙通道進入北小泓,繼而從上游港汊入主泓,具有明顯的順應(yīng)河勢的優(yōu)勢。第二階段,工程總體設(shè)計遵循在東堤深泓段和北堤港汊段設(shè)龍口的思路。龍口選址分為兩大類,第一類是在北堤上設(shè)置龍口(多龍口和雙龍口兩種方案),第二類是在東堤深槽上設(shè)置龍口。北堤多龍口方案、雙龍口方案具有龍口流速相對低、工藝常規(guī)等明顯優(yōu)勢,但均存在兩類主要問題:(1)若東堤不能按計劃抬升出水,將會影響北堤龍口的按期合龍,從而造成整個工期的延期;(2)由于東堤位于漲潮溝上,漲潮時水動力強勁,東堤主槽流受阻后,極有可能造成納潮口水流切灘或龍口護底范圍形成沖槽,進一步發(fā)展后可能造成沖槽并與外側(cè)深槽串通。因此,綜合比較后推薦東堤深槽設(shè)主龍口,北堤兩個高灘段之間設(shè)副龍口的方案。龍口方案明確后,第二階段的施工順序是盡快抬高上游第一納潮口堤段,抬升北堤下段及東堤,進一步收縮合龍北堤副龍口和東堤深泓段主龍口,形成全線封閉。新建水庫堤壩實施順序詳見圖2。3砂袋質(zhì)量與砂袋穩(wěn)定性的關(guān)系根據(jù)目前國內(nèi)水力充填筑堤的經(jīng)驗,在-6.0m以下深水吹填砂袋施工困難,質(zhì)量也難以保證。東堤中段為北小泓漲潮溝深槽,天然條件下大潮漲落急流速達2.0m/s左右。根據(jù)水流、堤基、施工等條件的分析,東堤深泓段采用拋填砂袋雙棱體斜坡堤。拋填砂袋雙棱體斜坡堤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要點在于拋填砂袋的袋布設(shè)計、施工期砂袋在波浪水流作用下的穩(wěn)定性,以及作為水庫堤壩堤身的密實性。根據(jù)長江口地區(qū)多年工程實踐經(jīng)驗,并通過大量的現(xiàn)場試驗,800g/m2的機織布、500g/m2的機織布泌水性能不如260g/m2的機織布,在充灌砂的過程中,飽滿度達不到設(shè)計要求,充灌效率也很低;410g/m2的復(fù)合布透水性較好,對減少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用,但成本相對較高;260g/m2的機織布通過在砂袋制作時增加排水袖口的措施可彌補透水性較差的缺點,充灌效率較高,因此被普遍采取。拋填砂袋施工以效率最高的大型翻板船側(cè)翻拋袋為主(一次可拋放6~12個砂袋,日最大拋填量可達2000m3左右),拋填袋裝砂尺寸一般采用4m×6m或6m×8m,砂袋厚度以0.6~0.8m為宜,充盈度控制在60%~70%,以利于控制砂袋密實性。單層袋裝砂袋的抗滑穩(wěn)定性主要取決于施工期頂部砂袋的穩(wěn)定性。單層砂袋的臨界穩(wěn)定波高一般在1.5m以下。根據(jù)河海大學相關(guān)試驗成果,在袋裝砂頂部覆蓋兩層大砂袋,并對頂部兩層砂袋作隔倉處理,可將臨界穩(wěn)定波高提高至2.8m。東堤在-4.0m高程需要度汛,因此,-6.0~-4.0m高程采用410g/m2的高強復(fù)合土工布大尺度管袋(內(nèi)層為150g/m2無紡?fù)凉げ?加強保砂性能,外層為260g/m2機織土工布,抗沖刷),兼作防沖和過渡層。施工中采用船載GPS和專用定位軟件進行定位。受水流流速的影響,砂袋入水后會產(chǎn)生一定距離的漂移,這是影響水下堤身實際成型效果的一個重要因素。因此,通過砂袋漂移試驗,測出相同水深條件下各種規(guī)格的砂袋在漲急、落急情況下的大致漂移距離,并據(jù)此對拋袋的施工參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整;通過檢測浮漂位置和潛摸的方法檢測實際拋放位置和拋放質(zhì)量,及時對堤身斷面進行測量,決定是否需要補拋以及補拋位置,以提高水下堤身成型質(zhì)量。4截流方案比選(1)青草沙庫區(qū)分倉方案論證。庫區(qū)分倉方案主要研究不分隔、設(shè)一道隔堤、設(shè)兩道隔堤,即庫區(qū)分為1倉、2倉、3倉三種分倉方案。2倉方案在青草沙墾區(qū)東端設(shè)置1條隔堤,將庫區(qū)分成上下2倉;3倉方案是在2倉方案基礎(chǔ)上,再增設(shè)置1條隔堤,形成上、中、下3倉,上庫約1067hm2,中庫約1933hm2,下庫約1974hm2。利用DELFT3DFLOW模型和MIKE21模型進行水庫分倉方案的論證。研究表明,分倉方案改變了水流流路,且不能有效降低龍口的水流流速;隔堤實施后,堤頭內(nèi)外側(cè)的流態(tài)和流速都有較大幅度的改變,沙脊及河床形態(tài)也必將發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整,對水庫堤壩建設(shè)不利;隔堤兩側(cè)存在較大水位差,應(yīng)具有一定的防滲能力;隔堤位于深槽,本身施工難度很大,造價在1億元以上。因此,從水流、施工、功能及經(jīng)濟方面對庫區(qū)分隔方案進行綜合比較,1倉方案對河勢影響小,施工強度小,進度有保障,其龍口保護及合龍難度與2倉和3倉方案相比沒有本質(zhì)的變化,施工交通條件也無特別的劣勢,工程費用可大幅降低。因此,推薦采取不分倉的方案,整個庫區(qū)面積約49.8km2。(2)龍口規(guī)模研究。采用數(shù)學模型和物理模型手段,并考慮龍口結(jié)構(gòu)布置和截流實施方案,針對推薦的東堤深槽主龍口方案,研究了保護期、收縮期及合龍期的水流特征,以及北堤副龍口對東堤主龍口的影響,上下游水閘參與排水對東堤龍口的影響,及東堤龍口加寬加深的分析比較等。經(jīng)綜合分析論證,確定東堤主龍口保護期規(guī)模為:寬800m、底高程-4.0m,龍口兩端各設(shè)寬50m、高程為0m的平臺。綜合龍口保護期及合龍期過程的水流計算和試驗研究成果,擬定龍口保護期設(shè)計流速為7.5m/s(位于龍口-4.0m高程平臺與邊坡交接處),框籠截流過程流速按不大于6.0m/s控制。4.2網(wǎng)中心帶模型試驗裝置根據(jù)龍口設(shè)計流速及龍口基礎(chǔ)構(gòu)筑材料的保護要求,龍口保護結(jié)構(gòu)由下往上設(shè)計為4層,具體見圖3。第一層,大型土工織物充填砂袋尺寸為220m×35m,袋布規(guī)格為410g/m2復(fù)合土工布,采用大型鋪排船趕潮施工。第二層,超強砂肋軟體排順水流方向通長約為200m,寬度35m左右(視鋪排船規(guī)模而有增減),排布采用1300g/m2丙綸長絲機織土工布,其抗拉強度為經(jīng)360kN/m、緯260kN/m(該排布為針對該工程定制并首次批量投入應(yīng)用的超強度土工布),砂肋直徑30cm,間距150cm,采用260g/m2丙綸長絲機織布。第三層,混凝土塊連鎖排,基布采用380g/m2復(fù)合土工布,混凝土塊規(guī)格為160mm(厚)×400mm×400mm,由丙綸繩均勻系在排布上。排體的平面尺度與超強砂肋軟體排相同。第四層,網(wǎng)兜石單重10t,6個聯(lián)成一組,整體吊裝,定點沉放,安放后的整體厚度為0.6~1.2m。水槽試驗表明,6個一聯(lián)10t網(wǎng)兜石可滿足6.5~8m/s流速的抗沖穩(wěn)定。在堤壩的防滲墻位置,用30t混凝土塊代替網(wǎng)兜石,截流后吊出并用充填砂袋置換。4.3網(wǎng)兜底石截流龍口900m范圍分兩種戧堤截流斷面,在龍口中間底寬800m、底高程-4.0m范圍全線采用框籠拋石截流,即在小潮汛期安放框籠并壓載,但大潮汛時仍可過水,再乘小潮或大潮平潮時段向已安放并形成穩(wěn)定的框籠內(nèi)拋石戧堤。兩側(cè)各50m(底高程-4.0m)段采用網(wǎng)兜石戧堤截流?？蚧\結(jié)構(gòu)主要考慮了鋼筋混凝土和型鋼兩種結(jié)構(gòu)形式,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重大、穩(wěn)定性好,但制作周期長、安裝難度大;型鋼結(jié)構(gòu)在制作和吊裝上有一定的優(yōu)勢,因此推薦采用型鋼結(jié)構(gòu)。鋼框籠立面(水流進出方向)采用有利于自身穩(wěn)定的梯形斷面,頂寬10m,底寬12m,高7.5m,詳見圖4。施工順序為:(1)放籠;(2)籠內(nèi)-2.0m以下壓重拋石;(3)籠兩側(cè)各5m范圍-2.0m以下壓重網(wǎng)兜固籠;(4)籠內(nèi)分層拋石至籠頂;(5)籠兩側(cè)拋石加固。上述第(1)~(3)步相當于平堵過程,第(4)步可根據(jù)需要既可立堵也可平堵。5水庫充灌工藝5.1管袋結(jié)構(gòu)的滲透率選取有代表性的堤身結(jié)構(gòu),分別進行堤壩斷面結(jié)構(gòu)水槽概化滲透試驗、相鄰或類似堤壩滲流特性原位試驗,對試驗結(jié)果進行分析總結(jié),得出工程區(qū)域復(fù)雜沉積環(huán)境下高離散性地基土的滲透特性具有如下規(guī)律。(1)青草沙區(qū)域的砂樣經(jīng)水力充填成土工管袋結(jié)構(gòu)后,水平和垂直向滲透性分別為6.06×10-3cm/s和3.11×10-3cm/s。(2)土工管袋結(jié)構(gòu)透水性一般為吹填砂體的2~4倍。由此可見,土工管袋之間的接縫對滲透性存在一定的影響,可導(dǎo)致滲透系數(shù)變大。(3)多層土工管袋結(jié)構(gòu)的滲透性比原砂樣的滲透性大,其原因在于管袋與管袋之間存在搭接縫隙,而問題并不是管袋所采用的土工布本身,單層土工袋結(jié)構(gòu)的滲透性與原砂樣十分接近。(4)堤線各處的表層滲透變形形式和特性不一?？傮w上,粉土和粉砂滲透系數(shù)在10-3~10-4cm/s量級,黏土滲透系數(shù)在10-6~10-7cm/s量級。(5)雙層和多層土工管袋結(jié)構(gòu)的滲透性較原砂樣的滲透性有所變化,主要由于是管袋間的接觸滲流引起。試驗中未見管袋自身滲透破壞,滲透破壞均發(fā)生在管袋間的接觸滲流,接觸滲透坡降臨界值為0.1。5.2攪拌樁方案比選水庫堤壩的滲流控制以設(shè)置水泥土防滲墻為主,其施工工藝、設(shè)計參數(shù)以及質(zhì)量監(jiān)測和評定標準通過現(xiàn)場試驗研究確定,東堤深槽段復(fù)雜堤身結(jié)構(gòu)經(jīng)計算分析后采用復(fù)合式防滲墻。(1)現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場原型試驗有2種工法(SMW水泥土攪拌樁、高噴法),針對兩種特殊堤身結(jié)構(gòu)(吹填土+砂肋軟體排、吹填土+高強土工布袋裝砂+砂肋軟體排)進行對比試驗。通過試樁主要得出如下結(jié)論:(1)攪拌樁成樁質(zhì)量最好,攪拌樁次之,旋噴+擺噴較差。(2)安裝切割刀具的攪拌樁鉆頭在施工時可以將土工布切割成不規(guī)則的條塊狀,并隨著攪拌頭、葉片帶出土體。(3)檢測孔的傾斜程度從大到小依次為,,經(jīng)檢測,連續(xù)性和均勻性較好的攪拌樁比另外兩種樁型更容易保證垂直度。(2)復(fù)雜堤身結(jié)構(gòu)防滲墻形式。根據(jù)攪拌樁的實際施工能力及上海地區(qū)土性特點,水泥土攪拌樁的設(shè)計滲透系數(shù)可取為5×10-6cm/s。經(jīng)計算,水泥土攪拌樁的防滲墻厚度需60cm,因此,新建堤壩防滲墻采用攪拌樁(套接)。東堤深槽段堤身下部存在厚約2.0m的強透水層(網(wǎng)兜石),為防止堤身空洞及透水影響成樁質(zhì)量,經(jīng)分析采用雙排ue54e850mm@600的水泥土攪拌樁防滲墻。兩排攪拌樁的布置初擬兩種方案進行比選:第一種方案是兩排攪拌樁隔開一定距離,排與排之間無連結(jié)措施;第二種方案是兩排攪拌樁預(yù)留40cm,在攪拌樁達到足夠的強度后,在兩排攪拌樁墻中間采用高壓旋噴進行封