錢塘江海塘基礎(chǔ)防沖工程中塘腳流土成因分析及治理措施

錢塘江海塘基礎(chǔ)防沖工程中塘腳流土成因分析及治理措施

杭州郊區(qū)的海塘建于20世紀(jì)70年代，水庫部分是一座傾斜的海塘。近年來,錢塘江江道和水文條件變化大,低水位降低,涌潮加大,河床刷深,沿岸灘地大量沖失,致使堤腳掛空,險(xiǎn)情不斷,根據(jù)保護(hù)對(duì)象的重要性,確定按100年一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行堤塘加固建設(shè)。以往錢塘江海塘基礎(chǔ)防沖工程采用無圍堰乘潮施工,質(zhì)量及施工進(jìn)度均難以保證。1997年11月底在標(biāo)準(zhǔn)海塘拉錨井式防沖墻護(hù)腳工程施工中,采用塑料編織土工布充填土管袋作臨時(shí)圍堰(以下簡(jiǎn)稱“土工袋圍堰”)試驗(yàn)獲成功。實(shí)踐證明,該結(jié)構(gòu)能有效地抵御強(qiáng)涌潮沖擊,使塘腳基礎(chǔ)可做到灘地最大沖刷深度以下,較好地解決了多年塘腳偏高的老大難問題,隨后,該土工布充填土管袋圍堰在錢塘江南北岸兩岸標(biāo)準(zhǔn)塘基礎(chǔ)防沖、丁壩、新建堤塘等工程中推廣應(yīng)用。1工程地質(zhì)概況錢塘江是舉世聞名的強(qiáng)潮河口,涌潮最大高度可達(dá)3m左右,流速一般6～8m/s,實(shí)測(cè)最大涌潮壓力為70kPa,最大流速12m/s,其動(dòng)力條件強(qiáng)勁,對(duì)海塘、丁壩等各種建筑物破壞力極大。該河段受臺(tái)風(fēng)暴潮控制,多年平均高低潮位分別為6.0m和4.63m,歷年最高、最低潮位分別為9.85m和2.25m。本工程地質(zhì)屬錢塘江第四紀(jì)沖海積平原,地形平坦。地基淺層25m范圍內(nèi)為巖性較為單一的砂質(zhì)粉土或粉砂土,具有承載力大,壓縮性低,抗沖能力低的特點(diǎn),粉土的顆粒組成見表1,沿線堤塘大方腳外灘地廣泛分布寬20～30m,厚2～3m左右的塊石層。2土木工程袋尾的設(shè)計(jì)和施工2.1壩體結(jié)構(gòu)保護(hù)方案錢塘江海塘基礎(chǔ)防沖保護(hù)措施,一般有間接保護(hù)和直接保護(hù)兩大類。間接保護(hù)方法多用丁壩,在錢塘江治理中取得較好效果。但河口的下游段,涌潮強(qiáng)勁,且持續(xù)臨溜,原有一些丁壩常遭涌潮破壞,復(fù)建工程量浩大。直接保護(hù)方案有垂直保護(hù)和水平保護(hù);垂直防沖保護(hù)方案有小沉井群、鋼筋混凝土板樁、鋼筋混凝土灌注樁等防沖墻;水平保護(hù)方案有拋石、混凝土、異形混凝土塊體、模袋混凝土和分裂式少筋混凝土護(hù)坦等。以往施工采用無圍堰乘潮作業(yè),丁壩壩頭常用裝石鋼筋籠、環(huán)梁掛樁等保護(hù)措施,耐久性差,運(yùn)行維護(hù)工作量大。垂直保護(hù)措施中,由于施工作業(yè)時(shí)間短,地基中塊石難以徹底清除,導(dǎo)致沉井和板樁間隙大,板樁遇塊石難以沖沉到設(shè)計(jì)高程,常采用截樁處理。異形塊體,模袋混凝土和分裂式少筋混凝土等護(hù)坦頂面一般需在平均低潮位以上,底腳偏高,仍受底腳掏空的威脅,穩(wěn)定性欠佳。更有甚者,由于乘潮作業(yè)時(shí)間過短,護(hù)坦的混凝土在初凝前就遭受潮水沖刷破壞。2.2土工袋圍堰施工近年來土工織物作臨時(shí)圍堰在水利工程應(yīng)用已不少,然而在強(qiáng)涌潮地段沿堤線大規(guī)模填筑土工袋作臨時(shí)圍堰尚未見報(bào)道,與土石圍堰比,土工袋圍堰具有抗沖能力強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單、施工成型迅速、工程造價(jià)低、拆除方便等優(yōu)點(diǎn)。錢塘江岸灘存在大量粉砂土且便于吹填,基礎(chǔ)防沖施工工期短,土工袋因此成為錢塘江斜坡式標(biāo)準(zhǔn)海塘施工的首選圍堰堰型,并在錢塘江南北兩岸標(biāo)準(zhǔn)塘施工中普遍推廣應(yīng)用。2.2.1工程包裝板墻設(shè)計(jì)(1)工程損失的大小確定根據(jù)堤防工程等級(jí)以及圍堰漫頂破壞后工程損失的大小確定圍堰標(biāo)準(zhǔn)。按施工期設(shè)計(jì)洪(潮)水位+安全超高(0.70m)確定圍堰堰頂高程。(2)水平抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算圍堰要滿足整體抗滑穩(wěn)定、水平抗滑穩(wěn)定以及滲透穩(wěn)定要求。整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為:K0=∑(LiCi+WiCosαitgψi)∑WiSinαiΚ0=∑(LiCi+WiCosαitgψi)∑WiSinαi式中:K0—整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);Li—土條對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng);Ci—土的凝聚力;ψi—土的內(nèi)摩擦角;Wi—第Ⅰ個(gè)土條重量;αi—土條底部滑弧中點(diǎn)切線與水平線夾角。水平抗滑穩(wěn)定計(jì)算需考慮涌潮壓力(3～5t/m2)以及支護(hù)鋼管阻滑作用,計(jì)算公式如下:Ks=Gf+F阻HΚs=Gf+F阻Η式中:Ks—抗滑穩(wěn)定系數(shù);G—計(jì)算面上垂直合力;H—計(jì)算面上水平合力;f—沿計(jì)算面的摩擦系數(shù)(0.4);F阻—支護(hù)鋼管阻滑力。滲透穩(wěn)定計(jì)算公式為:J=ΔHLJ=ΔΗLΔH—水頭;L—滲徑長(zhǎng)度穩(wěn)定系數(shù)須滿足K0>1.15,Ks>1.1,J允<0.44(粉砂土)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。(3)土工袋結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)度袋用土工布的選用與施工期長(zhǎng)短、充灌土漿壓力、土的顆粒級(jí)配及排水固結(jié)等因素有關(guān)。本工程采用抗拉強(qiáng)度較高的塑料編織土工布制成管袋。編織布的物理力學(xué)特性見表2。在強(qiáng)涌潮河段土工袋布的強(qiáng)度可根據(jù)水動(dòng)力大小和圍堰高度擬定,通常選用抗拉強(qiáng)度20～40kN/m,單位面積質(zhì)量120～230g/m2塑料編織布,等效孔經(jīng)滿足O95≤d85的規(guī)范要求。本工程河段土工袋圍堰頂高程為9.0m,底高程為3.0m。頂寬5m,底寬12～14m,管袋中央設(shè)2～4m寬防滲土體,其外側(cè)鋪設(shè)涂膜編織布,管袋兩側(cè)用鋼管支撐及對(duì)拉固定。根據(jù)實(shí)踐強(qiáng)涌潮地段土工袋選用長(zhǎng)度40m,直徑為1.5～4.0m比較合適。圍堰內(nèi)側(cè)設(shè)置頂寬不少于2m,底寬不小于4m,厚度為1m的粉砂土防滲鋪蓋(圖1)。2.2.2勞動(dòng)袋結(jié)構(gòu)土工袋圍堰施工簡(jiǎn)單,進(jìn)度較快,一般在1至2個(gè)小潮汛完成。(1)鋪設(shè)鋼管和土工袋a.按設(shè)計(jì)圍堰斷面,在小潮汛低水位時(shí),用“沖孔法”水下安插鋼管,入土深度為1～2m,而后架設(shè)縱、橫向鋼管,使鋼管連成一體,縱、橫向鋼管隨圍堰的升高相應(yīng)調(diào)整和接高;b.鋪設(shè)土工袋,與鋼管連接固定;c.輸泥管伸入土工袋灌注口內(nèi),吹填土工袋至飽和狀態(tài)。d.兩側(cè)土工袋圍堰達(dá)到一定高度時(shí),中間用泥漿泵吹填土填筑防滲土體。e.圍堰使用結(jié)束后,大部分鋼管可回收。(2)高壓系統(tǒng)的配制a.配備20t左右施工用船,裝兩臺(tái)(套)100-ZWB-10型泥漿泵,吸入口用蛇皮橡膠軟管按需要開挖深度配置蓮蓬頭,外加直徑50cm、高40cm鐵柵外罩,配3BS-9Q型高壓泵,各接2支5cm軟管,再安裝有高壓噴嘴的鍍鋅鋼管,每臺(tái)配7.5kW電動(dòng)機(jī)一臺(tái)。b.施工時(shí)用船倉面作為操作平臺(tái),錨定船體,放下吸泥管,吸泥管上方設(shè)一只1t葫蘆,作調(diào)節(jié)吸土高低用。用人工把持高壓水槍沖土,用吸泥泵將泥水混合液灌入土工布編織袋,泥沙沉淀后排出清水。待圍堰體高出常水位,將固定鋼管拔除,內(nèi)外兩側(cè)編織袋充土。外側(cè)編織袋到高程9.0m,其迎潮面自高程5.0～7.5m覆蓋一層編織布,幅寬4～6m。具體做法是在高程5.0m編織袋下壓寬2m左右的編織布,多余編織布露出外側(cè),待堰體吹填到高程7.0～7.50m時(shí)將多余編織布拉上包往已充灌的袋頂部,其上加編織土工布充填土袋壓牢。圍堰內(nèi)側(cè)編織袋一般到6.0～7.0m高程,圍堰體中間吹填土作防滲用,一般寬度不小于2m。3使用示例3.1丁壩壩底結(jié)構(gòu)防沖墻工程錢塘江杭州七格段5km標(biāo)準(zhǔn)塘工程中,在原海塘堤腳外有100m寬的低灘(灘面高程2～3m,即水深約2～3m)填筑了土工袋圍堰,圍堰結(jié)構(gòu)同前述,底寬最大的20m,頂高程為9.0m。圍堰筑成后,改變了以往乘潮作業(yè)時(shí)間短的局面,使拉錨井式防沖墻施工質(zhì)量大為提高。丁壩壩頭原設(shè)計(jì)采用環(huán)梁掛樁結(jié)構(gòu),改用大型鋼筋混凝土沉井(10m×10m×11.4m,沉井底高程-6.5m)保護(hù)。丁壩壩頭的穩(wěn)定性和耐久性大大提高,同時(shí)丁壩上下游側(cè)用小沉井(1.0m×1.0m×5.5m),使解決沖刷坑問題成為可能。3.2土石混合式臨時(shí)圍堰法杭州郊區(qū)850新閘系在原老海塘上破塘建閘,基坑大開挖至高程1.4m,而閘前圍堰結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定至關(guān)重要,按以往傳統(tǒng)做法,需修建20年一遇的土石混合式臨時(shí)圍堰,其造價(jià)約4000元/m。經(jīng)多方案比較,選用土工袋圍堰結(jié)構(gòu),長(zhǎng)100m,為防滲需要底寬放大至25m,頂寬6.0m,頂高程9m,中間4.0m寬填粉土作防滲土體,兩側(cè)用鋼管支撐,圍堰防滲土體與兩端海塘的防滲土體連成一體。該土工袋圍堰造價(jià)僅1000元/m,既滿足工程建設(shè)要求,又可節(jié)約工程造價(jià)30萬元。4問題4.1堰腳表面阻滑海塘施工一般選在弱潮枯水期,有時(shí)遇上春雨強(qiáng)且早,遇上游洪水下泄,則堰腳外灘地刷低,底腳淘空,或主流逼近,堰腳變陡,灘地比降過大,易形成滑動(dòng),需采用固腳阻滑措施,可拋填塊石混合料鎮(zhèn)壓或鋪筑吹填土工袋形成鋪蓋以阻滑。4.2主袋的損壞塑料編織布抗老化性能較低,安全使用期約3個(gè)月,超期后常發(fā)生管袋破損引起粉土流失,進(jìn)而導(dǎo)致圍堰失穩(wěn)。4.3破壞涌潮動(dòng)力強(qiáng),波浪爬高較大,大潮汛期潮浪漫頂,易造成堰體損壞,因此施工期宜安排在11月份至翌年的3月份的枯水弱潮期。5基礎(chǔ)防沖墻施工作業(yè)時(shí)間短、施工質(zhì)量較低采用土工布充填土管袋作為錢塘江海塘基礎(chǔ)防沖工程施工的臨時(shí)圍堰在錢塘江標(biāo)準(zhǔn)海塘建設(shè)中尚屬首次,通過近幾年標(biāo)準(zhǔn)塘工程建設(shè)實(shí)踐,有如下幾點(diǎn)體會(huì):(1)土工袋臨時(shí)圍堰的應(yīng)用改變了錢塘江海塘基礎(chǔ)防沖工程無圍堰乘潮施工作業(yè)時(shí)間短的局面,施工質(zhì)量與施工進(jìn)度有了保證。(2)有利于反鏟挖掘機(jī)與汽車吊機(jī)等施工機(jī)械下錢