長(zhǎng)江口蓄淡避咸水庫(kù)圍堤工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江口蓄淡避咸水庫(kù)圍堤工程深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

1憲法基面設(shè)計(jì)太倉(cāng)市第二大工廠從長(zhǎng)江取水。工廠位于長(zhǎng)江口南岸的浪港。由于旱季河流較少，潮汐呈現(xiàn)，水體含鹽量超標(biāo)，需要修建應(yīng)急輕處理水的濱水水庫(kù)。水庫(kù)位于長(zhǎng)江水庫(kù)外的漢江框架內(nèi)，總蓄水量為365萬米，占河岸總面積的75萬米。它被建造在新的上游水庫(kù)、下游水庫(kù)和現(xiàn)有水庫(kù)周圍，以及對(duì)原來水庫(kù)的加固。水庫(kù)全長(zhǎng)130米，與水流方向平行的水庫(kù)位于河岸上，離河岸最遠(yuǎn)。因此，外水庫(kù)的高度最大。-2.7m（黃海模式，下同），水庫(kù)高度7.2m，最大壩高9.9米，綠波墻頂部高度8.4m，總高度10.9米。水庫(kù)周圍的水庫(kù)是一座二級(jí)建筑。長(zhǎng)江水庫(kù)水庫(kù)下面的地面高度為2.5米，水庫(kù)底部的設(shè)計(jì)高度為-1.0米，即水庫(kù)底部的設(shè)計(jì)高度應(yīng)大于-1.0m，庫(kù)內(nèi)最大蓄水水位應(yīng)大于-1.0m。水庫(kù)最大蓄水位為5.8m，死水位為0.3m。庫(kù)區(qū)已有取水泵站一座,直徑均為1.6m的2根取水鋼管自庫(kù)內(nèi)泵站直通庫(kù)外江中的取水頭部,鋼管中心線與外堤堤軸線基本正交.兩根鋼管的中心線間距為5.6m,鋼管中心線高程為-4.5m,即鋼管頂面在外堤中心線地基面下1.0m處.長(zhǎng)江口屬中等趕潮河口,每日兩漲兩落.最高潮位為4.38m,最低潮位為-2.7m.臺(tái)風(fēng)平均每年入侵2次,其中74%的風(fēng)力大于8級(jí),最大可達(dá)11級(jí).庫(kù)區(qū)地基為第四紀(jì)松散沉積層.近岸處表層有一些粉土層,即2號(hào)土層,厚度僅0.3～1.0m不等;其下及離岸稍遠(yuǎn)處為淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,即3號(hào)土層和4號(hào)土層,厚度分別達(dá)6～10m和4～14m,標(biāo)貫擊數(shù)N=1～3級(jí),承載能力約為60kPa.在該處建壩,除了需適應(yīng)潮流、臺(tái)風(fēng)環(huán)境與缺乏石料建材條件外,軟土地基以及地基中的取水鋼管(處于取水供水運(yùn)行狀態(tài),不能受損)等復(fù)雜地基問題需妥善處理.2復(fù)雜地質(zhì)和其他問題的處理2.1管袋、管袋充填太倉(cāng)市第二水廠蓄淡避咸水庫(kù)所在的浪港口,軟土地基表層無承載能力較強(qiáng)的“鐵板砂”層,淤泥質(zhì)土裸露,增加了筑壩的難度.水庫(kù)大壩以充砂管袋棱體作為圍堰與大壩臨江側(cè)消浪平臺(tái),因地基軟弱,將棱體坡比適當(dāng)放緩,臨江側(cè)坡比為1∶3.0,臨庫(kù)側(cè)坡比為1∶1.5.管袋采用加碳黑的聚丙烯編織布縫制,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析計(jì)算,要求編織布質(zhì)量大于等于150g/m2,抗拉強(qiáng)度大于等于20.0kN/m,等效孔徑O95=0.25mm,充填砂采自附近的江中沙洲白茆砂.圍堰合龍前的臨庫(kù)側(cè)水下圍堰支承體用吹填方式填筑,并以多頭小直徑深層攪拌樁墻防滲;其上壩體采用庫(kù)區(qū)開挖土經(jīng)晾曬干填,由于庫(kù)區(qū)開挖土的粘粒含量高達(dá)23%～33%,吹填脫水固結(jié)時(shí)間太長(zhǎng),因此只能放棄比較經(jīng)濟(jì)的吹填施工方式.壩體與堰體橫剖面見圖1.2.2壩體分散劑的鋪設(shè)由于淤泥質(zhì)地基的承載能力只有60kPa,以豎向土柱估算,只能承受高約3～4m的堆體,而水庫(kù)圍堰最大高度為6.3m,壩體最大高度為9.9m,所以軟土地基必須加固.采用經(jīng)濟(jì)快捷的在淺水中機(jī)械插打塑料排水帶,以填筑堰體為固結(jié)加載、適當(dāng)控制加載速率的方法,使淤泥質(zhì)地基脫水固結(jié),提高其承載能力.采用C型塑料排水帶,插打深度15m,間距1.3m,呈矩形布置,在壩體高度超過4m的壩基上插打.排水帶在50cm厚的充砂管袋上插打,露頭部分直接留在充砂管袋中,這樣,充砂管袋即為起水平排水作用的地面砂被.在管袋砂被上面從臨江側(cè)壩腳至臨庫(kù)側(cè)壩腳鋪設(shè)一層完整的加筋軟體排,作為軟土地基與壩體之間的加筋層.軟體排用聚丙烯編織布縫上加筋帶制成,編織布的質(zhì)量大于等于200g/m2,等效孔徑O95≤0.15mm,編織布上縫上寬60cm的加筋帶后的抗拉強(qiáng)度大于等于60.0kN/m.軟體排的鋪設(shè)方向即受力方向,垂直于壩軸線.2.3措施結(jié)合設(shè)計(jì)方案樞紐原總體設(shè)計(jì)采用科學(xué)合理的建筑物施工順序,即水庫(kù)大壩施工結(jié)束,待大部分壓縮沉降已經(jīng)完成再進(jìn)行取水鋼管壩下頂管施工,取水鋼管不再會(huì)因地基較大的壓縮沉降而產(chǎn)生較大的撓度.工程建設(shè)過程中因資金籌措緣故,先建設(shè)取水泵站及取水鋼管,后建設(shè)蓄淡水庫(kù),以解決居民飲水燃眉之急.由于建設(shè)順序的顛倒,出現(xiàn)了棘手的技術(shù)難題:①經(jīng)分層壓縮計(jì)算與有限元分析,在取水鋼管中心線處的沉降量達(dá)1.1m,取水鋼管已不能承受;②若采取地基處理措施保護(hù)取水鋼管不產(chǎn)生較大變形,則鋼管兩側(cè)未加處理措施的相鄰壩體將由于突然產(chǎn)生很大沉降引起貫穿性裂縫而破壞.為防止取水鋼管隨地基產(chǎn)生較大沉降,應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行處理.在三種處理方式之間進(jìn)行比較選擇:①兩根鋼管下兩側(cè)分別用高壓旋噴樁(摩擦樁)支撐,壩體荷載由淺層地基傳給鋼管,再由鋼管傳給旋噴樁,稱作“支撐保護(hù)”;②兩根鋼管兩側(cè)分別插打鋼筋混凝土預(yù)制樁(摩擦樁),并在地面建鋼筋混凝土承臺(tái),形成樁基結(jié)構(gòu),鋼管在承臺(tái)下面,壩體荷載直接由樁基承擔(dān),稱作“屏蔽保護(hù)”;③在兩根鋼管的外側(cè),平行于鋼管長(zhǎng)度方向各設(shè)置一道高壓定噴板墻,在大壩兩側(cè)壩腳處(即垂直于鋼管長(zhǎng)度方向)也各設(shè)置一道高噴板墻,深至地面下15m,形成四周封閉的“矩形圍封”,通過沉降觀測(cè),在沉降部位進(jìn)行靜壓注漿,由于灌漿區(qū)域已被圍封,灌漿壓力使該處上抬,回復(fù)至原來位置,稱作“充填保護(hù)”.三個(gè)方案的分析比較如下:“支撐保護(hù)”的旋噴樁在淤泥質(zhì)土的深處很難保證其有效樁徑,其施工質(zhì)量受操作影響較大;“屏蔽保護(hù)”的插打樁質(zhì)量易于保證,但鋼筋混凝土承臺(tái)的澆筑需作圍堰,高6m多的圍堰荷載也將使鋼管產(chǎn)生較大變形,且造價(jià)高、工序多、工期長(zhǎng),難以在長(zhǎng)江汛期前使圍堰合龍;“充填保護(hù)”的高噴板墻可與圍堰同時(shí)施工,經(jīng)觀測(cè)需要,隨時(shí)隨地可灌漿,灌漿上抬的效果可直接觀測(cè)控制,且造價(jià)低,施工靈活方便,質(zhì)量易于控制.經(jīng)分析比較,選擇“充填保護(hù)”方案,以防止取水鋼管產(chǎn)生較大撓度變形.2.4高壓旋噴樁復(fù)合地基的沉降特性在圍封區(qū)域沿壩軸線兩側(cè)的毗鄰區(qū)域,與圍封灌漿區(qū)域相比,存在著較大的沉降差,處理的思路應(yīng)在一定范圍內(nèi)分?jǐn)偧s1m的沉降差,減少沉降梯度.采用樁長(zhǎng)逐漸變小的高壓旋噴樁復(fù)合地基,在圍封邊緣處樁長(zhǎng)最大,使該處的沉降量與圍封區(qū)域相當(dāng),隨著遠(yuǎn)離圍封,樁長(zhǎng)逐漸變小,沉降量逐漸增大,直至復(fù)合地基邊緣,該處與未處理地基的沉降量相當(dāng).經(jīng)分析計(jì)算,采用樁徑1.0m,樁距3.0m,樁長(zhǎng)從18.0m,每排樁長(zhǎng)縮短1.5m直至3.0m樁長(zhǎng),兩側(cè)的復(fù)合地基的長(zhǎng)度均為28.0m.3海岸的結(jié)構(gòu)配置和計(jì)算3.1邊坡防護(hù)施工新建壩體的最大斷面參見圖1.壩體主要由三部分組成,即臨江側(cè)的拋石鎮(zhèn)壓層;臨江側(cè)的大棱體與臨庫(kù)側(cè)的小棱體;兩棱體間的壩主體.大棱體作為壩體的一部分,施工期兼作圍堰主體與合龍戧體,抵御20年一遇高潮位;運(yùn)行期兼作臺(tái)風(fēng)第一級(jí)消浪平臺(tái),頂高程4.6m,頂寬5.0m,臨江側(cè)坡比1∶3.0,臨庫(kù)側(cè)坡比1∶1.5,最大高度為7.3m.棱體主體由充砂管袋構(gòu)成,外堤臨江側(cè)護(hù)坡從下至上分別為袋裝砂找坡,針刺織物反濾層,厚15cm的袋裝碎石,厚25cm的干砌塊石,厚35cm的消浪鋼筋混凝土格柵板;東西兩堤護(hù)坡采用厚30cm的WYC1型模袋混凝土.坡腳設(shè)置防止水流沖刷的厚1.5m,長(zhǎng)15m的拋石護(hù)腳,兼作鎮(zhèn)壓層.小棱體在施工期作為水中充填壩體一級(jí)子堰,頂高程2.0m,頂寬2.0m,臨江側(cè)坡比為1∶1.0,臨庫(kù)側(cè)坡比為1∶3.0,最大高度4.7m.棱體主體由充砂管袋構(gòu)成,臨庫(kù)側(cè)護(hù)坡從下至上分別為袋裝砂找坡,針刺織物反濾層,厚10cm的袋裝碎石,厚35cm的干砌塊石.壩主體底部1.0m高程以下為圍堰合龍前的水力充填(中細(xì)砂)支撐體,以多頭小直徑深層攪拌樁墻防滲;其上為庫(kù)內(nèi)開挖土(粉質(zhì)粘土)干填區(qū),壩頂寬6.5m,高程7.2m,兼作第二級(jí)消浪平臺(tái),臨庫(kù)側(cè)設(shè)置混凝土防浪墻,頂高程8.4m;臨江側(cè)壩坡坡比為1∶3.0,臨庫(kù)側(cè)壩坡坡比為1∶4.0,并在3.5m高程處設(shè)置一寬5.0m的穩(wěn)定平臺(tái);壩體兩側(cè)護(hù)坡分別與大、小棱體的護(hù)坡相同.壩基鋪設(shè)加筋軟體排,作為軟土地基加筋層,拋石鎮(zhèn)壓層(亦為護(hù)腳)作為軟體排的錨固端,臨庫(kù)側(cè)以小棱體作為錨固端.在大棱體至接近臨庫(kù)側(cè)壩坡平臺(tái)范圍內(nèi)插打塑料排水帶.3.2穩(wěn)定平臺(tái)水庫(kù)靠岸一側(cè)圍堤以原長(zhǎng)江大堤改建而成.堤頂高程由6.9m改建為7.2m,防浪墻頂高程為8.4m,堤頂寬度由6.0m改建為6.5m,并按道路要求設(shè)置瀝青混凝土路面.壩體臨庫(kù)面坡比由原來的1∶2.2改建為1∶3.0,并在3.5m高程處設(shè)置寬2.0m的穩(wěn)定平臺(tái);背水坡由1∶1.95改建為1∶2.5,并在2.4m高程處設(shè)置寬8～10m不等的穩(wěn)定平臺(tái),與長(zhǎng)江大堤堤后小河河岸設(shè)置的砌石擋土墻相連接.除斷面尺寸加大以外,還增加了作為壩體所需功能的防滲排水設(shè)施.采用垂直插塑工藝在改建大堤中央偏上游處設(shè)置厚0.5mm的土工膜防滲層直至地基-1.0m高程;在臨庫(kù)坡面鋪設(shè)針刺織物反濾層,其上墊層為10cm厚的碎石,護(hù)坡為厚35c?m的漿砌塊石;背水坡坡腳處設(shè)置排水棱體,2.4m高程以上壩坡采用生態(tài)型綠色草皮護(hù)坡.改建剖面見圖2.改建實(shí)施的主要步驟為,將原大堤的臨水坡與背水坡開挖成臺(tái)階狀,再用庫(kù)區(qū)開挖出的工程性質(zhì)較好的粉質(zhì)粘土層層碾壓培厚加高,排水棱體同時(shí)修筑,然后設(shè)置防滲體、防浪墻、護(hù)坡、壩頂路面等.3.3新水庫(kù)浸出穩(wěn)定水庫(kù)的計(jì)算3.3.1壩體材料模型選擇控制大壩、水庫(kù)運(yùn)行安全的工況作為計(jì)算工況,即庫(kù)內(nèi)高水位(5.8m)與庫(kù)外低水位(0.0m)組合(工況一),庫(kù)內(nèi)低水位(-0.3m)與庫(kù)外高水位(4.6m)組合(工況二).壩體與壩基材料的計(jì)算參數(shù)見表1.滲流與穩(wěn)定計(jì)算采用有限元分析軟件,其中穩(wěn)定分析是在有限元結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上以降低材料的抗剪強(qiáng)度后的強(qiáng)度比求得安全系數(shù).計(jì)算中,散粒體材料采用非線性模型,織物加筋軟體排采用線彈性模型.3.3.2中央防滲體滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分別見表2和圖3及圖4.從表2與圖3及圖4可見,由于設(shè)置了中央防滲體,防滲效果明顯,滲漏量很小;由于設(shè)置了拋石鎮(zhèn)壓層與加筋軟體排,兩種控制工況壩體臨江坡和臨庫(kù)坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求.3.4重建水庫(kù)的滲透穩(wěn)定計(jì)算3.4.1計(jì)算當(dāng)前和參數(shù)計(jì)算工況采用庫(kù)內(nèi)水位5.8m與庫(kù)外水位1.0m組合,計(jì)算參數(shù)見表3.壩后擋土墻采用線彈性模型,采用混凝土的彈性模量與泊松比.3.4.2防滲體滲透系數(shù)計(jì)算計(jì)算結(jié)果見表4和圖5及圖6.從表4與圖5及圖6可見,由于中央防滲體的滲透系數(shù)與填土的滲透系數(shù)相差的數(shù)量級(jí)不大,所以防滲體浸潤(rùn)線的削落效果不顯著,由于設(shè)置了壩后小河河岸擋土墻,抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)已從臨界狀態(tài)提高至1.65,滿足規(guī)范要求.4工程特點(diǎn)與總結(jié)水庫(kù)圍堤于2002年11月全面開工建設(shè),2003年5月上旬圍堰合龍,5月底達(dá)到圍堰管袋設(shè)計(jì)高程4.2m,至2003年底,已完成大棱體干砌石護(hù)坡,壩主體正在填筑,順利度過大潮汛和臺(tái)風(fēng)期,工程已處于基本無安全風(fēng)險(xiǎn)階段的施工期.本工程設(shè)計(jì)