粉砂地基上模袋砂圍堰設(shè)計(jì)與施工

姜言亮，王俊杰，黃 鋼

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

老虞河防潮閘位于山東省濰坊市濱海新城新建的沿海防護(hù)堤樁號(hào)7+951.5處，閘址處為虞河故道，兩側(cè)連接新建的沿海防護(hù)堤工程。該閘為1級(jí)建筑物，其主要功能要求包括擋潮、泄洪、水體置換、交通、景觀等，共5孔，每孔凈寬12 m，閘室長(zhǎng)20 m，臨海側(cè)設(shè)交通橋。

本工程地處濰坊市渤海灣風(fēng)暴潮頻發(fā)地段，具有施工條件惡劣、施工工序復(fù)雜、施工工期要求緊及地基軟弱等特點(diǎn)，因此合理選擇圍堰結(jié)構(gòu)形式及地基加固方案，快速、牢靠地完成基坑圍堰圍護(hù)工程是主體工程順利施工的重中之重。

1 工程地質(zhì)條件

據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告分析，老虞河閘址處圍堰基礎(chǔ)為層厚9.60～11.50 m粉砂層，屬第四系新近堆積層，結(jié)構(gòu)松散，承載力低，具中等透水性，抗沖刷能力差，存在地震液化、滲透穩(wěn)定問(wèn)題，在滲流作用下，可能發(fā)生滲透變形破壞，因此需對(duì)圍堰基礎(chǔ)采取截滲措施。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，表層土的不均勻系數(shù)絕大部分小于5，表層土的允許水力坡降(出口段)取0.35。

2 圍堰設(shè)計(jì)

2.1 圍堰級(jí)別

濰坊市老虞河防潮閘為1級(jí)永久建筑物。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303—2004），1級(jí)永久建筑物相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)，即圍堰級(jí)別為4級(jí)。導(dǎo)流建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)為20～10年一遇。鑒于本工程導(dǎo)流建筑物即圍堰工程采用新型圍堰結(jié)構(gòu)形式，且圍堰工程處于關(guān)鍵施工階段，失事后可能造成嚴(yán)重后果，因此洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇。

2.2 圍堰設(shè)計(jì)

2.2.1 圍堰布置

圍堰布置在工程擬開(kāi)挖基坑四周，為滿(mǎn)足工程施工要求，在圍堰與基坑之間預(yù)留足夠的施工區(qū)間。老虞河防潮閘西側(cè)圍堰軸線(xiàn)與防潮堤相交于樁號(hào)11+466.477（防潮堤樁號(hào)），東側(cè)圍堰與防潮堤相交于樁號(hào)11+683.277（防潮堤樁號(hào)）。根據(jù)圍堰布置，老虞河圍堰工程總長(zhǎng)度約800 m。

2.2.2 圍堰堰體

鑒于渤海灣特有的地理環(huán)境和水文氣象條件，在選擇圍堰堰體形式上，將拋石堰體與模袋砂堰體進(jìn)行了比較，分析認(rèn)為，拋石堰體存在造價(jià)過(guò)高、施工周期長(zhǎng)及圍堰基礎(chǔ)截滲難以施工等弊端，所以最終選擇了模袋砂堰體。采用模袋砂堰體形式的優(yōu)點(diǎn)是：能充分利用沿海灘涂的砂土作為圍堰填筑材料，造價(jià)低，施工難度小，施工周期短，同時(shí)該堰體形式對(duì)于粉砂基礎(chǔ)的適應(yīng)性強(qiáng)，后期圍堰基礎(chǔ)截滲工作更便于實(shí)施。

2.2.3 圍堰斷面設(shè)計(jì)

老虞河防潮閘圍堰主要抵御渤海海潮，因此根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL435-2008），圍堰堰頂高程采用下式計(jì)算：

ZP為設(shè)計(jì)頻率的堰頂高程，m；hp為設(shè)計(jì)頻率的高潮位，m；RF為按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累積頻率為F的波浪爬高值，m；A為安全加高值，m。

經(jīng)水文計(jì)算，20年一遇hp為3.34 m；單一坡度的斜坡式海堤在正向規(guī)則波作用下的爬高RF為2.09 m；不允許越浪A為0.7 m。綜上，確定上游圍堰頂高程為6.13 m。根據(jù)壩坡穩(wěn)定計(jì)算，圍堰兩側(cè)邊坡坡比均為 1∶2。

2.2.4 邊坡防護(hù)

本工程地處渤海灣風(fēng)暴潮頻發(fā)區(qū)域，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，該區(qū)域10級(jí)以上風(fēng)暴潮幾乎每個(gè)季節(jié)都有發(fā)生。風(fēng)暴潮的破壞力極大，非一般內(nèi)河風(fēng)浪破壞所能比。因此，圍堰迎水面的邊坡防護(hù)非常關(guān)鍵，直接關(guān)系到圍堰的安全和基坑的安全。根據(jù)沿海工程的防護(hù)經(jīng)驗(yàn)，選擇了兩種方案進(jìn)行對(duì)比：其一是采用預(yù)制混凝土柵欄板護(hù)坡，其二是采用模袋混凝土護(hù)坡。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算認(rèn)為：

預(yù)制混凝土柵欄板護(hù)坡方式優(yōu)點(diǎn)突出，主要表現(xiàn)在預(yù)制混凝土柵欄板對(duì)于海浪的消浪效果較好，施工時(shí)吊裝也非常簡(jiǎn)便，施工速度快，而且預(yù)制混凝土柵欄板在后期主體工程完成后，可以拆除用于防潮堤的邊坡防護(hù)，節(jié)約投資；缺點(diǎn)是施工工序較多，施工期間如防護(hù)措施差容易造成模袋的破損。

模袋混凝土護(hù)坡方式的優(yōu)點(diǎn)是：邊坡防護(hù)施工程序簡(jiǎn)單，施工時(shí)混凝土為流態(tài)，對(duì)于邊坡的適應(yīng)性較強(qiáng)；缺點(diǎn)是抗風(fēng)浪能力差，投資較大，其投資約是預(yù)制混凝土柵欄板護(hù)坡方案的2倍，由于老虞河防潮閘閘址前水深超過(guò)2 m，施工時(shí)模袋坡腳的定位困難。

根據(jù)上述分析，按照經(jīng)濟(jì)合理、安全高效、利于施工的原則，圍堰迎水面邊坡選用預(yù)制混凝土柵欄板護(hù)坡。

2.2.5 基礎(chǔ)處理

老虞河防潮閘閘址主要座落在粉砂層上，該粉砂層厚度為9.60～11.50 m，屬第四系新近堆積層，結(jié)構(gòu)松散，承載力低，具中等透水性，抗沖刷能力差，存在地震液化、滲透穩(wěn)定問(wèn)題，在滲流作用下，可能發(fā)生滲透變形破壞。鑒于此，為保護(hù)圍堰的安全，防止因滲流破壞造成圍堰失穩(wěn)，圍堰基礎(chǔ)必須考慮防滲措施。根據(jù)各種防滲措施的適應(yīng)條件，本工程采用復(fù)合土工膜與多頭小直徑水泥土攪拌樁聯(lián)合的防滲措施。復(fù)合土工膜鋪設(shè)于圍堰迎水坡，考慮到圍堰堰體不能進(jìn)行截滲工程施工，所以多頭小直徑水泥土攪拌樁只能布置在圍堰背水坡坡腳處，為滿(mǎn)足多頭小直徑水泥土攪拌樁施工要求，須在背水坡后修筑施工平臺(tái)。多頭小直徑水泥土攪拌樁樁徑0.5 m，樁間距0.3 m，樁間搭接長(zhǎng)度0.2 m，成墻后的有效厚度為0.4 m，樁長(zhǎng)為15 m。

2.2.6 圍堰設(shè)計(jì)橫斷面圖

根據(jù)上述分析與設(shè)計(jì)，最后形成的圍堰設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1。

2.2.7 圍堰穩(wěn)定性分析

1）邊坡穩(wěn)定計(jì)算。壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用加拿大geo-studio的slope/w模塊，計(jì)算斷面選用典型斷面，模袋本身按照加筋土折算粘聚力。經(jīng)計(jì)算，老虞河防潮閘圍堰迎水坡穩(wěn)定安全系數(shù)為k=3.018，背水坡為k=1.912，結(jié)果完全滿(mǎn)足《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303-2004）規(guī)定的4級(jí)土石圍堰k值不小于1.05要求，安全系數(shù)較大，但為減小風(fēng)浪影響，不再縮小斷面。穩(wěn)定分析成果詳見(jiàn)圖2：

2）滲流穩(wěn)定計(jì)算。滲流計(jì)算采用加拿大geostudio的seep/w模塊。計(jì)算斷面選用典型斷面。由于圍堰施工期內(nèi)外水頭差不大，不可能存在滲透破壞，因此僅進(jìn)行完建期的滲流計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可知，在采用了多頭小直徑水泥土攪拌樁進(jìn)行基坑截滲后，基坑內(nèi)壩坡出逸比降為0.05～0.1，小于允許水力坡降0.35，滿(mǎn)足滲流安全要求。

3 圍堰施工

3.1 圍堰材料的選擇

3.1.1 模袋材料

充填模袋采用防老化扁絲編織土工模袋，單位質(zhì)量≧200 g/m2；縱向抗拉強(qiáng)度≧40 kN/m；橫向抗拉強(qiáng)度≧32 kN/m；斷裂伸長(zhǎng)率≦25%；等效孔徑Oe＜0.5 mm；滲透系數(shù)≧i×10-3cm/s（1≦i＜10）。

3.1.2 填筑砂料

本工程地處沿海灘涂，砂料資源豐富，因此可以就地取材，施工中應(yīng)盡量采用排水性較好的砂性土、粉細(xì)砂類(lèi)料，其滲透系數(shù)不低于i×10-3cm/s（1≦i＜10），含泥量不超過(guò)5%，無(wú)雜物和有機(jī)質(zhì)混入，充填飽滿(mǎn)度宜為85%。

3.2 施工方法及技術(shù)要求

1）本工程圍堰采用模袋充砂填筑，其模袋可根據(jù)填筑尺寸要求在現(xiàn)場(chǎng)加工或由廠(chǎng)家在車(chē)間加工成型。模袋充填口布置在袋體表面，砂性土一般按每16～20 m2布置一個(gè)為宜。模袋隨鋪隨充，且采用階梯式向前推進(jìn)。

2）模袋在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和施工過(guò)程中，均不宜直接暴露在太陽(yáng)光下，以免老化變脆、降低強(qiáng)度。模袋袋體寬度根據(jù)圍堰尺寸的實(shí)際需要選取，模袋填筑前，應(yīng)對(duì)其下基層進(jìn)行找平處理，直接鋪放的模袋，應(yīng)將基層可能有損織物的凸出物、雜物清除。

3）模袋充填砂土采用挖泥船或抽砂船吹填，具體施工中應(yīng)根據(jù)充灌速度、袋體大小、輸送距離等要求進(jìn)行選擇。用人工將泵管與砂袋的灌砂口綁扎結(jié)實(shí)后，用抽砂船將砂料以一定的壓力灌送到模袋中。在充填砂時(shí)應(yīng)先充填模袋的4個(gè)角，再充填模袋的中部，在充填中部同時(shí)應(yīng)將用來(lái)固定模袋4個(gè)角的繩索松開(kāi)，讓模袋在充填砂的同時(shí)均勻下沉，保證模袋能準(zhǔn)確地沉降到預(yù)定的位置。圍堰出水以后，為了保證砂袋充填飽滿(mǎn)均勻，在充填砂同時(shí)應(yīng)配備人員對(duì)砂袋進(jìn)行踩壓。模袋鋪設(shè)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：上下袋體應(yīng)錯(cuò)縫鋪設(shè)，同層相鄰袋體接縫處模袋鋪設(shè)時(shí)應(yīng)預(yù)留收縮量，確保充填時(shí)兩袋相互擠緊。充填后的兩袋之間不得有貫通縫隙，如有應(yīng)作相應(yīng)處理。

4）模袋在鋪設(shè)及充填過(guò)程中若出現(xiàn)袋體損傷，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

5）為使圍堰斷面最終能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，堰體填筑需要預(yù)留沉降量和斷面富余度。預(yù)留沉降量和斷面富余度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工觀測(cè)確定。

6）必須加強(qiáng)圍堰沉降觀測(cè)，在模袋砂充填完成4～6 d，待水面上部的砂袋滲水穩(wěn)定后再進(jìn)行基坑抽水，基坑內(nèi)水位每天下降量在0.6～0.8 m之間，以保證砂袋有充分的排水時(shí)間，保證圍堰穩(wěn)定。在基坑抽水及抽水完成后一周內(nèi)應(yīng)安排測(cè)量人員每天多次對(duì)圍堰的水平位移及沉降進(jìn)行觀測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)匯報(bào)，采取相應(yīng)措施保證圍堰的安全。

7）拋石壓腳。用石駁運(yùn)輸船運(yùn)輸塊石至拋投作業(yè)面，人工按設(shè)計(jì)要求拋投，充填模袋。

8）為防止海潮對(duì)圍堰工程沖刷，確保圍堰工程的安全，本圍堰工程迎水坡采用預(yù)制混凝土柵欄板護(hù)坡，設(shè)計(jì)柵欄板標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長(zhǎng)4 500 mm，寬3 600 mm，厚度450 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。柵欄板須在底部墊層鋪筑完成后采用起重機(jī)配合人工安裝，安放時(shí)應(yīng)充分考慮風(fēng)浪及水流的影響，分段施工，自上而下縱向錯(cuò)縫安放，底部塊體應(yīng)與預(yù)制混凝土壓腳塊緊密接觸。

9）在圍堰砂袋充填完成并且穩(wěn)定后，利用基坑開(kāi)挖土方，在圍堰背水坡坡腳處吹填砂土平臺(tái)，作為基坑內(nèi)的施工臨時(shí)道路，同時(shí)在該砂土平臺(tái)上進(jìn)行基坑截滲處理。本工程采用多頭小直徑深層攪拌樁截滲，截滲墻頂部高程高于渤海多年平均高潮水位，底部深入壤土層，確?；蛹皣甙踩?。

4 結(jié)語(yǔ)

老虞河防潮閘施工圍堰采用施工速度快、造價(jià)低、穩(wěn)定性強(qiáng)的模袋筑壩技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在粉砂質(zhì)地基上的圍堰快速填筑，同時(shí)采用多頭小直徑水泥土攪拌樁截滲技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)截滲，既保證了基坑的穩(wěn)定，又降低了主體工程施工期間的降排水工作量，為該工程建設(shè)的順利實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圍堰于2010年6月填筑，當(dāng)年8月底全部完成，運(yùn)行至今，經(jīng)受住了多次較大風(fēng)暴潮的考驗(yàn)，未發(fā)生任何圍堰破壞或工程停工事故。