鋼筋預制混凝土沉井在海塘防沖設計中的應用

吳國芳 羅林峰

(1.紹興市水利水電勘測設計院， 浙江 紹興 312000；2.浙江省水利科技推廣與發展中心， 浙江 杭州 310012)

鋼筋預制混凝土沉井在海塘防沖設計中的應用

吳國芳1羅林峰2

(1.紹興市水利水電勘測設計院， 浙江 紹興 312000；2.浙江省水利科技推廣與發展中心， 浙江 杭州 310012)

曹娥江河口大閘建成后，江道的演變發生變化。平時關閘擋潮，阻擋外海泥沙入江，洪水期開閘放水，河床呈單向沖刷狀態，使海塘堤腳出現拋石體失穩、沖毀等險情，嚴重影響河口平原居民人身安全。鋼筋混凝土預制沉井+護坦的直接保護方案，具有永久性好、后期維護少等優點，值得在今后的海塘防沖設計中推廣應用。

鋼筋預制混凝土沉井；海塘 ；防沖設計；應用

1 項目概況

曹娥江河口大閘建成前，曹娥江出口河道受錢塘江徑流、杭州灣潮流和曹娥江徑流的綜合影響，河床擺動無常，時沖時淤；曹娥江大閘建成后，江道的演變發生變化，平時關閘擋潮，阻擋外海泥沙入江，洪水期開閘放水，河床呈單向沖刷狀態，將建閘前淤積在河道中的泥沙逐步帶出，從而形成建閘后新的河床平衡剖面。這種“單向沖刷”加劇了曹娥江河口兩岸海塘堤腳的沖刷，特別是紹興境內的馬山、馬海海塘，左岸最大沖淤幅度達4.1m，不斷出現塘腳拋石體失穩、沖毀等險情，被鑒定為“二類塘”，嚴重影響了蕭紹平原流域百萬人口的生命財產安全，海塘防沖除險加固顯得十分迫切。

2 項目地質條件

海塘地基主要分為三個工程地質層，現從上至下分述如下：1-1層素填土，稍密狀，主要由黏質粉土組成，局部含有拋石；2-1層黏質粉土，稍密狀，偶夾淤泥質團塊，工程性質較差，厚度較薄；2-2層黏質粉土，稍密～中密狀，土質均勻性差，性質較好，厚度一般；2-3層砂質粉土，中密～密實，土質均勻性差，工程性質好，厚度大；3層淤泥質粉質黏土，流塑，高壓縮性，工程性質差，厚度較大。根據地勘報告，地質物理力學指標見下表1。

表1 海塘地基地質物理力學指標

注 護坦基礎混凝土與地基土之間摩擦系數：護坦基礎混凝土/2-3層砂質粉土f=0.30～0.35。

3 海塘堤腳防沖方案必選

海塘堤腳防沖保護主要有保灘護塘的間接保護方案和采用堤腳設防沖設施的直接保護方案兩種。間接保護主要通過設置短丁壩群促淤，同時減弱灘地附近洪水流速，減少近塘灘地淘刷，防止出現堤腳裸露后沖刷破壞，從而保護海塘，丁壩與堤腳采用斜坡護坦相連。直接保護主要通過設置垂直和水平防沖設施，防止堤腳沖刷破壞，具體可設置板樁、沉井等+護坦+外側拋石防沖的組合方式。間接保護方案對灘地基本無影響，但也存在著管理任務重、后期維護費高等缺點；直接保護方案雖然對灘地有一定的破壞，但通過保留現有丁壩、灘地復平及撒播草籽固灘等措施，盡可能保留現有灘地，可進一步增加防沖富余度。防沖方案比選見表2。

表2 海塘堤腳防沖保護方案比較

4 沉井防沖方案設計

比較常用的直接防沖加固方案主要有沉井+鋼筋混凝土護坦、地下連續墻+鋼筋混凝土護坦，根據該河段沖淤變化特點和曹娥江類似工程經驗，從措施的可行性、經濟性及施工可行性角度進行初步評選，擬采用沉井+鋼筋混凝土護坦防沖加固方案。兩種防沖方案技術經濟比較見表3。

表3 防沖方案技術經濟比較

沉井+護坦防沖方案的具體設計如下：在堤腳處設置C25鋼筋混凝土沉井，尺寸1m×1m×5.5m(壁厚12cm)，井底高程-2.80m。下沉分區段進行，每個區段為4～5只沉井。下沉方法采用高壓水槍沖泥、泥漿泵吸泥。預制沉井下沉至設計深度后回填C25素混凝土和石渣。為防止井后土顆粒流失，在0.5m高程以上澆筑40cm厚C25素混凝土封縫。沉井上部嵌入鋼筋混凝土護坦0.20m，護坦寬6.00m，厚0.4m，高程4.0m，內側設置齒墻，1∶1.0倒坡，護坦設置排水孔，以減小底部揚壓力，縱向分縫間距8m，低發泡塑料板嵌縫。沉井外側同樣需要結合圍堤整體穩定和防沖需要，設置底寬4m的拋石防沖保護。詳見圖1。

圖1 沉井+鋼筋混凝土護坦堤腳防沖方案設計

5 沉井抗傾穩定計算

沉井施工采用高壓水泵水力反沖，結合反鏟挖掘機外力強壓沖沉沉放，同時采用井點降水，因此施工期沉井下沉和穩定均能滿足要求。但在運行期間，曹娥江側江底可能產生沖刷，沉井存在傾覆可能，影響沉井的穩定，本次計算主要進行運行期穩定計算(受力見圖2)。

5.1 計算方法

沉井抗傾穩定計算采用靜力平衡方法，應符合下式要求：

式中G1——沉井自重，kN；

B——地下水浮力，kN；

Kq——抗傾穩定安全系數，取Kq=1.5；

G2、G3——護坦重力，護坦長6m；

L1、L2、L3——力臂，m；

∑Mq——由水平力引起的傾覆力矩總和，計算傾覆力矩時，力臂為水平力作用點至基底下表面的距離。

γ——土的容重，地下水以下取浮容重，kN/m3；

H1——海塘側填土高度，取H1=2.7+2.8-0.1=5.4m；

Ka——主動土壓力系數，Ka=tg2(45°-φ/2)；

φ——土的內摩擦角，取φ=25°；

L——沉井垂直水流向長度,m，取L=1m；

P2——曹娥江側土壓力,kN；

H2——曹娥江側填土高度，取H2=2.8-1.14=1.66m。

圖2 沉井受力簡圖

5.2 計算工況

沉井運行期穩定按不利工況設計：即曹娥江側土沖刷至-1.14m高程，低水位為3.0m高程，此時主要進行抗傾穩定驗算。

5.3 計算成果

計算結果為：

結果表明，沉井在運行階段滿足抗傾穩定要求。

6 沉井施工工藝

本次海塘堤腳防沖加固施工中，沉井下沉至設計高程為關鍵施工難點，鋼筋混凝土預制沉井先在預制場澆筑養護后，平板車運至施工點附近。沉井下沉方法采用高壓水槍沖刷，泥漿泵吸泥，結合250反鏟挖掘機外力強壓沖沉沉放，長臂挖機配合。沖泥時，應以集泥坑為圓心逐漸向四周沖射，均衡對稱地、自上而下一層層沖去，然后泥漿泵開始排吸泥漿，水槍與泥漿泵應密切配合，使四周均勻擴大。嚴禁用水槍掏挖刃腳踏面以下的土層。當沉井下沉到離設計標高10cm左右時，停止水沖，然后進行下一只沉井的沉放。高出部分最后利用挖掘機壓沉到設計高程。沉井下沉至設計深度后采用C25素混凝土封底、封頭和塊石混合料回填，內側C25素混凝土封縫。石渣填筑料在料場采購，由2m3挖掘機裝，10t自卸汽車運送倒入井中。沉井施工中，若土中塊石較多，難以沖沉，則采用大開挖、直接擺放的方式。

7 結 語

紹興馬海、馬山標準海塘除險加固工程自2012年11月開始招標施工，于2015年1月完成竣工驗收。項目中采用的鋼筋混凝土沉井+護坦+拋石護坦海塘堤腳防沖直接保護方案，得到了實際應用，取得了大流量、大沖刷河道采用預制鋼筋混凝土沉井防沖處理的寶貴經驗，有效保護了高沖淤幅度的海塘堤腳，且具有永久性好、后期維護少等特點，值得在今后的海塘防沖除險加固中推廣應用。

[1] 戚久鴻，等.海塘底腳防沖工程中小沉井群的設計與施工[J].浙江水利科技，1997(4)：30-32.

[2] 張玉萍.輕型連續沉井在護岸工程中的應用[J].海岸工程，2003，22(3)：25-30.

Application of reinforced pre-cast concrete caisson in seawall erosion prevention design

WU Guofang1,LUO Linfeng2

(1.ShaoxingWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Shaoxing312000,China;2.ZhejiangWaterConservancyScienceandTechnologyPromotionandDevelopmentCenter,Hangzhou

310012,China)

After the buiding of Cao’e River Estuary sluice,river evolution is changed.The sluice is closed at ordinary times for preventing tide and blocking off sediment into river.Sluice is opened for releasing water during flood season,and the riverbed shows one-way erosion state,thereby making seawall toe incline to stone riprap instability,wash-out and other risks,which seriously affect personal safety of estuarine plain residents.Direct protection plan of reinforced concrete pre-cast caisson + apron has the advantages of good permanence,less post maintenance,etc.It is worthy of popularization and application in seawall erosion prevention design in the future.

reinforced pre-cast concrete caisson;seawall;erosion prevention design;application

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.09.012

TV86

A

1005-4774(2015)09-0038-03