沿海大型船塢深基坑防滲流設(shè)計(jì)與監(jiān)測

胡 鵬

(中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

國內(nèi)外船塢已有了長足的發(fā)展，目前常規(guī)船塢設(shè)計(jì)中普遍采用的止水和排水減壓系統(tǒng)可以降低或消除地下水對結(jié)構(gòu)的影響。但在施工期間，該系統(tǒng)還無法運(yùn)行幫助降水，通過施工期間臨時(shí)的管井降水將周邊地下水位降低后，周邊土體中會(huì)有較大的水位差，從而形成一定的水力坡降。船塢結(jié)構(gòu)和基坑防護(hù)可能會(huì)因?yàn)闈B流不穩(wěn)定而造成破壞。

由于船塢臨海修建，塢底板標(biāo)高較低，其周圍海水位和地下水位較高，海水對圍堰和塢墻有較大的側(cè)水壓力，地下水對船塢的地下結(jié)構(gòu)有較大的揚(yáng)壓力，在力的作用下，容易發(fā)生滲流，若不進(jìn)行預(yù)防和及時(shí)處理，待形成貫通水道后，會(huì)對船塢的施工安全和質(zhì)量產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。為了保證滲流穩(wěn)定，必須借鑒國內(nèi)外滲流學(xué)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，做好對船塢的滲流分析和驗(yàn)算，指導(dǎo)施工。

2 工程概況

舟山市鑫亞船舶修造有限公司六橫鎮(zhèn)無動(dòng)力船舶防抗臺(tái)安全避風(fēng)池項(xiàng)目施工范圍主要是將原有船塢擴(kuò)建，擬擴(kuò)建船塢尺寸為長610 m，寬90.8 m。新建船塢主體劃分為塢口、塢墻、塢室底板、減壓排水系統(tǒng)、泵房、門機(jī)軌道基礎(chǔ)和止水系統(tǒng)等幾部分。其中船塢底板厚度0.3 m。船塢塢壁采用扶壁式結(jié)構(gòu)。船塢的一側(cè)臨海，另三個(gè)側(cè)面與底部被地下水包圍。船塢全貌如圖1所示。

圖1 船塢全貌

2.1 水文

六橫島位于寧波穿山半島的南側(cè)，其東部為頭洋港，南部為磨盤洋，西部為象山港口門海域，北部為佛渡水道。

本工程區(qū)域淺海分潮不大，潮汐屬正規(guī)半日潮，潮差屬浙江沿海低潮差區(qū)，平均漲潮歷時(shí)5 h 55 min，平均落潮歷時(shí)6 h 30 min。

將定海水文站長期潮位資料和六橫一年期的短期資料進(jìn)行相關(guān)分析，得到本工程的極端高、低水位和設(shè)計(jì)高、低水位。

極端高水位:3.48 m(重現(xiàn)期50年一遇)

極端低水位:-2.56 m(重現(xiàn)期50年一遇)

設(shè)計(jì)高水位:2.12 m(高潮累積頻率10%)

設(shè)計(jì)低水位:-1.51 m(低潮累積頻率90%)

本工程海域理論深度基準(zhǔn)面位于1985國家高程以下2.27 m。

2.2 地質(zhì)

擬建工程位于舟山市普陀區(qū)六橫舟山市鑫亞船舶修造有限公司廠區(qū)內(nèi)，場地北側(cè)為大海，西側(cè)為低矮丘陵；南側(cè)為空地；東側(cè)為廠房。擬建工程場地屬于山前沖海積平原地貌。場地地面高程在3.0～4.0 m，高差約1.00 m。

本地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造位于浙閩粵燕山期火山活動(dòng)帶，主要斷裂走向?yàn)镹E～NNE向，區(qū)內(nèi)小斷層節(jié)理較發(fā)育，致使場地下伏基巖破碎，從擬建場地附近基巖露頭看，巖石完整性相對較差，局部(強(qiáng)風(fēng)化)呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，垂向發(fā)育深度較大[1]。

3 防滲流設(shè)計(jì)

3.1 滲流驗(yàn)算簡化

干船塢的滲流具有空間性和不恒定的特性。通過對實(shí)測資料進(jìn)行分析，在離開海域一段距離后，潮水位的變化對其并無明顯影響；船塢的縱向滲流遠(yuǎn)比橫向滲流長，可以對空間滲流進(jìn)行近似簡化，只考慮塢墻下的橫向滲流；施工過程中在塢口兩側(cè)設(shè)置了范圍足夠的截水防滲措施，塢口兩側(cè)的繞流忽略不計(jì)。綜上所述，將塢墻的滲流近似簡化為恒定的平面滲流計(jì)算。

3.2 滲流計(jì)算

本次滲透壓力計(jì)算分析采用《船廠水工工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 190—2018)[2]、《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[3]中改進(jìn)的直線比例法；該計(jì)算方法較經(jīng)典的直線比例法更為精確，而且經(jīng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，其精度能滿足工程要求；改進(jìn)的直線比例法假定滲流中的水頭損失是沿著換算的地下輪廓線均勻分布的[4]。

(1)塢室滲徑計(jì)算

式中，L為滲透輪廓換算滲徑總長度(m)；C為滲徑系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況取值7；Hs為滲徑起點(diǎn)與終點(diǎn)水位差，忽略滲徑起算面以上的水頭損失，取11.5 m；Ls為滲透輪廓水平段長度，取30.3 m；m為換算系數(shù)，取2；Lc為滲透輪廓垂直段長度，取6.28 m；Lx為滲透輪廓傾斜段換算長度，取0.721 m；L1為滲透輪廓傾斜段水平投影長度(m)；L2為滲透輪廓傾斜段垂直投影長度(m)。

(2)塢室滲透壓力與總水壓力計(jì)算

滲徑起算面以上的水壓力可按靜水壓力計(jì)算，滲徑起算面以下的總水壓力強(qiáng)度可按下列公式計(jì)算:

式中，Px為計(jì)算點(diǎn)水壓力強(qiáng)度(kPa)；γ為水的重度，海水取10.25 kN/m3；h1為計(jì)算點(diǎn)與墻前水位的高差(m)，計(jì)算點(diǎn)在墻前水位以下時(shí)取正值，以上時(shí)取負(fù)值；h2為計(jì)算點(diǎn)滲透水頭(m)；Hc為塢墻前后水位差，取11.5 m；L為塢墻換算滲徑總長度(m)；x為計(jì)算點(diǎn)至滲徑終點(diǎn)的換算滲徑長度(m)。

從滲徑起算面起算，滲透輪廓換算滲徑總長度L＝40.441 m。

滲徑長度構(gòu)造要求富余系數(shù):滲徑長度不滿足構(gòu)造要求，需要采取措施延長滲徑[5]。

如不采取延長滲徑的措施，基底西側(cè)計(jì)算點(diǎn)至滲徑終點(diǎn)的換算滲徑長度x為22.4 m。基底西側(cè)的揚(yáng)壓力Px按照下列公式計(jì)算:

按照底板1/4處泄水孔計(jì)算:

延長滲徑的方法采用旋噴樁防滲帷幕方案[6]，滲徑延長的效果評估(延長后的滲徑長度計(jì)算，僅以斷面K0＋400為例)采用下列公式進(jìn)行反算:

根據(jù)滲透壓力檢測數(shù)據(jù)，采用旋噴樁防滲帷幕方案后[7]，基底西側(cè)的揚(yáng)壓力Px最大值減小為8 kPa，計(jì)算點(diǎn)至滲徑終點(diǎn)的換算滲徑長度x仍為22.4 m。

通過反算，實(shí)施旋噴樁作為防滲帷幕的技術(shù)方案之后，滲徑長度L增加為330 m，大于構(gòu)造要求滲徑長度:CHs＝7×11.5＝80.5 m。根據(jù)計(jì)算滲徑長度增加了約8倍左右，高壓旋噴作為防滲帷幕對于延長滲徑的效果非常顯著[8]，高壓旋噴樁止水帷幕示意如圖2所示。

圖2 止水帷幕示意

3.3 滲流監(jiān)測

監(jiān)測范圍主要包括施工過程中坑底滲透壓力監(jiān)測、船塢底板施工完成后揚(yáng)壓力監(jiān)測[9]。沿船塢縱向設(shè)置3個(gè)斷面(K0＋100、K0＋400、K0＋600)。每個(gè)斷面船塢側(cè)墻外不同高度設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)，塢底板設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)(新建塢底板兩邊及中間各設(shè)置一個(gè))，共計(jì)18個(gè)。此次滲透壓力、揚(yáng)壓力監(jiān)測均使用滲壓計(jì)。用振弦式滲壓力計(jì)實(shí)測其頻率的變化，根據(jù)標(biāo)定的頻率～壓力率定值，求得水壓力值。

以K0＋400斷面為例，該斷面位于船塢中部。該斷面在2019年3月24號(hào)完成了滲壓計(jì)的埋設(shè)工作。采用高壓旋噴樁作為止水帷幕，2021年4月28日船塢進(jìn)行放水作業(yè)。圖3為本期監(jiān)測滲壓力-位置-水位關(guān)系曲線，圖4為本期監(jiān)測基底揚(yáng)壓力-時(shí)間關(guān)系曲線。

圖3 K0＋400斷面滲透壓力-位置-時(shí)間關(guān)系曲線

圖4 K0＋400斷面基底揚(yáng)壓-時(shí)間關(guān)系曲線

通過對該斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，高壓旋噴樁的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原有巖土體，在基坑內(nèi)外側(cè)存在水頭差的條件下，高壓旋噴樁會(huì)產(chǎn)生浸潤線，且浸潤線的水力坡降在旋噴樁和地下水面接觸的位置大于旋噴樁內(nèi)部。該段由于基巖面標(biāo)高比較高，基巖內(nèi)部節(jié)理裂隙不發(fā)育，基坑底部水位很低，故該段基底揚(yáng)壓很小[10]。

4 結(jié)語

根據(jù)《船廠水工工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 190—2018)的干船塢滲流量的驗(yàn)算規(guī)則，分析船塢各部位對滲流的影響，提出簡化驗(yàn)算的方法，使在工程實(shí)際滲流分析中可以更好地方便計(jì)算。

受高壓旋噴樁和基坑開挖降水的影響，地下滲流場發(fā)生變化。由于基坑內(nèi)外側(cè)存在水頭差，故會(huì)產(chǎn)生滲流。滲透壓力受基坑內(nèi)外側(cè)地下水位差的影響，滲透壓力與基坑內(nèi)外側(cè)地下水位差呈正相關(guān)，隨地下水位差的增大而增大。

高壓旋噴樁組成的止水帷幕滲透系數(shù)很小，故其內(nèi)部水頭損失很快，旋噴樁上會(huì)產(chǎn)生浸潤線，且浸潤線上的水頭下降很快，到達(dá)基坑邊界時(shí)浸潤線位置已經(jīng)低于基坑底部，故本工程高壓旋噴樁止水效果明顯。同時(shí)由于高壓旋噴樁止水帷幕延長了地下水的滲流路徑，從而降低單位土體的滲透力，使基坑不會(huì)發(fā)生滲透破壞，保證了基坑施工的安全。