咬合樁在土石圍堰防滲結構中的應用

□徐超炎 梁萌帆 虞 霏

圍堰的結構設計需要綜合圍堰堰體填筑料源、水流條件、降排水條件及施工需求等因素綜合考慮，是實現施工導流工程功能最重要的環節之一。尤其是圍堰的防滲結構設計決定了基坑初期排水、經常性排水的降水難度及需要投入的降排水設備，直接影響主體工程的施工安全及施工進度。圍堰技術應用的穩定性直接決定著工程建設質量。

國內咬合樁防滲技術的應用領域主要包括水利工程、基礎工程和環境工程。在水利工程中，咬合樁廣泛用于防洪堤壩、渠道、河道和水庫等工程中，以提高抗滲性能。目前，國內學者在咬合樁防滲技術方面進行了大量研究，取得了顯著的成果。主要體現在：通過數值模擬、試驗研究和工程實踐，不斷改進咬合樁的設計方法，以提高其防滲性能和承載能力，并對咬合樁所使用材料進行深入研究，以提高咬合樁的抗滲性能和耐久性；積極探索咬合樁的施工技術，包括振動樁、壓實樁、灌漿樁等不同施工方法，不斷改進施工工藝，提高施工效率。

一、工程背景

1.工程概況

岷江龍溪口航電樞紐工程位于四川岷江干流下游河段，是岷江下游河段（樂山—宜賓）航電規劃4 個航電梯級中的最末一級，其上游為犍為航電樞紐工程。龍溪口壩址位于樂山市犍為縣新民鎮上游約1 公里處，壩址距離距樂山市約84 公里，距成都市約214公里。龍溪口航電樞紐總庫容約3.24 億立方米，裝機容量為480 兆瓦，為河床式電站，閘壩式擋水建筑物，III級船閘通航1 000 噸級船舶。工程開發任務為以航運為主，航電結合，兼顧防洪、供水、環保等綜合利用。樞紐主要建筑物包括擋水建筑物、魚道建筑物、泄水建筑物、通航建筑物及引水發電建筑物。

庫區防護工程涉及下渡鄉、黃旗壩、虎吼壩、機場壩、丁家壩、康家壩、孝姑鎮、五一壩、鐵爐鄉、龍孔鎮等共計10 個防護區，庫區防護工程主要有防護堤、截洪溝、涵閘、土地抬填、排浸管、設置調洪區、泵站等措施，共需布置防洪堤47.41 公里，區內共布置12 座排澇泵站，排澇站總裝機容量11 715 千瓦。該防護區城市的等級為Ⅳ級，防洪標準為20 年一遇洪水。

2.施工導流

龍溪口航電樞紐工程為二等大2 型，主要建筑物按2 級設計，次要建筑物按3 級設計；相應導流建筑物中混凝土結構導流建筑物按4 級設計。其中，除左岸縱向土石圍堰按5 級設計外，其余土石結構導流建筑物按4 級設計。施工導流采取分三期導流的施工方案：一期完成上游防洪堤建設和工程區河道的疏浚施工，增加河道行洪寬度，確保在工程施工期上游城鎮在遭遇10 年一遇及以下標準洪水時不發生洪澇災害；二期完成通航建筑物和部分泄洪閘的施工，滿足工程施工期通航要求；三期完成泄洪閘的施工，盡早實現發電目標。各期施工均要確保現有的通航能力。其中，二期一枯時段為施工期第2 年11 月至第3 年5 月。二期一枯導流利用二期一枯上、下游圍堰與臨時航道右導墻形成封閉基坑，主要保護右岸11 孔泄洪閘及消力池、船閘和船閘上下游全年土石圍堰施工。

二、圍堰結構設計

1.堰型選擇

土石結構圍堰具有以下優點：結構簡單，堰體填筑料可就地取材，能夠充分利用河床開挖料，后期易于拆除，對圍堰基礎要求不高，不用開挖河床覆蓋層，施工時可使用大型機械設備，便于快速施工，不需要另外修筑子圍堰，投資較省。結合工程地形地質條件，二期一枯圍堰選擇土石結構。

2.堰體防滲結構設計

（1）圍堰防滲結構分析。圍堰的防滲墻形式主要包含混凝土防滲墻和高壓旋噴防滲墻2 大類。其中，混凝土防滲墻施工一般采用“鉆劈法”進行成槽施工，分Ⅰ序、Ⅱ序分期分批進行開槽施工，施工工藝復雜，施工工期較長；高壓旋噴防滲墻是利用鉆車鉆孔至巖石，再利用高噴臺車，將水泥漿液按照一定的比例高壓旋噴入鉆孔。高壓的漿液在高壓下通過地下裂隙慢慢滲入，從而形成連續的防滲墻體，是一種高效、安全、節約投資的施工方法，尤其適用于水工建筑物的松散透水地基。高壓旋噴防滲墻造價略高于混凝土防滲墻，因此，在工期較為緊急的情況下優先推薦高壓旋噴防滲墻作為圍堰防滲結構處理方式。

在實際施工過程中，雖然高壓旋噴防滲墻具有防滲效果好、實施速度快的顯著優勢，但也可能由于一些不確定因素導致高壓旋噴防滲墻成樁效果較差而達不到預期效果。如根據土石平衡規劃，二期一枯圍堰利用開山泥巖料施工，圍堰實施過程中江水流速較大，可能導致圍堰泥巖填料中細小骨料被澆水帶走，圍堰體孔隙較大，難以形成較完整的樁體，致使高壓旋噴防滲墻防滲效果欠缺。枯期圍堰防滲可利用施工時間較短，如果采取全線混凝土防滲墻施工，就會增加圍堰施工工期，壓縮主體工程施工時間。因此，在高壓旋噴防滲墻方案部分不適用但工期緊張的情況下，參考房建工程中的咬合樁技術，提出上游圍堰采取“咬合灌注樁+混凝土防滲墻”相結合的防滲方案，下游圍堰采取“灌注樁+高壓旋噴”相咬合的防滲方案。

（2）堰體防滲結構布置。考慮到施工交通及圍堰維護的需要，圍堰頂寬按10 米設計，堰體迎水面坡比為1:2.5，背水面坡比為1:2.0，二期一枯圍堰上游底部河床高程為 294.00 ～296.00 米，堰頂高程308 米，最大堰高14 米；圍堰下游底部河床高程為296.00~300.00 米，堰頂高程307 米，最大堰高11米。堤身采用石渣料填筑，堰體上游中部設風化泥巖過渡層，迎水面采取砂卵礫塊石防沖保護。二期一枯圍堰結構圖如圖1 所示。

圖1 二期一枯廠房上游土石圍堰結構設計圖

（3）上游圍堰采取“咬合灌注樁+混凝土防滲墻”相結合的防滲方案。二期一枯上游土石圍堰防滲墻咬合灌注樁設計平面示意圖如圖2 所示。圖中尺寸以毫米計。灌注樁樁徑1 米，防滲墻軸線上咬合長度0.1 米，咬合連接處形成0.44 米厚度防滲結構。灌注樁采用二級配C20 混凝土。

圖2 廠房上游土石圍堰防滲結構優化圖

（4）下游圍堰采取“灌注樁+高壓旋噴”相咬合的防滲方案。二期一枯下游土石圍堰防滲墻設計平面示意圖如圖3 所示。圖中尺寸以毫米計。灌注樁樁徑1 米，高壓旋噴防滲墻樁徑0.80 米，與高壓旋噴樁軸線上咬合長度0.10 米，咬合連接處形成0.39 米厚度防滲結構。灌注樁采用二級配C20 混凝土。

圖3 廠房下游土石圍堰防滲結構優化圖

三、圍堰結構計算

1.圍堰邊坡穩定計算

堰殼填筑料及堰基覆蓋層包含粘性土和非粘性土，抗滑穩定計算，對于非粘性土采用平面滑動計算，并用圓弧滑動模型復核，對于涉及粘性土部位采用圓弧滑動模型。

（1）計算工況。圍堰穩定計算根據圍堰結構及防滲設計成果選取典型斷面進行計算，斷面位置與滲流計算斷面位置相同。穩定計算主要考慮設計攔水位條件下的迎水面邊坡和背水面邊坡。

（2）計算方法及參數選取。計算工具采用“理正巖土計算5.11 版”，計算公式采用瑞典圓弧法，穩定滲流期水的作用考慮采用有效應力法，通過自動搜索最小安全系數和相應的滑裂面位置選取。

（3）計算結果。各斷面抗滑穩定計算最不利滑弧如圖4、圖5 所示，計算抗滑穩定安全系數見表1所列。

圖4 上游圍堰抗滑穩定計算簡圖

圖5 下游圍堰抗滑穩定計算簡圖

2.圍堰滲流分析計算

圍堰滲流取1 米長度堰段按典型斷面進行計算。計算滲流量為基坑經常性排水提供依據，計算滲流場及浸潤線為穩定計算提供依據，計算滲透比降分布驗證堰體滲透穩定性并為防治措施設置提供依據。

（1）計算方法及參數。圍堰滲流分析工具采用“理正巖土計算5.11 版”，通過劃分單元格采用有限元分析方法進行計算。

（2）計算工況。滲流計算主要考慮設計擋水位條件下的穩定滲流工況，圍堰滲流計算如圖6所示。

圖6 二期一枯圍堰滲流計算簡圖

（3）計算成果。①上游圍堰。滲流量：單寬滲流量為4.31 立方米/天，堰段長度約357.5 米，滲流量1 541 立方米/天；滲透穩定分析：砂卵石填筑料基坑側坡腳溢出點3 米范圍內滲透比降大于0.02，可滿足要求。如圖7 所示。②下游圍堰。滲流量：單寬滲流量為2.25 立方米/天，堰段長度約884米，滲流量1989立方米/天；滲透穩定分析：砂卵石填筑料基坑側坡腳溢出點3 米范圍內滲透比降大于0.27，可滿足要求。如圖8 所示。

圖7 上游圍堰穩定滲流等水頭線和浸潤線圖

圖8 下游圍堰穩定滲流等水頭線和浸潤線圖

四、結語

岷江龍溪口航電樞紐工程二期一枯圍堰施工具有地形地質復雜、水位高、水流流速大、工期緊的特點，采用“咬合灌注樁+混凝土防滲墻”和“灌注樁+高壓旋噴”的圍堰防滲方案具有安全可靠、快速高效的特點。此方法的有效運用可以為類似工程提供借鑒和參考。