土工合成材料在潮汐河口地區(qū)的應(yīng)用

土工合成材料在潮汐河口地區(qū)的應(yīng)用

潮汐河口地區(qū)流入大海的大河豐富，沉積物豐富。受潮汐的影響，河口沿線容易受到咸潮的影響，影響河口地區(qū)沿河的蓄水。長江口、珠江口地區(qū)的城市供水受咸潮影響尤為突出。上海地區(qū)已陸續(xù)興建了避咸蓄淡水庫,如上海市第二水源地——陳行水庫,該水庫位于長江口南支南岸月浦江灘,已于1992年建成,2008年完成擴(kuò)容,供水規(guī)模為130萬m3/d,水庫有效庫容為953萬m3;江蘇太倉第二水源水庫蓄水容量為450萬m3,咸潮入侵時供水規(guī)模30萬m3/d。目前正在建設(shè)并已完成龍口截流的青草沙水庫,位于長江口南、北港分流口及北港的長興島邊灘水域,水域面積達(dá)66km2,是上海市最大的水源地,可解決上海市1000萬人口的供水問題,供水規(guī)模為719萬m3/d,總庫容5.26億m3,圍堤總長49km;正在規(guī)劃中的為崇明島供水的東風(fēng)西沙水庫,利用東風(fēng)西沙與崇明島南岸之間的夾泓圍合建設(shè)水庫,供水規(guī)模為40萬m3/d。這些水庫的共同特點(diǎn)是都建在潮汐地區(qū),沿岸在江中直接修筑堤壩形成水庫,在水中筑堤、基礎(chǔ)處理、灘面保護(hù)、龍口截流、邊坡排水等方面都應(yīng)用了土工合成材料,這大大加快了施工速度,降低了工程造價,可以說土工合成材料的大量應(yīng)用是避咸蓄淡水庫成功建設(shè)的關(guān)鍵。1土工管袋吹填地基的研究分析自20世紀(jì)80年代開始,我國開展了土工合成材料的研究與應(yīng)用,土工合成材料在潮汐地區(qū)水庫工程建設(shè)中的應(yīng)用研究也是在當(dāng)時開始的。在潮汐河口地區(qū)興建避咸蓄淡水庫,需要大量的筑壩土石料,并且需要在水中筑壩,而潮汐河口地區(qū)河床上部往往天然沉積有粉砂、砂質(zhì)粉土等砂土料,利用土工管袋吹填砂土技術(shù)可解決水庫大壩修筑問題,該技術(shù)在上海市長江水源地陳行水庫建設(shè)中得到了研究和應(yīng)用。應(yīng)用土工管袋吹填砂土技術(shù)筑壩,可以充分利用河床中的砂土資源,減少了寶貴的陸上土石資源的開采,有利于環(huán)境保護(hù);利用泥漿泵在土工管袋中充填砂土,可以進(jìn)行多工作面施工,無需在水中修筑堤壩常用的施工臨時圍堰,施工基本不受潮位、降雨等影響,大大加快了施工進(jìn)度,降低了工程投資。陳行水庫土工布管袋吹填砂土的材料測試、現(xiàn)場充填試驗(yàn)以及建成后的原型監(jiān)測結(jié)果,證明該技術(shù)在陳行水庫堤壩建設(shè)中的應(yīng)用是成功的。另外,該技術(shù)也在潮汐地區(qū)的灘涂圍墾、金山城市沙灘水庫及青草沙水庫等工程筑堤中得到了應(yīng)用。土工管袋吹填砂土技術(shù)研究的關(guān)鍵是解決充填砂土與土工管袋的匹配問題,要求土工管袋在吹填砂土過程中滿足以下條件:①具有優(yōu)良的保砂能力,防止灌入的砂土顆粒從土工布的孔隙中流失;②具有良好的排水能力,保證灌入的水體盡快排出;③具有承受沖灌壓力的能力,避免管袋發(fā)生破裂;④具有足夠的抗老化能力,達(dá)到各自的使用時間要求;⑤工程造價經(jīng)濟(jì)合理。就長江口地區(qū)來說,河床上部主要土層有粉砂、砂質(zhì)粉土、粉性土混(淤泥質(zhì))黏性土、黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土,其中砂質(zhì)粉土、粉砂具中等透水性,滲透系數(shù)在0.0001～0.0010cm/s,而粉質(zhì)黏土、黏土為弱～極微透水性土層,滲透系數(shù)一般小于0.0001cm/s。由于吹填砂需要快速排水固結(jié),加快施工進(jìn)程,一般選用粉砂、砂質(zhì)粉土作為吹填料。土工布一般選擇機(jī)織布。在陳行水庫、青草沙水庫、太倉水庫等工程中,通過對土工布的保砂性、透水性和防堵性進(jìn)行計算分析、試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐,得知土工布可選用150～260g/m2的聚丙烯編織布和丙綸機(jī)織布,其滲透系數(shù)大于0.0010cm/s。從水庫筑堤條件來看,過去一般是在高灘吹填筑堤施工,而近期建設(shè)的青草沙水庫堤壩沿線除了高灘外,在東側(cè)還要穿越水深10m以上的深槽,屬于深水筑堤,施工難度很大。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),在高程-5.0m以下,深水管袋吹填施工較為困難,可采用拋填砂袋的辦法筑堤。為避免砂袋在拋填過程中爆裂,砂袋尺寸選用4m×6m,采用強(qiáng)度較高的260g/m2丙綸長絲機(jī)織土工布;對于高程-5.0m以上及其潮汐變動區(qū),需先應(yīng)用土工管袋形成內(nèi)、外棱體,在內(nèi)、外棱體之間堤芯直接吹填砂,由于施工期間該部位內(nèi)、外棱體處于潮位變化區(qū),外坡面土工布遭受太陽紫外線直接照射的時間較長,同時經(jīng)常受到風(fēng)浪沖擊,因此該暴露范圍的管袋袋布采用175g/m2防老化聚丙烯編織布;對于高程5.0m以上的堤身,由于工程量較小,施工進(jìn)度較快,暴露時間不長,遭受風(fēng)浪作用機(jī)會較小,可采用150g/m2聚丙烯編織布。水庫堤壩典型斷面如圖1所示。2護(hù)面結(jié)構(gòu)的選擇在潮汐地區(qū),每天潮水兩漲兩落。建設(shè)避咸蓄淡水庫的堤壩較長,在水中建造堤壩需要分段按序施工,同時河床一般為砂土地基,具有顆粒細(xì)、結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn),抗水流沖刷能力有限。由于潮汐水流的作用,在堤壩施工推進(jìn)過程中必然會出現(xiàn)推進(jìn)的堤壩頭部河床灘面沖刷,需要采取措施對壩基及兩側(cè)一定范圍的河床進(jìn)行保護(hù)。堤壩建成后,由于沿堤流的作用,也會對堤壩腳的灘面沖刷,危及堤壩的安全。因此合理選擇護(hù)面結(jié)構(gòu)是確保灘面穩(wěn)定的關(guān)鍵。護(hù)面結(jié)構(gòu)的選取應(yīng)考慮以下幾方面因素:①具有足夠的抗沖性能,抵御河床水流的沖刷;②具有良好的保砂性能,防止下部河床砂土從排體中漏出;③具有適宜的變形性能,適應(yīng)排頭沖刷引起的灘面變化;④具有合理的耐久性能,保證足夠的使用年限;⑤具有方便的施工性能,便于施工、制作、運(yùn)輸、沉放。常用的保灘軟體排有砂肋軟體排、混凝土聯(lián)鎖塊軟體排、砂肋軟體排與混凝土聯(lián)鎖塊軟體排相結(jié)合的混合軟體排等。對于全部處于水下的保護(hù)灘面、堤壩基面或者超前護(hù)底灘面,軟體排可選用砂肋軟體排,規(guī)格為?300@1500mm,排布采用230g/m2丙綸長絲機(jī)織布,砂肋采用200g/m2丙綸長絲機(jī)織布,丙綸加筋帶和砂肋套環(huán)寬50@1000mm。庫外保灘采用混凝土聯(lián)鎖塊軟體排,基布采用380g/m2復(fù)合土工布(230g/m2丙綸長絲機(jī)織布與150g/m2滌綸短纖無紡布復(fù)合),混凝土聯(lián)鎖塊尺寸為400mm×400mm×(160～220)mm,丙綸加筋帶寬70@500mm,丙綸繩?16mm。軟體排土工布滲透系數(shù)大于0.001cm/s。3發(fā)展趨向,砂肋排護(hù)面工程施工在潮汐地區(qū),為方便堤壩施工,水庫堤壩必然會預(yù)留一定寬度的納潮口和龍口,讓潮汐水流進(jìn)出圍區(qū)內(nèi),從而減小圍區(qū)內(nèi)外水頭差和進(jìn)出納潮口、龍口的流速,降低施工風(fēng)險。堤壩基本建成后,納潮口最終也要收縮成龍口,然后對預(yù)留的龍口進(jìn)行截流封堵。在水庫設(shè)計布置中,預(yù)留納潮口和龍口的流速通常控制在3.5m/s以下,采用砂肋軟體排進(jìn)行納潮口灘面保護(hù),當(dāng)龍口寬度較小時,也可采用土工管袋充填砂土直接筑成龍口,龍口內(nèi)、外兩側(cè)坡面用砂肋軟體排或混凝土連鎖塊體軟體排保護(hù)。土工管袋袋布和砂肋軟體排排布均采用380g/m2復(fù)合布土工布。當(dāng)龍口流速超過5m/s時,常規(guī)的軟體排護(hù)面結(jié)構(gòu)已難起到保護(hù)作用,需要采取特殊的防護(hù)措施。青草沙水庫的東堤主龍口處于長江口北港深泓區(qū)域,水庫庫容大,漲落潮進(jìn)出龍口的水量也大。通過大量的水流數(shù)值計算和模型試驗(yàn)研究分析,確定龍口截流采用框籠拋石平堵截流工藝,設(shè)計潮型條件下龍口出現(xiàn)的最大流速達(dá)7m/s,龍口底面采用60t?的網(wǎng)兜石進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場吊放施工試驗(yàn),由于石料從浙江開采,距離比較遠(yuǎn),低碳合金鋼絲網(wǎng)兜石在裝網(wǎng)兜、陸上和水上運(yùn)輸、多次轉(zhuǎn)運(yùn)裝卸、吊放網(wǎng)兜石的過程中鋼絲網(wǎng)容易發(fā)生斷裂,網(wǎng)兜石損壞率較高,修復(fù)比較困難,難以滿足施工要求。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),網(wǎng)兜的低碳合金鋼絲由具有較高強(qiáng)度、較好柔性的?16mm聚丙烯繩替代,可大大減少網(wǎng)兜石的損壞率,提高了施工速度。為防止網(wǎng)兜石安放過程中刺破下部通長土工管袋,在網(wǎng)兜石下鋪設(shè)混凝土連鎖塊體軟體排,在與土工管袋之間加設(shè)一層超強(qiáng)砂肋軟體排,排布采用1600g/m2高強(qiáng)丙綸長絲機(jī)織布。該網(wǎng)兜石護(hù)面在龍口截流實(shí)際施工中抵御了超過5m/s的高流速的考驗(yàn),被證明是成功的。水庫常規(guī)龍口和高流速龍口的布置如圖2和圖3所示。4坡面排水反濾避咸蓄淡水庫在汛期常采用庫內(nèi)低水位運(yùn)行,非汛期采用高水位運(yùn)行。水庫堤壩的運(yùn)行特點(diǎn)是:①汛期,當(dāng)庫外潮位高于庫內(nèi)水位時,庫外水往庫內(nèi)滲透;當(dāng)庫外潮位低于庫內(nèi)水位時,庫內(nèi)水往庫外滲透。②非汛期,當(dāng)庫內(nèi)水位高于庫外潮位時,庫內(nèi)水往庫外滲透。由水庫堤壩的運(yùn)行特點(diǎn)可知,水庫堤壩承受雙向水頭作用,存在外水內(nèi)滲、內(nèi)水外滲的情況,庫內(nèi)、庫外邊坡都需要作排水反濾處理。吹填土堤壩坡面采用反濾土工布,上壓150～300mm厚的袋裝碎石,表面根據(jù)風(fēng)浪的大小選用異形塊體、柵欄板、螺母塊體、漿砌塊石、干砌塊石等保護(hù)。經(jīng)計算分析和工程實(shí)踐,一般內(nèi)、外棱體平臺的上部坡面反濾土工布采用200g/m2機(jī)織布,棱體平臺以下采用380g/m2復(fù)合反濾土工布(230g/m2機(jī)織布與150g/m2無紡布復(fù)合),反濾土工布的底部與保灘軟體排相接,形成完整的排水反濾體。反濾土工布上部袋裝碎石所用的袋布為125g/m2編織布。5壩體基礎(chǔ)地基處理在河口地區(qū)建設(shè)水庫,往往會遇到軟土地基。這些軟土層一般為淤泥質(zhì)黏土(粉質(zhì)黏土)、黏土層等,呈流塑狀,高壓縮性,土體強(qiáng)度、承載力低,是堤基的主要壓縮土層。經(jīng)相關(guān)分析研究,當(dāng)上部堤壩高度達(dá)到10m以上時,如果不進(jìn)行地基處理,堤身和堤基的總沉降量達(dá)到2m以上,設(shè)計基準(zhǔn)期工后殘余沉降也在0.5m以上,甚至達(dá)到1m以上。為了控制堤壩沉降,需采取加載預(yù)壓、塑料排水板等處理措施。塑料排水板底部應(yīng)插入處理的軟弱土層,具體間距和處理深度應(yīng)通過計算確定。水庫堤壩基礎(chǔ)處理部位一般處于水下。采用塑料排水板處理地基時,采用專用插板船施工,塑料排水板用安放在作業(yè)船上的門架式立柱打設(shè)機(jī)插設(shè),作業(yè)船一次移位可同時插多根排水板。6拋填砂袋、淺于材料地位土工合成材料在潮汐河口地區(qū)水庫建設(shè)中應(yīng)用的工程實(shí)踐表明,利用土工合成材料可解決水庫堤壩的排水、反濾、防沖等問題。a.利用在超過6m深水區(qū)域采用拋填