充泥管袋充填粉細砂技術(shù)在長江口軟土地基上的應用

充泥管袋充填粉細砂技術(shù)在長江口軟土地基上的應用

太倉市應急供水工程位于長江口南支流河口上游長江岸邊的海灘上。海灘高度為0.54.0m（高度按85%計算），海岸面積為27261米。水源地總面積為220萬m2,由北堤、東堤、南堤及西堤圈圍而成。其中,北堤、東堤、南堤為新建圍堤,總長4486m;西堤是在原太倉長江大堤的基礎(chǔ)上,按水源地工程及區(qū)域規(guī)劃要求加寬加固而成,長為2634m。水庫最高蓄水位為5.5m,總?cè)莘e為1742萬m3,有效容積為1427萬m3。經(jīng)多方案比較研究,圍堤的結(jié)構(gòu)型式采用充泥管袋斜坡式結(jié)構(gòu),工程于2010年12月開工。目前,新建圍堤土方工程已經(jīng)完成,正在進行護坡結(jié)構(gòu)施工。1開口保護設計1.1熱壓保護期非汛期320a新建水源地圍堤為2級建筑物,根據(jù)《灘涂治理工程技術(shù)規(guī)范(SL389-2008)》,龍口度汛、堵口潮位設計標準:龍口度汛設計潮位重現(xiàn)期為20～30a,龍口堵口設計潮位重現(xiàn)期為非汛期10～20a。根據(jù)該工程施工組織設計方案,圍堤于當年12月開工,次年3月底即實現(xiàn)龍口合攏。由于龍口是在非汛期內(nèi)合攏的,因此,可適當降低龍口設計潮位標準。參照長江口地區(qū)圍灘工程龍口潮位設計潮位標準,該工程龍口保護期應采用工程區(qū)非汛期10a一遇潮型;龍口合攏期采用龍口合攏當月(即3月份小潮期)連續(xù)3d最大潮差的潮型;龍口收縮期應采用3月份大潮期連續(xù)3d最大潮差的潮型。1.2監(jiān)測站位位置確定龍口布置原則如下:(1)便于堤段工程施工并滿足工期要求;(2)基礎(chǔ)地質(zhì)條件較好;(3)滿足水流平順的要求;(4)便于堵口封堵時備料與施工布置;(5)保護期,龍口流速不宜超過3.5m/s;收縮期、合攏期,龍口最大流速按不大于4.0m/s控制。該工程圍區(qū)面積約為2.2km2,圍區(qū)面積中等,采用單倉單龍口方式。工程區(qū)潮流為往復流,主流向基本平行于水源地東堤。根據(jù)龍口布置原則,綜合考慮地質(zhì)、水流等因素,認為龍口宜布置在水源地東堤上;兼顧考慮引水管穿越水源地東堤段的施工,選定龍口位于水源地東堤的中部,引水管穿東堤位置下游。圖1所示為龍口位置。1.3采用深度計算模型根據(jù)《灘涂治理工程技術(shù)規(guī)范(SL389-2008)》,龍口設計時,可采用水量平衡法進行計算。近年來,隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,采用水流數(shù)學模型模擬龍口設計已成為趨勢。數(shù)值模型可對龍口進行高分辨率的計算,可較精確地模擬龍口的各種水力要素。本次模擬采用荷蘭的Delft-3D水動力模擬軟件,建立局部二維潮流數(shù)學模型,用于計算龍口水流動力特性,確定龍口的保護期、收縮期及合攏期等不同階段的底寬與底高程。模型采用正交曲線網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為254×159。對龍口附近的網(wǎng)格實施局部加密,最小網(wǎng)格間距為6m×6m。計算網(wǎng)格如圖2所示。南支水域采用2009年1∶25000實測地形資料;工程區(qū)采用2010年10月1∶2000實測地形資料。模型水深如圖3所示。龍口保護期、收縮期和合攏期的計算結(jié)果及推薦方案如表1所示。1.4龍口涂料設計1.4.1護底結(jié)構(gòu)的設計(1)護底結(jié)構(gòu)自身的厚度應盡量減少對水流的干擾,從而減少對護底結(jié)構(gòu)(余排)外緣的沖刷。(2)護底范圍應足夠大,確保護底結(jié)構(gòu)外緣的沖刷遠離堤身,以保證堤身的安全。(3)護底結(jié)構(gòu)排體應具有良好的排水性和保沙性能,即護底排體材料的孔徑應能阻擋灘面上泥沙級配中的大部分泥沙,但又能確保水排出。(4)護底結(jié)構(gòu)應具有適應排體外緣河床沖刷變形的特性。(5)護底結(jié)構(gòu)的自身強度應能滿足施工鋪放時的受力要求。(6)在水流、波浪的作用下,護底結(jié)構(gòu)能通夠保持穩(wěn)定。(7)護底結(jié)構(gòu)(軟體排)的加工、運輸、沉放,應能滿足大規(guī)格、大批量、工廠化、標準化、高效安全施工的要求。(8)應根據(jù)不同部位排體的工作條件,采用不同的壓載方式。根據(jù)上述護底結(jié)構(gòu)設計原則,護底結(jié)構(gòu)排體應具有強度、排水性、保沙性以及能變形的特點。因此,為使排體能夠滿足上述設計原則,采用了機織布和無紡布針刺復合加工排體。機織和無紡針刺復合布主要具有以下性能指標:①抗拉強度,能夠滿足施工和運行期結(jié)構(gòu)受力要求;②延伸率,能適應排體外緣的河床變形;③頂破和刺破強度,能適應在排體上拋石的要求;④孔徑及滲透指數(shù),針對地基沙層級配,能確保排體的排水和保沙?？紤]到龍口排體的工作條件,采用了混凝土聯(lián)鎖塊作為壓重。1.4.2護底沖刷設計對龍口保護期,主要是考慮潮位越過龍口后將會產(chǎn)生的沖刷問題。對于越堤流沖刷,可按《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》(JTJ312-2003)10.5.6的計算公式進行計算。本次設計擬采用鎖壩近似計算,即:L=m△hp△hp=0.33P(hd)0.33(△hh)0.35(1)L=m△hp△hp=0.33Ρ(hd)0.33(△hh)0.35(1)式中,L為護底伸出長度,m;m為護底穩(wěn)定邊坡系數(shù),取2.0～2.5;△hp為原河床床面起算的沖刷坑最大深度,m;P為自河床起算的壩高,m;h為壩下沖刷前的水深,m;d為床沙中值粒徑,m;△h為鎖壩上下游的水位差,m。內(nèi)外側(cè)水位的取值,根據(jù)數(shù)模參考水位過程線選取,計算結(jié)果見表2。由于規(guī)范所用公式的適用條件有所差異,因此,以上沖刷坑的深度,由理論數(shù)據(jù)計算所得。另外,根據(jù)《防波堤設計與施工規(guī)范》(JTJ298-98)第4.3條,對于可沖刷地基上的斜坡堤,其堤前護底塊石層的寬度視堤前水深和流速的大小,堤身段可采用5～10m,堤頭段可采用10～15m。根據(jù)《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》(JTJ312-2003)第10.4.6條,在易沖刷變形的河段,對于順壩,宜采取護底措施,護底范圍可伸出邊坡坡角外5～15m?？紤]龍口兩側(cè)均拋投了截流塊石,其中兩側(cè)拋石棱體頂高程均為0m,這樣對減小龍口段的沖刷比較有利。同時,結(jié)合以往成功的工程實例,護底寬度參數(shù)見表3。龍口護底的總寬度為水源地側(cè)寬度+水源地圍堤寬度+長江側(cè)寬度=127m;沿水源地圍堤軸線方向的龍口護底兩側(cè)壓入棱體各10m;龍口護底總長度為200m。2混凝土聯(lián)鎖塊的鋪設通過計算,龍口保護期的寬度為180m,底高程為-2.0m。龍口保護結(jié)構(gòu)主要包括護底和裹頭保護兩個部分。在護底范圍內(nèi),采用通長充泥管袋,將高程填高至-2.0m,充泥管袋上鋪設380g/m2的復合土工布(由230g/m2丙綸長絲機織布與150g/m2滌綸短纖無紡布復合而成)然后,在上面鋪設C25混凝土聯(lián)鎖塊,并且在圍堤軸線方向的兩側(cè)壓入棱體10m。同時,考慮圍堤防滲墻的施工,在圍堤軸線(即防滲墻軸線位置)附近,預留6m設置砂肋軟體排。加筋條和機織布采用35支三股綿綸線縫制而成?；炷谅?lián)鎖塊排采用480mm×480mm×120mm混凝土塊,混凝土標號為C25。單片混凝土聯(lián)鎖塊用多吊點平吊平放,混凝土塊聯(lián)結(jié)采用?14防老化丙綸繩,系結(jié)繩錨固伸入混凝土長度不小于20cm。系結(jié)時應控制結(jié)的大小(改進打結(jié)方式,盡量減小結(jié)的尺度),長邊聯(lián)接繩端頭倒繞至相鄰混凝土塊。為了保證軟體排的整體性能,軟體排縫接或搭接必須垂直于圍堤軸線方向。軟體排搭接寬度不小于5m,縫接采用包縫,不得采用丁縫。軟體排鋪設時力求平整,不宜拉得過緊。龍口兩側(cè)大小棱體進展至龍口保護寬度,大小棱體之間采用充砂管袋進行橫向封格,龍口側(cè)邊坡坡比為1∶3。外坡面鋪設260g/m2土工反濾布一層,上壓400mm厚理砌塊石,形成龍口兩側(cè)裹頭保護。龍口尺寸及保護期平面、斷面見圖4,5。3熱壓保護施工該工程龍口保護期寬180m,為減少一次性封堵的難度,將龍口分為收縮、封堵兩個階段實施,見圖4。隨著潮位由大潮期向小潮期的變化,從龍口兩側(cè)縮窄到適當?shù)膶挾?再進行龍口合攏封堵。具體施工流程為:收縮龍口施工準備→泥庫備砂→砂袋等材料儲備→龍口縮窄→吹砂閉氣→封堵龍口施工準備→泥庫備砂→砂袋等材料儲備→龍口合攏→內(nèi)側(cè)棱體施工→吹砂閉氣(達到防汛安全標準)。圖6為龍口規(guī)模及其合攏順序。3.1保護期、合也期口門寬度合攏時間的選擇需要經(jīng)過慎重的分析,一般選擇在潮位小的小潮汛時期進行龍口合攏,并收集氣象預報資料,了解合攏時間內(nèi)有無大風、寒潮,以防止合攏時因大風出現(xiàn)怪潮、頂水。根據(jù)類似工程經(jīng)驗,該工程龍口保護期、合攏期龍口的寬度均不大,2～3d內(nèi)即可由保護期口門寬度縮窄至合攏期的口門寬度;圍堤龍口的堵口封堵時段選擇在開工后第2年2～3月份小潮期間完成,即在一個小潮汛中完成合攏。3.2段外圍堤填筑高程汛后合攏前,將龍口寬度壓縮至堵口尺寸,除堵口段外圍堤填筑高程達到4.5m高程以上,4.5m高程以下斷面按設計完成,滿足合攏的大堤防滲穩(wěn)定要求;堵口備料、機械設備、勞力應組織準備就緒。3.3lng頂至排氣砂灘底砂坡面坡下堤身棱體及閉氣砂花坡壓重的施工主要分為3.大堤合攏采取充泥管袋平堵和立堵相結(jié)合的合攏方案,即先進行龍口的收縮,將龍口收縮至100m時,形成堵口。由龍口底部向頂部分層進行充泥管袋棱體加高,并在一個潮次內(nèi)使堤身棱體迅速達到4.5m以上高程。同時,進行內(nèi)棱體及閉氣砂的施工,使之迅速在堤身管袋的內(nèi)側(cè)形成支撐。堵口封堵根據(jù)預報選擇潮位較低的時段施工。由于落潮歷時長,漲潮歷時短,故在落潮平潮時開始。首先拆除護底及堤頭的壓重塊石,充填臨時封堵棱體,棱體頂高出水面后,須超前漲潮潮位不少于50cm。封堵前在龍口外預拋部分石料(以后可作護砌材料),人為抬高龍口外灘涂高程,減少合攏時可能產(chǎn)生的沖刷。3.4做好砂袋的搭接和堤芯砂的施工(1)管袋充灌時,要觀察砂袋的充灌量,每層厚度一般不超過0.5m。(2)嚴格控制砂袋的搭接,并派專人檢查是否有空洞,如果有,應及時用無紡布堵塞。(3)龍口合攏后要及時進行堤芯砂施工,以防止發(fā)生管涌。(4)合攏過程中,應派專人觀察水情,發(fā)現(xiàn)問題盡早處理。4保護環(huán)境及合也龍口合攏