聚丙烯編織袋充填土斜坡式圍堰工程方案研究

1吳浚港海堤上海外高橋造船基地項目位于長江口南港河段南岸，距長江口下游12公里。位于浦東，距長興島對面的河流約6.5公里。基地新堤堤岸線長約1.5km,堤頂高程為8.0m(上海城建吳淞基地,下同),系1994年利用長江邊灘圍灘造地而成,吹填陸域地面標高在4.50～5.0m之間。基地需建二座干船塢,船塢主要尺寸為1號船塢480m×106m×12.3m,2號船塢360m×76m×14.3m,塢頂?shù)仄簶烁?.50m,塢口前沿需突出新堤堤岸線150m,因此需建造施工臨時圍堰一座,圍堰平面布置見圖1。2工程水文、地形和地質(zhì)條件2.1水文條件2.1.1最高其最高正常位5.4m外高橋潮型屬非正規(guī)半日潮,據(jù)歷年潮位統(tǒng)計資料,潮位特征值如下:歷年最高高潮位5.64m;歷年最低潮位-0.43m;平均高潮位3.30m;平均低潮位0.96m;大汛平均高潮位3.69m;大汛平均低潮位0.58m;平均潮差2.34m。2.1.2波浪頻率及要素該水域的波高絕大部分在0～0.5m,據(jù)多年實測波浪統(tǒng)計資料分析,外高橋水域風浪小于1.0m的頻率占69.3%,無浪相所占頻率為29.4%,大于或等于1.0m風浪頻率只占1.3%,波浪要素如下:平均波浪0.21m;最大波高NNE2.10m;小于0.4m波高每月平均20d;0.5～0.9m波高每月平均約9d。2.1.3該趨勢本地區(qū)近岸地段(10m水深)潮流流速為:潮漲最大為1.82m/s,落潮最大流速為1.47m/s。2.2地形和地質(zhì)條件圍堰所處邊灘地形高程為0～-8.0m,坡度約3%。工程區(qū)影響范圍內(nèi)土層共有8層,對各層土的物理力學指標進行了實驗。3大壩類型選擇和路段設(shè)計3.1種圍堰結(jié)構(gòu)型式圍堰結(jié)構(gòu)型式選擇與現(xiàn)場施工和材料供應條件有關(guān),本工程地處長江口,工程施工受潮汐、風浪和降雨影響,同時長江口為沖積三角洲,庫址附近無石料供應,可供筑壩的土料亦缺。在設(shè)計過程中提出過三種圍堰型式進行技術(shù)經(jīng)濟比較。第一種是格型鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)型式;第二種是雙排鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)型式;第三種是聚丙烯編織袋充填土斜坡式圍堰結(jié)構(gòu)型式。三種圍堰結(jié)構(gòu)型式的主要優(yōu)缺點比較見表1。從表1中可以看出,三種圍堰型式在技術(shù)經(jīng)濟上以聚丙烯編織袋充填土斜坡式圍堰結(jié)構(gòu)型式最優(yōu),因此選擇聚丙烯編織袋充填土斜坡式圍堰結(jié)構(gòu)型式。3.2大壩防護結(jié)構(gòu)3.2.1標準的設(shè)計標準(1)從《條件二》原封建筑5.本工程系臨時性建筑物,根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標準》(平原、濱海部分)SDJ217-87,工程等別為一、二等,臨時性建筑物級別為4級,因此本工程按4級建筑物設(shè)計,圍堰上、下游側(cè)堤各150m,按長江大堤標準設(shè)計,即一級建筑物設(shè)計。(2)設(shè)計臨床中心案例根據(jù)SDJ217-87,4級建筑物設(shè)計高潮位20～10年一遇,本工程設(shè)計高潮位取20年一遇。設(shè)計高潮位(20年一遇)為5.42m;設(shè)計低潮位為0.15m。(3)設(shè)計主風向風速本工程地處長江口南港河段,圍堰外沿直接面臨東北向,長江口地區(qū)潮汛強臺風出現(xiàn)較多的也是東北向,對圍堰的浪擊影響較大,為設(shè)計主風向,本工程設(shè)計風速取11級風速。(4)系數(shù)安全根據(jù)SDJ217-87規(guī)定,圍堰壩坡穩(wěn)定安全系數(shù):基本組合為1.15,特殊組合為1.05。3.2.2段設(shè)計(1)防浪墻頂高程和圍堰頂高程堰頂高程按設(shè)計潮位和風浪要求及考慮安全超高,圍堰頂高程為8.30m,為了降低投資,采用防浪墻頂高程8.30m,防浪墻高1.20m,圍堰頂高程為7.10m。防浪墻結(jié)構(gòu)采用漿砌塊石結(jié)構(gòu),便于拆除?？紤]到交通要求,堰頂寬度取5.0m。(2)外側(cè)圍堰的圍堰設(shè)計圍堰斷面結(jié)構(gòu)型式為聚丙烯編織袋充填砂堰體,圍堰基礎(chǔ)高程-3.0m以下范圍內(nèi)的堰基先吹聚丙烯編織袋充填土一層厚40～50cm,然后打設(shè)塑料排水板,排水板縱橫向間距均為1.6m,梅花型布置,排水板打設(shè)至-16.0m高程,塑料排水板施工完工后,再鋪設(shè)一層軟體排,軟體排上再充填1～6層袋裝充填土,對地基進行均勻壓載。水下堰體的內(nèi)外側(cè),均設(shè)置聚丙烯編織袋棱體,兩棱體之間吹填砂土,至1.0m高程,形成低潮時,能露出水的堰身,在高程1.0m堰身設(shè)聚丙烯編織袋充填土一層,并鋪設(shè)土工軟體排一層,以保護水下堰身受進出堰體潮水的淘刷。高程1.0m以上內(nèi)外側(cè)亦設(shè)置聚丙烯編織袋充填棱體,外側(cè)棱體高程至6.0m,內(nèi)側(cè)棱體高程至4.0m,棱體之間吹填砂土至設(shè)計堰頂高程。圍堰基礎(chǔ)高程-3.0m以上范圍內(nèi)的堰基,先鋪設(shè)土工軟體排一層,內(nèi)、外兩側(cè)均設(shè)置聚丙烯編織袋充填棱體,外側(cè)棱體高程至6.0m,內(nèi)側(cè)棱體高程至4.0m,棱體之間吹填砂土至設(shè)計高程。因堰身為臨時性建筑物,因此,圍堰的內(nèi)坡保護比較簡單,內(nèi)坡坡面和堰頂面均用土工反濾布上干砌塊石保護,以防雨水沖刷;外側(cè)圍堰外坡坡面分水下和水上兩個部分。水下采用土工反濾布上拋鋪CE131土工網(wǎng)碎石保護,以便于拆除。水上采用土工反濾布上干砌塊石,表面水泥砂漿勾縫。上、下游側(cè)圍堰各150m,外側(cè)水上護坡,采用漿砌塊石護坡,下設(shè)袋裝碎石墊層和土工反濾布一層,整個圍堰外側(cè)消浪采用翼型塊體。外側(cè)圍堰拆除時,翼形塊體可以用于長江大堤外坡消浪。外側(cè)圍堰斷面見圖2。(3)計算成果計算穩(wěn)定分析采用土石壩規(guī)范中瑞典圓弧法,用總應力法計算,圍堰穩(wěn)定計算成果見表2。從表2可知,圍堰整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,同時考慮到地基中存在軟弱土層,有可能形成復合滑動面,因此對可能存在的復合滑動面也進行了計算,其最小穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。(4)透水材料滲流計算滲流計算方法為:無防滲措施的圍堰滲流計算,按透水地基上的均質(zhì)壩用水力學法進行計算;設(shè)有防滲措施的圍堰滲流計算,按透水地基上的斜墻壩水力學法進行計算。滲流計算成果見表3。由于長江口為潮汐河口,堰身內(nèi)的浸潤線隨潮位變化而變化,且浸潤線的形成有滯后效應,合理的組合是外側(cè)采用平均潮位2.09m與圍堰無水組合,其計算的滲流量比較符合實際情況,即453m3/d。由于無防滲措施時滲流量不大,滲透穩(wěn)定亦滿足要求,因此本工程圍堰斷面中未設(shè)防滲措施。(5)堰基沉降量計算沉降計算方法采用《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》(SDJ218-84)中分層總和法計算,堰基沉降量為:外側(cè)圍堰1.62m,上、下游側(cè)圍堰1.13m。4籠關(guān)式無砂混凝土排工程首先進行底層砂袋的充填,底層砂袋充填完成后進行塑料排水板施工,塑料排水板施工完畢后進行軟體排的鋪設(shè),軟體排分有砂籠和無砂籠兩種。無砂籠軟體排主要鋪設(shè)于淺水區(qū),采用人工趕潮施工,砂籠軟體排鋪設(shè)于深水區(qū),盡量選擇落潮時段鋪排,并需進行準確的定位、固定措施,用拖輪沉排,輔以潛水員進行水下控制排體位置。軟體排鋪設(shè)完畢后進行棱體及堰身施工,先沿堰軸線設(shè)多個工作面施工高程1.0m以下土工布袋充填土和外棱體及內(nèi)棱體,然后將堰身閉氣土吹至高程1.0m,高程1.0m以上內(nèi)、外棱體可同步進展,中間堰身利用袋裝土筑橫埂成倉以后,臺階狀吹填進展,并預留合攏龍口,龍口高程為1.00m,底寬為50m,兩側(cè)棱體砂袋坡比為1:3,龍口合攏采用平堵充填龍口砂袋方式,龍口合攏后加高堰身至設(shè)計高程,為保護棱體砂袋不致被風浪沖刷,護坡工作應及時完成。5由于存在問題，設(shè)計和加固項目5.1充填袋定位錯誤由于工程施工開工遲,時間緊,施工組織措施不到位,又遇汛期施工,因此在施工中袋裝充填棱體的施工控制不好,充填袋定位誤差較大,充填袋厚度失控,比設(shè)計要求大1倍以上,達1.2m厚,致使袋體之間搭接不好,形成三角形通道,滲流量明顯大于設(shè)計值,最高時當內(nèi)側(cè)水位在-3.0m時達2500m3/d。圍堰內(nèi)側(cè)開挖時出現(xiàn)管涌,內(nèi)坡發(fā)生塌陷,無法進一步施工。5.2墻身充填灌漿鑒于滲流量較大,且內(nèi)坡出現(xiàn)險情,因此需進行防滲設(shè)計,防滲設(shè)計方案比較了三個方案:一是堤身用充填灌漿,基礎(chǔ)用劈裂灌漿;二是均采用高壓噴射灌漿;三是用土工膜開槽防滲方式,經(jīng)設(shè)計比較,并經(jīng)試驗采用高壓噴射灌漿方案,即在圍堰外坡6.0m平臺設(shè)一高壓噴射防滲墻,防滲墻頂高程為6.0m,底高程-15.0m,防滲墻厚度30cm。5.3塑料排水板加固地基的施工在工程方案設(shè)計階段,圍堰的穩(wěn)定安全系數(shù)均采用水利水電工程規(guī)范進行設(shè)計,并經(jīng)專家審查通過,施工后業(yè)主考慮到工程的重要性及行業(yè)規(guī)程規(guī)范要求,通過專家咨詢要求將穩(wěn)定安全系數(shù)提高到1.30;另實際施工后經(jīng)過對地基土鉆探取樣試驗,塑料排水板加固地基并未取得預期效果,因此需進行圍堰加固設(shè)計。圍堰加固設(shè)計經(jīng)多方案比較采用圍堰內(nèi)邊坡深層攪拌樁加固土體的方案。深層攪拌樁設(shè)置在內(nèi)坡高程-4.0m～-8.0m之間,共布置19排,攪拌樁樁長18m。6深層攪拌樁加固施工效果上海外高橋船塢圍堰1998年2月8日開工,同年6月龍口合攏,9月底竣工,