（道路与铁道工程专业论文）马銮海堤开口改造防渗技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 厦门马銮海堤建成于上世纪五十年代末，最初的目的是将马銮湾作为盐业 和水产养殖基地。经过几十年的过度的开发，以及周边溪流携带的泥沙流入湾 内，造成马銮湾严重淤积，水质变恶，湾内生态环境受到严重破坏并造成厦门 西海域航道严重淤积。根据厦门市城市发展规划，要充分利用马銮湾滨水环境 条件，将马銮湾开发成为一个现代化的滨水城区，决定对马銮海堤开口改造， 以扩大现有水面面积，增加湾内水库容和纳潮量，实现湾内水体的交换，改善 湾内水质状况，提升马銮湾片区综合开发能力。开口改造主要工程之一为在海 堤原有码头位置处开口新建一座9 孔挡潮闸，每孔净宽2 4 米。为此设计在建 设挡潮闸的场地利用现有马銮海堤5 3 0 m 作为外围堰，在湾内新建一条长 6 3 3 m 的内围堰，形成面积3 8 5 0 0 m 2 左右的基坑，确保工程顺利进行。 本文结合厦门建设局项目“厦门马銮海堤防渗帷幕技术研究”，进行了马 銮海堤帷幕防渗技术研究与数值计算。首先对土石坝防渗处理技术、防渗帷幕 的应用研究现状进行了调研。研究对比了三种防渗墙施工方案：砂层高压旋 喷，抛石层低压注稠浆以及局部地段冲孔排桩施工工艺在马銮海堤的应用效 果。通过压水试验，对海堤防渗帷幕的施工质量及方式效果进行测定，推算其 渗透系数。总结出一套针对地质复杂的海堤既经济又有质量保证的防渗帷幕墙 施工方案。 接着利用有限差分方法，以海堤开口段一典型断面为原型，进行了基坑渗 流及海堤开口的流固耦合数值分析，并考虑最高潮位对工程的影响，对海堤开 口的分步开挖其支护安全性进行分析。最后，通过数值分析研究了不同防渗墙 技术参数，加固土体渗透系数，灌注桩强度等技术参数对开挖工程及堤顶市政 水管安全方面的影响，为今后相关设计提供参考依据。 关键词：防渗帷幕；海堤防渗；压水试验；数值分析 a bs t r a c t m a l u a ns e a w a l lo fx i a m e nw a sb u i l ti nt h ee n do f19 5 0 s ，t h ep u r p o s eo f t 1 1 e i n i t i a lw a st ot a k em a l u a nb a ya sab a s ef o rt h es a l ti n d u s t r ya n da q u a c u l t u r e b e c a u s eo fd e c a d e so fo v e r - e x p l o i t a t i o n , a n dt h es e d i m e n tc a r d e db ys u r r o u n d i n g s t r e a m sf l o w i n gi n t ot h eb a y , t h em a l u a nb a ya n dt h ew e s t e r ns e aw a t e r w a yo f x i a m e na r es i l t e du ps e r i o u s l y t h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h ew a t e rq u a l i t ) ，a r e b e c o m i n gb a d a c c o r d i n gt ox i a m e n su r b a nd e v e l o p m e n tp l a n ，m a l u a nb a yw i l lb e d e v e l o p e di n t oam o d e mw a t e r f r o n tc i t y s ot h i s c a nt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h e e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so fm a l u a nb a y t h el o c a lg o v e m m e n td e c i d e dt oo p e na n d r e n o v a t et h em a l u a ns e a w a l ls ot h a tt h ew a t e rs u r f a c ea r e aw i l lb ee x p a n d e d ，t h e r e s e r v o i rc a p a c i t ya n dt h et i d a lc a p a c i t yc a l lb ei n c r e a s e d b yt h i sm e a n s ，t h e e x c h a n g eo f t h ew a t e ri nt h eb a yw i l lt a k ep l a c e ，t h ew a t e rq u a l i t yo ft h eb a yw i l lb e i m p r o v e da n dt h ec o m p r e h e n s i v ec a p a c i t yo fd e v e l o p m e n t i nm a l u a nb a ya r e aw i l l b ee n h a n c e d o n eo ft h em a j o re n g i n e e r i n go ft h es e a w a l lr e n o v a t i o np r o j e c ti st o b u i l da9 - h o l et i d a lg a t e sw i t h e a c hh o l ei n2 4 mw i d t ha tt h eo r i g i n a ll o c a t i o no f t h e d o c k a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，t h eo u t s i d ec o f f e r d a mw h i c ha b o u t5 3 0 ml o n go f t h e m a l u a ns e a w a l li su s e di nt h ec o n s t r u c t i o no ft h et i d a lg a t e s ，a n di nt h eb a ya 6 3 3 m l o n gn e wc o f f e r d a mw i l l b e b u i l t t h e na nf o u n d a t i o np i ta b o u t3 8 5 0 0 m h a s c o n s t r u c t e dt oi n s u r et h a tt h ep r o j e c tp r o c e e d ss m o o t h l y c o m b i n gw i t h t e c h n o l o g yr e s e a r c ho f x i a m e nm a l u a ns e a w a l li m p e r v i o u s c u r t a i n ，t h i sp a p e rs t u d i e sa n t i s e e p a g ec u r t a i nt e c h n o l o g ya n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n f o rm a l u a ns e a w a l l f i r s t ，e a r t h r o c kd a ms e e p a g eo fp r o c e s st e c h n o l o g ya n dt h e a p p l i c a t i o no fa n t i s e e p a g ec u r t a i nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d ，n er e s e a r c hh a sc o n t r a s t e d t h r e ek i n d so fi m p e r v i o u sw a l l ：h i 曲p r e s s u r eje tg r o u t i n gi nt h es a n dl a y e r ，l o w 。 p r e s s u r eg r o u t i n gi nt h er i p r a pl a y e ra n dp u n c h i n gr o wp i l e sc u t o f fw a l l t h r o u g h p r e s s e st h ew a t e rt e s t ，d e t e r m i n i n gt h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n d t h ee f f e c to fs e a w a l l i m p e r v i o u sc u r t a i n ，t h e nc a l c u l a t e s i t s p e n e t r a t i o nc o e f f i c i e n t s u m m a r i z i n g a e c o n o m i ca n dq u a l i t ya s s u r a n c ec o n s t r u c t i o np r o g r a n l i nv i e wo ft h eg e o l o g i c a l c o m p l e xs e a w a l l 7 u s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，t h ef o u n d a t i o np i ts e 印a g ea n ds e a w a l l e x c a v a t i o nf l u i d s o l i dc o u p l i n gn u m e r i c a la n a l y s i sa r ec a r d e do u t 1 1 1 i sp a p e ra l s o a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h eh i g h e s tt i d el e v e la n dt h es e c u r i t y o fs t e p - b y 。s t e p 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 e x c a v a t i o n f i n a l l y ，b yn u m e r i c a la n a l y s i ss t u d yt h ee x c a v a t i o nw o r k sa n dm u n i c i p a l w a t e rp i p e ss e c u r i t yw h i c hu s ed i f f e r e n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc u t - o f fw a l l ， r e i n f o r c e ds o i lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，a n t i s l i d ep i l es t r e n g t ha n dd e p t h s oi tc a n p r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h en e x tr e l a t e dd e s i g n k e yw o r d s ：i m p e r v i o u sc u r t a i n ；s e a w a l ls e e p a g ec o n t r o l ，w a t e rp r e s s u r et e s t , n u m e r i c a la n a l y s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：王孑务噜 日期：少矽2 指导老师签名： 日期：矽哆多，z 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文利用f l a c 有限差分方法，以海堤开口段一典型断面为原型，进行 了基坑渗流及海堤开口的流固耦合数值分析，对海堤开口的分步开挖其支护 安全性进行分析，研究了不同防渗墙技术参数，加固土体渗透系数，灌注桩 强度等技术参数对开挖工程及堤顶市政水管安全方面的影响。 缛钮砷 至 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 马銮湾地区位于厦门市西北部，东面与集杏辅城的要片相邻，西邻漳州市，南 侧以蔡尖尾山与海沧片区相隔离。马銮湾片区与厦门本岛的距离( 经海沧大桥) 约1 1k m ，与海沧组团的距离( 经海新路) 约为3k m 。马銮湾地区的基本地形特征 是背山面水。马銮湾原有水域面积约为2 2k m z 。1 9 5 7 年开始兴建盐场，1 9 6 0 年 建成马銮海堤，海堤全长l6 5 5m ，项宽7 - 9m ，堤顶高程约6 0m ，堤顶有简易公 路通过。在海堤北端部建有排洪闸7 孔和排水闸4 孔，在南端部建有排洪闸6 孔， 在此闸的稍北处有纳潮闸3 孔。上世纪五十年代末马銮海堤建成后，马銮湾内 滩涂改为盐田，作为杏林化工厂的原料基地。上世纪八十年代初盐田逐步被改 为水产养殖且发展十分迅速，并逐步向湾中深水区发展，使得湾内水面锐减 ( 现为2 6 4 k m 2 ) ，纳潮面积减少3 4 以上。过量的养殖及周边农田化肥流失 入湾，再加上周边溪流携带的泥沙流入湾内，造成马銮湾严重淤积，水质变 恶，导致潮流水动力条件减弱，水质明显下降，湾内生态环境受到严重破坏并 造成厦门西海域航道严重淤积。 根据厦门市城市发展规划，将马銮湾开发成为一个现代化的滨水城区，充 分利用马銮湾滨水环境条件，建造一个高度适合居住，环境优美、配套设施完 整的2 l 世纪新城区，并通过围合式的产业支撑和消费驱动建成以入居为主， 兼顾旅游、休闲、娱乐的厦门城市副中心。因此决定启动马銮湾综合整治，其 中关键工程便是对马銮海堤开口改造，以扩大现有水面面积，并结合截污工 程、周边水系的整治，达到增加湾内水库容和纳潮量，实现湾内水体的交换， 改善湾内水质状况，提升马銮湾片区综合开发能力的目的。开口改造主要工程 之一为在海堤原有码头位置处开口新建一座9 孔挡潮闸，每孔净宽2 4 米。为 此设计在建设挡潮闸的场地利用现有马銮海堤5 3 0 m 作为外围堰，在湾内新建 一条长6 3 3 m 的内围堰，形成面积3 8 5 0 0 m 2 左右的基坑，确保工程顺利进行。 1 2 选题背景和意义 经过二十多年的高速经济发展，厦门本岛的发展空间已受到较大限制，无 论是生态环境，交通组织，土地供给都出现了逐渐饱和的趋势。启动马銮湾综 合整治与开发项目有着必然的需求，具体表现在： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 海湾型城市发展的需要 根据厦门城市总体规划，厦门是“我国经济特区，东南沿海重要的中心城 市、港口及风景旅游城市”。厦门市“十五”计划纲要则强调，厦门“城市建设要 突出以水为中心的亚热带海滨城市的景观特色，推动城市形象和城市功能的转 变，逐步实现海岛型城市向海湾型现代化生态城市的转变”。要想实现这一宏 伟目标，按照“优化岛内、拓展海湾、扩充腹地、联动发展”的总体发展思路， 首先就必须全面综合整治马銮湾和西海域地区，清理滩涂、疏浚航道、整治岸 线、截流排污。同时，厦门本岛的经济和社会容量己接近饱和状态，只有加快 马銮湾等岛外地区的开发建设，才能实现厦门产业布局调整，加大产业向岛外 转移的力度，部分疏减岛内人口，缓解岛内交通压力，完成厦门由海岛型城市 向海湾型城市的飞跃。 2 马銮湾水域环境治理、水质改善和周边生态环境治理的需要 马銮海堤于1 9 6 0 年代建成后，湾内水体交换能力变差，加上周边陆域的 排污，特别是超负荷养殖造成的污染，致使湾内水质超四类标准，底层水处于 严重缺氧状态，底质发黑发臭，海域生态环境严重恶化。为防止生态进一步恶 化，迫切需要打开马銮海堤，利用潮流，搞活水体，净化湾内水质，改善海域 生态环境，建立人与周边自然环境和谐共处的关系，保持人与生态的自然平 衡。 3 增加纳潮量、改善厦门港水动力条件、疏通航道的需要 厦门西海域目前局部航道、港区淤积比较明显，不尽快疏浚，航道将进 一步淤积，会直接威胁厦门港口的吞吐能力，进而影响厦门赖以立市与生存的 基础和根本。马銮海堤一旦打开，可增加西海域的纳潮量，增强潮水流速和冲 刷能力，起到减淤、维护西港区航道的作用，对我市港口航运的发展具有积极 的意义。 马銮海堤开口改造是马銮湾综合整治与开发的最重要的工程，由于海堤组 成土层复杂，且主要土层为抛石层，防渗处理技术难度较大，因此防渗帷幕是 马銮海堤开口改造中最关键工程之一，是确保后续海堤基坑开挖的安全进行的 前提。本论文主要研究马銮海堤防渗帷幕技术处理措施，以及开口的数值分 析。研究对比三种防渗墙施工方案：砂层高压旋喷，抛石层低压注稠浆以及局 部地段冲孔排桩施工工艺在马銮海堤的应用效果。总结出一套针对地质复杂的 海堤既经济又有质量保证的防渗帷幕墙施工工艺。利用有限差分方法，进行了 海堤开口的流固耦合数值分析，并考虑不同潮位，防渗帷幕深度，渗透系数等 技术参数对工程的影响，对海堤开口的整体及其支护安全性进行分析，并与原 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 设计方案对比分析，对今后厦门及其他地区相关类似问题具有重要参考意义【7 0 7 4 】 o 1 3 国内外土石坝防渗技术的应用与发展现状 土石坝是应用最广的挡水建筑物，主要是由坝址处附近的土石料填筑而 成，由于填筑土石料及及其施工形成的坝体、坝基中都存在大量的孔隙和裂 隙，渗透破坏一直是土石坝堤防工程的最普遍病害之一。据1 9 9 8 年长江防洪 抢险的统计资料，由渗透破坏造成的险情约占险情总数的7 0 ，除漫溢外，堤 防溃口全部由渗透破坏引起。目前常见的防渗处理措施有上游铺盖、基地截渗 槽、各种防渗墙、帷幕灌浆，高压喷射灌浆等。其中后三者属于垂直防渗，是 最主要的防渗处理手段l j ，其应用发展概况分别介绍如下： 1 3 1 防渗墙 防渗墙源于地下连续墙，欧美称为c o n t i n u o u sd i a p h r a g m 或s l u r r yw a l l ；日 本称为地下连续壁、连续地中壁或地中连续壁等；我国称为地下连续墙或地下 防渗墙。防渗墙技术5 0 年代初期源于西欧意、法等国，它是综合了水井、石 油钻井以及水下浇筑混凝土技术而发展起来的。混凝土防渗墙的施工方法在 1 9 5 2 年v e d e r 最先取得专利权，最初开始在意大利和法国等首次采用桩柱摆列 形成的防渗墙，后在墨西哥、加拿大、日本等国有了发展。国外典型工程实例 如：1 ) 加拿大马尼克3 群水电工程 3 1 ，位于蒙特利尔东北，圣骆朗河河口以北 8 8 k m 河段上，完工时间1 9 7 2 年，其主坝是冰积土心墙坝，坝高1 0 7 m ，坝基 覆盖层厚1 3 0 m ，河床下有较大范围的细纱层，靠近基岩处粗颗粒较多，还夹 有大孤石。设计选用双孔式连锁桩柱与槽孔混合墙，厚0 6 1 m ，最大深度 1 3 l m ，两墙中心距3 2 m ，墙顶长约2 0 0 m ，两道墙总截水面积2 0 7 4 0 m 2 ，墙顶伸 入心墙1 2 2 m ，并建有一条观测廊道，墙底嵌入基岩深度最小0 6 1 m 。2 ) 伊朗 的卡尔黑坝1 4 j 位于伊朗西南部的卡尔黑河上，是一座粘土心墙堆石坝，坝高 1 2 7 m ，坝顶长3 0 3 0 m ，该坝为伊朗最高的坝，坝体积3 3 0 0 万m 3 。坝址处地质 主要由砾岩层构成，砾岩的渗透性较高，约为4 8 1 0 。4 m s ，主要由多个不连 续带和稀疏的骨架砾石引起，砾岩基础的无侧限强度为1 - 5 m p a 。设计基础防 渗采用塑性混凝土防渗墙，其防渗墙的表面积约为1 9 00 0 0 m 2 ，最大深度 8 0 m ，平均深度约为5 0 m 。防渗墙厚度为深度的函数，选为1 0 0 或8 0c m 。 我国在1 9 5 7 年引进此技术，最近几十年来，我国防渗墙的施工技术不断 发展，在各项水利水电工程中建造的混凝土防渗墙不计其数。1 9 5 8 年湖北省明 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 山水库1 3 j 创造了连锁管柱防渗墙，同年在山东省青岛月子口水库用这种办法在 沙砾石地基中首次建成了桩柱式防渗墙。1 9 5 9 年，北京市密云水库1 5 l 创造出一 套以钻劈法建造槽孔防渗墙的新方法，开创了我国防渗墙施工技术的先河，钻 劈法成为我国至今仍在使用的传统施工方法。1 9 6 7 年，在四川省大渡河上的龚 嘴水电站1 3 j ，首次用防渗墙作大型土石围堰的防渗设施。该围堰高3 5 m ，覆盖 层深4 5 m ，防渗墙的最大深度达5 2 m ，是当时我国己建防渗墙中深度最大的一 座，这一工程成为我国水利水电工程的围堰用防渗墙防渗的先例。之后，防渗 墙的应用越来越广泛，设计与施工技术也越来越高。7 0 年代，作为加固处理病 险土石坝的最佳手段，防渗墙技术被广泛应用。这一时期的主要工程有广西白 色澄碧河水库大坝、甘肃省武威黄羊河水库大坝、江西省永修拓林水库大坝 【5 j 。7 0 年代末到8 0 年代初建成的葛洲坝水利枢纽，其围堰也是采用防渗墙作 为防渗体。1 9 9 7 年在四川省冶勒水电站1 3 j 完成了我国至今最深的混凝土防渗墙 墙段的试验施工，该墙段深1 0 0 m ，长7 8 m ，厚1 o m ，为我国防渗墙施工跨越 百米深度准备了条件。1 9 9 8 年建成的小浪底主坝亦采用混凝土防渗墙，主坝防 渗墙深8 1 舯，墙厚1 2 m 。长江三峡工程一、二期围堰防渗墙p j 1 6 1 ，是我国己 建防渗墙中规模最大、综合难度最大的工程。特别是二期围堰防渗墙工程量 大、深度大、堰体及河床地质条件复杂、工期短、防洪标准高，是三峡工程的 关键技术难题之一。从总体上来说，我国防渗墙的应用已越来越广泛，施工技 术已接近或达到国际先进水。 尽管防渗墙技术不论在施工工艺还是在理论研究方面取得了不少进展。但 是，由于该项技术的特殊性及其适应的局限性，防渗墙技术随着工程的应用暴 露了一些工程问题，如防渗墙的厚度及深度确定，防渗墙对土体应力应变的影 响，防渗效果及持久性等等，未能有合理的解释，对防渗墙的防渗作用、可靠 性和稳定性、防渗墙的理论研究远远落后于实践需要，不利于了该项技术的进 一步发展和推广。 1 3 2 帷幕灌浆 帷幕灌浆从机理分为劈裂灌浆与渗透灌浆两种，前者是利用灌注浆液的压 力，将坝体或地基沿小主应力面有控制地劈开，通过灌注浆液，形成浆体防渗 帷幕。后者是在灌浆压力作用下，将浆液渗透到地层孔隙中，从而形成防渗帷 幕。 灌浆技术最早可以追溯到1 8 0 2 年，由法国人查理士贝利尼 ( c h a r l e s b e r l g h y ) 发明并用于对第厄普冲刷闸的修理i 引。英国于1 8 6 4 年在 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 阿里因普瑞贝矿首次用水泥灌浆对井筒进行灌浆堵水，成功的解决了井筒漏水 问题。随着硅酸盐水泥的发明，水泥开始成为灌浆的主要材料。1 9 1 0 年，采用 了自动记录压力表，根据记录的灌浆性状，作了系统的研究，建立了灌浆压力 和渗透性之间的关系。1 9 2 0 年荷兰采矿工程师e j j o o s e t n 首次论证了化学灌浆 的可靠性，采用了水玻璃、氯化钙双液双系统的两次压注法，并于1 9 2 6 年取 得了专利1 7 j ，。灌浆技术有系统的改进始于美国科罗拉多河上的胡佛 ( h o o v e r d n a l ) 水坝的帷幕灌浆，为了补救因基坑开挖引起的裂缝，进行了加固 灌浆。根据胡佛坝基的灌浆工程实践，首次制定了灌浆工程设计和施工规范。 本世纪4 0 年代，灌浆技术的研究和应用得到了迅速的发展，各种水泥浆材和 化学浆材相继问世，特别是6 0 年代以来，各国大力发展新型灌浆材料，灌浆 工艺和设备得到了空前的进步，其应用范围越来越广。 我国对注浆技术的研究和应用起步较晚，5 0 年代初期我国开始了矽化法的 研究，在固砂、防止湿陷性黄土的湿陷和加固构筑物方面作了大量的工作。同 时，矿山行业逐渐采用了井巷注浆技术。5 0 年代后期，在水坝的防渗和加固工 程中逐渐应用。6 0 年代以后，我国已开始注意化学注浆的毒害及环境污染问 题，并提出一系列的改进方法，其应用范围日益广泛。1 9 8 7 年上海隧道施工技 术研究所程骁研制的套管分层注浆工法( c s r f 工法) 也具有新意，8 0 年代铁科 院等单位联手开发的一整套喷射注浆工法，受到专家的好评。总体上说，我国 灌浆技术经过5 0 余年的快速发展，浆液材料的性能不断改善，施工机具也越 来越先进，但在施工工艺和电子技术的应用方面还比较落后。 1 3 3 高压喷射灌浆 高压喷射灌浆技术就是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后，用高压泥 浆泵，通过安装在钻杆( 喷杆) 杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围土体高压喷射 固化浆液( 一般使用水泥浆液) ，同时钻杆( 喷杆) 以一定的速度边旋转边提升， 高压射流使一定范围内的土体结构破坏，并强制与固化浆液混合，凝固后便在 土体中形成具有一定性能和形状的固结体心j 。 二十世纪六十年代末，日本首先在静压灌浆的基础上，引进水力采煤技 术，发明了高压旋喷加固软弱地基技术。七十年代，我国开始进行高喷灌浆技 术的研究，首先在冶金、铁道部门开始采用高压旋喷灌浆加固地【8 。八十年 代初山东省水利部门开始将此技术应用于大坝基础防渗工程中，进行了“中细 砂层定喷灌浆技术”的研究，首先提出了“高压定向喷射灌浆构筑防渗板墙” 理论拶“。九十年代，在钻孔工艺及适应地层方面又开展了一系列研究，取得 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 了许多先进成果。东北岩土工程公司进行了振孔高喷工艺研究，大大提高了成 孔速度，简化了施工程序，随着成孔效率的提高，也为改进高喷操作工艺、提 高墙体的连续完整性创造了条件i l 引。山东水利科学研究院开展了大粒径地层高 压喷射灌浆构筑防渗墙技术研究，为高压喷射灌浆技术扩大地层适应范围提供 了理论及技术依据i j 。 随着高压喷射灌浆技术的不断发展，对适应地层性及工程应用范围也日益 扩大。在开始只用在软土地基加固的基础上，逐渐拓宽为基坑支护及防渗、滑 坡稳定加固、地下管道加固、防止地基冻胀及液化、堤防及大坝基础防渗等工 程领域。自从八十年代高压喷射灌浆技术引入水利工程防渗领域的研究后，该 项技术在水利工程领域内发展迅速，在水工建筑物的基础加固、堤防与大坝坝 基防渗方面得到了广泛应用，水库坝基防渗加固1 1 4 。引、施工围堰防渗【1 7 - 1 8 。长 江及黄河等堤防防渗目叫等工程领域均采用了高压喷射灌浆技术，取得了较好的 经济效果。高压喷射灌浆技术不仅可以单独使用，也可以与其他技术配套，能 经济方便的解决临时防渗和水库坝基渗流处理问题，有广阔的应用前途畔。o 】。 1 4 论文主要研究内容 结合厦门建设局项目“厦门马銮海堤防渗帷幕技术研究”，本论文进行了马 銮海堤帷幕防渗技术处理与开口数值计算研究，主要开展了以下工作： ( 1 ) 堤坝防渗处理技术、防渗帷幕检测方法的研究现状调研； ( 2 ) 通过压水试验，检验三种防渗墙方案：砂层高压旋喷，抛石层低压注稠 浆以及局部地段冲孔排桩应用在马銮海堤上的防渗效果，并推算其渗透系数。 总结出一套针对地质复杂的海堤既经济又有质量保证的防渗帷幕强施工方案。 为后续类似工程和厦门其它海堤的改造提供可靠地的理论和实践依据。 ( 3 ) n 用有限差分方法，进行了海堤开口的流固耦合数值分析，并考虑最高 潮位对工程的影响，对海堤开口的整体及其支护安全性进行分析。 ( 4 ) 以海堤开口段一典型断面为原型，通过数值分析研究了不同防渗墙深 度，渗透系数以及灌注桩强度，深度等技术参数对工程安全方面的影响，为今 后相关设计提高参考依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 工程位置与任务 第2 章工程概况 马銮湾地区的基本地形特征是背山面水。1 9 5 7 年开始兴建盐场，1 9 6 0 年建 成马銮海堤，海堤全长16 5 5m ，项宽7 - - 9m ，堤顶高程约6 0m ，堤顶有简易公路 通过。在海堤北端部建有排洪闸7 孔和排水闸4 孔，在南端部建有排洪闸6 孔， 在此闸的稍北处有纳潮闸3 孔，地理位置如图1 。随着时代的变迁，马銮海堤 原有功能也失去其意义，为配合厦门市建设海湾城市的总体规划，决定对其进 行开口改造。该项目承担了增加西海域纳潮量、改善西海域水动力条件的功 能；城市防潮防洪功能；城市道路和水上交通功能；市政设施载体的功能；城 市景观和观景旅游功能等。 厦门马銮海堤开口改造工程开口位置在海堤中部向北偏移约9 5 米处，总 开口净宽2 2 8 米。包括： 1 、新建一座9 孔挡潮闸( 每孔净宽2 4 米，闸底坎高黄零5 2 4 米) ，闸内 布置上下两扇闸门，各高6 米； 2 、新建一座1 2 米宽、5 0 米长、闸底坎高黄零一6 2 4 米的单线双向通航船 闸； 3 、新建一座4 1 4 米长、1 5 5 米宽( 其中三车道宽1 1 5 米) 、最高桥面标 高黄零1 1 2 4 米的交通桥，与新阳大桥形成上下行车道； 4 、改造加固马銮海堤，使海堤满足1 0 0 年一遇的防潮标准和5 0 年一遇的 防洪标准要求，其中包含增设闸桥南北端部观光园、加固海堤外侧防浪墙、护 岸结构和增设海堤内侧护岸长约1 3 1 0 m ；海堤顶面宽度由7 9 米加宽到2 2 米； 5 、改造马銮海堤上现有市政设施( 包含改造11 0 k v 架空高压线、1 0 k v 动 力电缆、军用光缆、通讯光缆、工业氮气管、化工管道和d n l 0 0 0 给水管等) ， 新建d n l 0 0 0 污水管，以及新阳大桥桥墩的防护。 为提供海堤开口改造主体工程( 挡潮闸) 的干地施工条件，并保证海堤上现 有市政管线施工期的安全，在建设挡潮闸的场地利用现有马銮海堤5 3 0 m 作为 外围堰，在湾内新建一条长6 3 3 m 的内围堰，形成面积3 8 5 0 0 m 2 左右的基坑， 确保挡潮闸工程j l 颐, n 施工。基坑内开挖深度高程一8 3 4 m ，与湾外潮位水位差近 1 2 6 m ( 按2 0 年一遇高潮位计算) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 马奎湾自然条件 2 2 1 地形 图2 - 1 马奎湾区位置图 釉嚏哆日i 马銮湾区域的基本地形特征是背山面水，西北是天竺山山脉，南部是文圃 山蔡尖尾山游宅城山新娘山，马銮湾位于中部，周边陆地呈马蹄 形状围合在南、西、北i 丽，东侧开e l 与厦门西海域相接，形成典型的海湾地 形特征和依山、滨海的生态景观基本地势是从南、西、i l - - 侧向马套湾水域 倾斜，其间分布有一些突起的小山丘，地形略有起伏。大部分地域的高程为 1 0 2 0 米，一般村庄都坐落在高处。滨水地带则比较低洼，高程在3 米以下， 大部分为虾池鱼塘。 2 2 2 气候 马銮湾区域属亚热带海洋性气候，全年温湿多雨，四季如春，夏无酷暑，冬无严 霜。多年平均气温2 0 8 c 最高气温3 8 5 c ，最低气温2 c 。年平均风力2 级左右 平均风速3 5m s 夏秋之间受太平洋热带风暴影响，常有台风在本市或附近沿海 登陆，台风登陆时最大风力可达1 2 级以上，风速3 8m s 以上。东南方向极端最大 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 达6 5 r n s 。据统计，6 级以上大风的最多风向为东北风，频次占2 6 ，对施工有较大 影响。 本地区春夏季以s e 向风为主，秋冬两季以n e 向风为主，每年五六月下 午常有较强n e 或s w 向风，平均风力3 4 级，最大5 “级，瞬时极大风力可 达7 8 级。 本地区年平均降雨量l1 9 7 m m ，最大2 1 2 2 m m ( 1 9 3 1 年) ，最6 5 4 m m ( 1 9 1 0 年) 。4 - 9 月降雨量约占全年的3 4 。暴雨频发时间集中4 9 月，类型为锋面雨 和台风暴雨，一次暴雨持续时间一般不超过3 天。特别是台风暴雨时间段，强 度大，还伴随大风，沿海地区如遭遇天文大潮，其危害更大。 2 2 3 溪流 马銮湾地区的河流水系比较短小，本区流域面积约1 2 3 平方公里，周边原 有9 条溪流汇入海湾，由于新阳工业区的开发建设，现还剩6 条。其中，4 条 较大的溪流发源于西北高山地区，5 条较小的溪流发源于南部中低山区。溪流 上游多建有蓄水工程，下游区段与灌溉沟渠串通，形成纵横交错的水网。 2 2 4 水域 马銮湾原有水面面积约2 2 平方公里。1 9 5 7 年开始在马銮湾南岸新坡、霞 阳村北侧建设盐场，1 9 6 0 年马銮海堤建成后，马銮湾与西海域之间的水体交换 功能完全受阻，成为封闭的水体。海堤两端的排洪闸定时排水入西海域，湾内 水位基本不受堤外潮汐涨落的影响。1 9 8 4 年以来，马銮湾成为水产养殖基地， 同时兼有排洪蓄洪功能。随着水产养殖的大规模发展，马銮湾的水域面积已经 缩减为4 5 k m z 左右。 2 2 5 水质 改革开发以后，随着经济的发展，区内盐田逐步被改为水产养殖，且发展 迅速，逐步向湾中深水区发展。除排洪期和虾池排灌水时开启闸f - j 多 l - ，一般湾 内水流停滞，湾内水位基本不受潮水影响。在此水体近于停滞的马銮湾内，过 量养殖所造成的过剩饵料和鱼类的排泄物，是湾内水质污染的首要因素；来自 海湾周边农田的化肥和磷流失入湾也是重要的污染源。据测算，湾内总氮量为 7 1 7 t a ，磷为0 1 t a 。此外，湾内每年还接纳杏林工业区工业废水。 据国家海洋局三所1 9 9 6 年3 月监测结果，马銮湾水域无机磷测值：二类 海水水质标准的超标率达8 0 ，三类超标率达4 0 ；总无机氮( t r n ) 的监测 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 值：三类水质超标率达1 0 0 。由此可见马銮湾已属于富营养化水域，该湾海 水水质已不符合第三类标准要求。 虽经过湾内养殖清理整治之后，水质有所改善，但由于现状水体与西海域 基本隔绝，几近一湾死水，城市和农村的污水继续排入湾内，使湾内水质仍然 超四类海水标准。 2 2 6 动植物状况 植被：马銮湾区域植被生态属闽东南低丘台地，山坡地次生林，淡水水生 植物和盐生植物类型，现状植物主要有农田作物植被，小块状的林族林片、果 园果树、道路绿化及湿生植被等。 鸟类：马銮湾区域有鸟类近6 0 种，主要优势种群为白鹭、池鹭、白头鹎、 家燕等，国家二级珍稀濒危鸟类有黄嘴白鹭、褐翅鸦鹃等。在其北岸人为干扰 较少的树林还有几处白鹭繁殖地。 2 3 马奎湾海洋水文 马銮海堤外属正规半日潮，特征潮位女n - f - ( 黄海基准面) ： 历年最高潮位4 5 3 m( 1 9 3 3 1 0 2 0 ) ，历年最低潮位3 3 3 m ( 1 9 2 1 2 2 4 ) ，年平均高潮位2 4 2 m ，年平均低潮位1 5 4 m 。平均海平面 0 3 3 m ，最大潮差6 9 2 m ( 1 9 3 3 1 0 2 0 ) ，平均潮差3 9 8 m ，最小潮差0 9 9 m ( 1 9 6 9 1 0 5 ) ，平均涨潮历时6 h 8 m i n ，平均落潮历时6 h 2 2 m i n 。5 0 年一遇高 潮位4 4 1 0 米，5 0 年一遇低潮位3 2 4 2 m ，2 0 年一遇高潮位4 0 9 8 m ，2 0 年一遇 低潮位3 2 0 2 m 。 2 4 工程地质条件 马銮湾海堤及湾内围堰工程场地岩土层特征及分布，在钻孔揭露深度范围 内的岩土层按成因、形成顺序和岩性可分为：淤泥、素填土一l 、素填土 一l a 、抛石帅、抛石a 、抛砂一3 、填砂帅、淤泥质粘土、砂 质粘土粘土一l 、含泥中粗砂- 2 、淤泥质粘土一3 、残积砂质粘性土 、全风化花岗岩、砂砾状强风化花岗岩一l 、碎块状强风化花岗岩一 2 、中风化花岗岩、微风化花岗岩共1 4 层。现综合概括描述如下： 淤泥( q 4 m ) ：灰黑色，饱和，一般呈流动状态，局部流塑状。含有机质， 少量植物残骸、贝壳，有臭味。局部混少量中细砂。该土层为近代淤积形成， 欠固结，含水量一般高达1 5 0 以上，属工程性能极差的软弱土层。该层主要 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 分布于拟建船闸及围堰范围，其层厚0 6 5 6 m ，层顶黄海高程为1 8 0 - 1 2 3 6 m 。 一1 素填- - ( q 4 m 1 ) ：褐红、杂色，稍湿饱和。松散稍密。主要填料 为砂质粘土，局部含少量碎石、块石。在马銮海堤的堤顶范围，该层顶面 0 6 - - 0 9 m 左右为沥青路面及碎石垫层。回填时间约4 0 年，属老填土，己完成 自重固结。该层中上部一般有一定的压实，下部未经系统压实，密实度及均匀 性较差。其标贯校后击数为2 o 8 0 击，平均3 8 击，标准值3 6 击。根据击 实试验，其最大干密度为1 7 0 ，最优含水量为1 4 8 。陆地上钻孔均有揭露该 层。其层厚一般3 6 - - 15 3 m ，层项黄海高程为一1 0 9 - - 6 0 5 m 。 一l a 素填土( q 4 m 1 ) ：灰黄色夹砖红色，松散，稍湿饱和。主要填料主 要为中粗砂、砂质粘土及强风化花岗岩石渣，局部含少量碎石、块石。该层为 近期围堰施工回填土，未经系统碾压，土质松软，均匀性差。主要分布在围堰 顶部及围堰迎水侧堰体上，在围堰项部该层揭露厚度0 3 1 3 m ，围堰迎水侧 z k l l 2 、z k l l 3 两钻孔揭露该层厚度分别为5 9 m 和3 9 m ，揭露层顶标高分别为 2 7 5 m 和3 0 4 ，由于z l ( 1 1 2 和z l l l 3 位置该层底部有铺设防水土工布，为了不影 响其防水功效，两钻孔均未钻穿该层土。 一2 抛石( q 4 m 1 ) ：灰白、褐黄、黑灰色，稍密中密，饱和。主要成分 为直径l o - - 5 0 c m 的微风化花岗岩碎、块石，充填2 0 , - - 4 0 左右粘性土、中粗 砂。回填时间约4 0 年，己完成白重固结。但该层属抛填，其块石大小、成 分、充填情况及密实度等的均匀性较差。海堤范围大部分钻孔有揭露该层，其 层厚0 9 - - - 1 9 9 0 m ，层顶埋深o 7 1 4 o m ，层顶黄海高程一般5 5 3 - - 一1 0 2 m 。 一2 a 抛石( q 4 m 1 ) ：灰白色，稍密中密，饱和。直径3 0 - - - - 5 0 c m 为主， 部分直径达1 0 m ，块石间充填1 0 - - 3 0 碎石，底部1 0 - - 2 o m 一般充填有淤 泥。该层为近期围堰施工抛填的块石。围堰顶部所有钻孔及少数围堰边缘钻孔 有揭露该层，揭露厚度1 2 0 1 3 6 0 m ，层顶标高5 1 0 - - 1 o l m ，层底标高一般 略低于原海底地形标高，变化趋势与原地形基本一致。 一3 抛砂( q 4 m 1 ) ：浅黄、灰黄色，松散稍密状，饱和。成分一般以 粗、中砂为主，局部含少量细砾、碎石。含泥质约1 0 - 2 0 ，0 。回填时间约 4 0 年，已基本完成自重固结。均匀性差。其标贯校后击数为5 7 - 1 5 7 击，平 均9 5 击，标准值9 0 击。海堤范围大部分钻孔有揭露该层，其层厚0 9 9 5 m ，层顶埋深3 4 - - 1 7 9 m ，层顶黄海高程为8 9 4 - - 1 3 3 4 m 。 o - - 3 a 填砂( q 4 m 1 ) ：浅黄、灰黄色，呈松散状态，饱和。成分一般以细 砾、粗为主，中粗砂含量1 0 - - 2 0 ，含泥质一般小于5 ，含较多贝壳碎块。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 属近期围堰施工回填的砂层，填料来源于海积砂。主要分布于围堰迎水侧堰 体，素填土卜- l a 层上部。 淤泥质粘土( q 4 m ) ：灰黑色，流塑，饱和。含有机质，少量植物残骸、贝 壳，有臭味。局部混约1 0 - - 4 0 左右的石英中粗砂。该层局部分布，其层厚 0 5 - - - 5 7 m ，层项埋深0 0 - 2 1 2 m ，层项黄海高程为0 1 1 8 9 2 m 。 一1 砂质粘土粘土( q 4 8 1 叫) ：灰褐、灰黄，