钱塘江海塘基础防冲工程中塘脚流土成因分析及治理措施

钱塘江海塘基础防冲工程中塘脚流土成因分析及治理措施

杭州郊区的海塘建于20世纪70年代，水库部分是一座倾斜的海塘。近年来,钱塘江江道和水文条件变化大,低水位降低,涌潮加大,河床刷深,沿岸滩地大量冲失,致使堤脚挂空,险情不断,根据保护对象的重要性,确定按100年一遇标准进行堤塘加固建设。以往钱塘江海塘基础防冲工程采用无围堰乘潮施工,质量及施工进度均难以保证。1997年11月底在标准海塘拉锚井式防冲墙护脚工程施工中,采用塑料编织土工布充填土管袋作临时围堰(以下简称“土工袋围堰”)试验获成功。实践证明,该结构能有效地抵御强涌潮冲击,使塘脚基础可做到滩地最大冲刷深度以下,较好地解决了多年塘脚偏高的老大难问题,随后,该土工布充填土管袋围堰在钱塘江南北岸两岸标准塘基础防冲、丁坝、新建堤塘等工程中推广应用。1工程地质概况钱塘江是举世闻名的强潮河口,涌潮最大高度可达3m左右,流速一般6～8m/s,实测最大涌潮压力为70kPa,最大流速12m/s,其动力条件强劲,对海塘、丁坝等各种建筑物破坏力极大。该河段受台风暴潮控制,多年平均高低潮位分别为6.0m和4.63m,历年最高、最低潮位分别为9.85m和2.25m。本工程地质属钱塘江第四纪冲海积平原,地形平坦。地基浅层25m范围内为岩性较为单一的砂质粉土或粉砂土,具有承载力大,压缩性低,抗冲能力低的特点,粉土的颗粒组成见表1,沿线堤塘大方脚外滩地广泛分布宽20～30m,厚2～3m左右的块石层。2土木工程袋尾的设计和施工2.1坝体结构保护方案钱塘江海塘基础防冲保护措施,一般有间接保护和直接保护两大类。间接保护方法多用丁坝,在钱塘江治理中取得较好效果。但河口的下游段,涌潮强劲,且持续临溜,原有一些丁坝常遭涌潮破坏,复建工程量浩大。直接保护方案有垂直保护和水平保护;垂直防冲保护方案有小沉井群、钢筋混凝土板桩、钢筋混凝土灌注桩等防冲墙;水平保护方案有抛石、混凝土、异形混凝土块体、模袋混凝土和分裂式少筋混凝土护坦等。以往施工采用无围堰乘潮作业,丁坝坝头常用装石钢筋笼、环梁挂桩等保护措施,耐久性差,运行维护工作量大。垂直保护措施中,由于施工作业时间短,地基中块石难以彻底清除,导致沉井和板桩间隙大,板桩遇块石难以冲沉到设计高程,常采用截桩处理。异形块体,模袋混凝土和分裂式少筋混凝土等护坦顶面一般需在平均低潮位以上,底脚偏高,仍受底脚掏空的威胁,稳定性欠佳。更有甚者,由于乘潮作业时间过短,护坦的混凝土在初凝前就遭受潮水冲刷破坏。2.2土工袋围堰施工近年来土工织物作临时围堰在水利工程应用已不少,然而在强涌潮地段沿堤线大规模填筑土工袋作临时围堰尚未见报道,与土石围堰比,土工袋围堰具有抗冲能力强、施工工艺简单、施工成型迅速、工程造价低、拆除方便等优点。钱塘江岸滩存在大量粉砂土且便于吹填,基础防冲施工工期短,土工袋因此成为钱塘江斜坡式标准海塘施工的首选围堰堰型,并在钱塘江南北两岸标准塘施工中普遍推广应用。2.2.1工程包装板墙设计(1)工程损失的大小确定根据堤防工程等级以及围堰漫顶破坏后工程损失的大小确定围堰标准。按施工期设计洪(潮)水位+安全超高(0.70m)确定围堰堰顶高程。(2)水平抗滑稳定验算围堰要满足整体抗滑稳定、水平抗滑稳定以及渗透稳定要求。整体抗滑稳定计算公式为:K0=∑(LiCi+WiCosαitgψi)∑WiSinαiΚ0=∑(LiCi+WiCosαitgψi)∑WiSinαi式中:K0—整体抗滑稳定安全系数;Li—土条对应弧长;Ci—土的凝聚力;ψi—土的内摩擦角;Wi—第Ⅰ个土条重量;αi—土条底部滑弧中点切线与水平线夹角。水平抗滑稳定计算需考虑涌潮压力(3～5t/m2)以及支护钢管阻滑作用,计算公式如下:Ks=Gf+F阻HΚs=Gf+F阻Η式中:Ks—抗滑稳定系数;G—计算面上垂直合力;H—计算面上水平合力;f—沿计算面的摩擦系数(0.4);F阻—支护钢管阻滑力。渗透稳定计算公式为:J=ΔHLJ=ΔΗLΔH—水头;L—渗径长度稳定系数须满足K0>1.15,Ks>1.1,J允<0.44(粉砂土)的设计规范要求。(3)土工袋结构及长度袋用土工布的选用与施工期长短、充灌土浆压力、土的颗粒级配及排水固结等因素有关。本工程采用抗拉强度较高的塑料编织土工布制成管袋。编织布的物理力学特性见表2。在强涌潮河段土工袋布的强度可根据水动力大小和围堰高度拟定,通常选用抗拉强度20～40kN/m,单位面积质量120～230g/m2塑料编织布,等效孔经满足O95≤d85的规范要求。本工程河段土工袋围堰顶高程为9.0m,底高程为3.0m。顶宽5m,底宽12～14m,管袋中央设2～4m宽防渗土体,其外侧铺设涂膜编织布,管袋两侧用钢管支撑及对拉固定。根据实践强涌潮地段土工袋选用长度40m,直径为1.5～4.0m比较合适。围堰内侧设置顶宽不少于2m,底宽不小于4m,厚度为1m的粉砂土防渗铺盖(图1)。2.2.2劳动袋结构土工袋围堰施工简单,进度较快,一般在1至2个小潮汛完成。(1)铺设钢管和土工袋a.按设计围堰断面,在小潮汛低水位时,用“冲孔法”水下安插钢管,入土深度为1～2m,而后架设纵、横向钢管,使钢管连成一体,纵、横向钢管随围堰的升高相应调整和接高;b.铺设土工袋,与钢管连接固定;c.输泥管伸入土工袋灌注口内,吹填土工袋至饱和状态。d.两侧土工袋围堰达到一定高度时,中间用泥浆泵吹填土填筑防渗土体。e.围堰使用结束后,大部分钢管可回收。(2)高压系统的配制a.配备20t左右施工用船,装两台(套)100-ZWB-10型泥浆泵,吸入口用蛇皮橡胶软管按需要开挖深度配置莲蓬头,外加直径50cm、高40cm铁栅外罩,配3BS-9Q型高压泵,各接2支5cm软管,再安装有高压喷嘴的镀锌钢管,每台配7.5kW电动机一台。b.施工时用船仓面作为操作平台,锚定船体,放下吸泥管,吸泥管上方设一只1t葫芦,作调节吸土高低用。用人工把持高压水枪冲土,用吸泥泵将泥水混合液灌入土工布编织袋,泥沙沉淀后排出清水。待围堰体高出常水位,将固定钢管拔除,内外两侧编织袋充土。外侧编织袋到高程9.0m,其迎潮面自高程5.0～7.5m覆盖一层编织布,幅宽4～6m。具体做法是在高程5.0m编织袋下压宽2m左右的编织布,多余编织布露出外侧,待堰体吹填到高程7.0～7.50m时将多余编织布拉上包往已充灌的袋顶部,其上加编织土工布充填土袋压牢。围堰内侧编织袋一般到6.0～7.0m高程,围堰体中间吹填土作防渗用,一般宽度不小于2m。3使用示例3.1丁坝坝底结构防冲墙工程钱塘江杭州七格段5km标准塘工程中,在原海塘堤脚外有100m宽的低滩(滩面高程2～3m,即水深约2～3m)填筑了土工袋围堰,围堰结构同前述,底宽最大的20m,顶高程为9.0m。围堰筑成后,改变了以往乘潮作业时间短的局面,使拉锚井式防冲墙施工质量大为提高。丁坝坝头原设计采用环梁挂桩结构,改用大型钢筋混凝土沉井(10m×10m×11.4m,沉井底高程-6.5m)保护。丁坝坝头的稳定性和耐久性大大提高,同时丁坝上下游侧用小沉井(1.0m×1.0m×5.5m),使解决冲刷坑问题成为可能。3.2土石混合式临时围堰法杭州郊区850新闸系在原老海塘上破塘建闸,基坑大开挖至高程1.4m,而闸前围堰结构的安全稳定至关重要,按以往传统做法,需修建20年一遇的土石混合式临时围堰,其造价约4000元/m。经多方案比较,选用土工袋围堰结构,长100m,为防渗需要底宽放大至25m,顶宽6.0m,顶高程9m,中间4.0m宽填粉土作防渗土体,两侧用钢管支撑,围堰防渗土体与两端海塘的防渗土体连成一体。该土工袋围堰造价仅1000元/m,既满足工程建设要求,又可节约工程造价30万元。4问题4.1堰脚表面阻滑海塘施工一般选在弱潮枯水期,有时遇上春雨强且早,遇上游洪水下泄,则堰脚外滩地刷低,底脚淘空,或主流逼近,堰脚变陡,滩地比降过大,易形成滑动,需采用固脚阻滑措施,可抛填块石混合料镇压或铺筑吹填土工袋形成铺盖以阻滑。4.2主袋的损坏塑料编织布抗老化性能较低,安全使用期约3个月,超期后常发生管袋破损引起粉土流失,进而导致围堰失稳。4.3破坏涌潮动力强,波浪爬高较大,大潮汛期潮浪漫顶,易造成堰体损坏,因此施工期宜安排在11月份至翌年的3月份的枯水弱潮期。5基础防冲墙施工作业时间短、施工质量较低采用土工布充填土管袋作为钱塘江海塘基础防冲工程施工的临时围堰在钱塘江标准海塘建设中尚属首次,通过近几年标准塘工程建设实践,有如下几点体会:(1)土工袋临时围堰的应用改变了钱塘江海塘基础防冲工程无围堰乘潮施工作业时间短的局面,施工质量与施工进度有了保证。(2)有利于反铲挖掘机与汽车吊机等施工机械下钱