九龙江北溪水闸砂体围堰防渗处理设计与施工

九龙江北溪水闸砂体围堰防渗处理设计与施工

1室、2孔旱闸和1座船福建省九龙江北溪水库大桥位于九龙江北溪下游。它建于20世纪80年代，由南北港两座水库组成。这两座水库位于郭玉洲头海滩之间。南港水闸包括15孔闸室、2孔旱闸和1座船闸。北港水闸包括25孔闸室和1孔旱闸。北溪水闸枢纽距北溪汇入九龙江出口3.0km,处于感潮河段,控制流域面积9640km2,主要任务是防洪挡潮、拦河蓄水、引水灌溉,兼向厦门、漳州等城市供水。目前水闸枢纽上游正常蓄水位4.20m,设计洪水位7.58m(P=2%),校核洪水位8.24m(P=0.5%)。南港下游平均高潮位3.79m,平均低潮位-1.12m,最低潮位-1.59m。2加固阶段及工程任务2001年,北溪水闸枢纽经安全鉴定为三类闸,需进行除险加固后才能确保工程安全运行。由于南北港拦河闸为郭洲头所隔,除险加固分2期实施。2003年10月～2004年3月进行南港水闸除险加固,2005年～2006年进行北港水闸除险加固。南港水闸除险加固工程施工任务已顺利完成。现以其为例,介绍砂体围堰在水闸除险加固工程中的应用。根据地质勘察资料,南港水闸和围堰处由上而下依次为粗砂及粗砂夹细砂、淤泥及淤泥质砂、蛎壳淤泥质中砂、粉质粘土、卵石,松散土层总沉积层厚32m,下伏花岗岩等。2.1土石混合围堰或土围堰难点南港水闸除险加固施工导流采用一次性全断面围堰截流,南港水闸断流施工后,水流由北港水闸下泄。围堰设计洪水标准为枯水期(10月～3月)10年一遇,相应的设计洪水位6.62m。闸前上游堰顶高程为7.82m(围堰设计洪水位加风浪爬高加安全超高),堰底高程同闸底板高程,为-2.0m,堰高9.82m。闸下游堰顶高程为5.00m(围堰下游平均高潮水位3.79m加风浪爬高加安全超高),堰底高程最低处为-8.0m,堰高13.0m。由于河道宽度达200m以上,围堰工程量大,采用土石混合围堰或土围堰存在以下问题:材料来源困难,工程造价相对较高,施工工期长。经论证,决定采用河道上下游现有资源—粗砂,形成砂体围堰,既可以就地取材,大幅度降低工程造价,又有效缩短施工工期。2.2砂堰体、堰基渗流失稳支护防渗和控渗是砂体围堰成败的关键。本工程主要采取迎水坡铺设土工膜防渗、上游铺盖延长渗径、背水坡导渗排水等措施防止砂堰体、堰基渗流失稳破坏。2.2.1堰体防渗坡面土工膜铺设施工前,将南港水闸及船闸全部关闭,上游来水通过北港引向下游,南港水闸闸前为静水。采砂船运砂至围堰堰址处,通过皮带运输机输送抛填形成堰体。堰上游边坡比为1∶3,下游高程6.0m～7.82m处边坡比为1∶2.5,高程6.0m以下为1∶3,最大堰高12m。为解决堰体防渗问题,迎水坡面从堰顶延伸至水下过堰脚30m处铺设复合土工膜,堰坡面土工膜上铺压厚30cm的砂袋,堰脚土工膜上铺压厚150cm的砂袋,作为上游铺盖延长渗径;下游堰脚铺设砂袋排水棱体作为背水坡导渗排水。见图1。2.2.2上游围堰围堰由于闸下游为感潮河段,围堰受涨落潮影响,分龙口段和非龙口段两种不同型式。非龙口段同上游围堰;龙口段迎潮水面边坡比为1∶3,背潮水面高程5m～3.59m边坡比为1∶2.5,高程3.59m以下为1∶3,堰体防渗处理和下游棱体排水同上游围堰,堰体中增设袋装砂截流戗堤。戗堤顶宽2.0m,上下游边坡比为1∶1.3,顶高程4.0m。见图2。2.3大坝施工2.3.1渗流式人工装砂填充法围堰于2003年10月1日开始填筑。施工前南港水闸闸门全部关闭,上下游围堰施工同时进行。首先,进行上游围堰下游和下游围堰上游人工袋装砂排水棱体填筑。其次,进行上游围堰和下游围堰非龙口段堰体填筑,具体做法如下:用船只采砂运砂至围堰位置,用皮带机输砂抛填,分段于水中平整成型;出水面后,每填筑50cm高冲水灌注密实,人工修理形成设计断面堰体。第三,先进行围堰迎水堰面复合土工膜铺设并延伸至堰脚上游设计位置,而后进行人工袋装砂铺压和袋装砂压脚,最后抛填压堰脚,形成符合设计要求的围堰结构型式。2.3.2围堰合龙的确定下游龙口段先用船只运输砂袋人工抛填成型,将龙口段两侧已施工完成的非龙口段上下游围堰面用砂袋裹头处理,再用皮带机输砂抛填。围堰合龙选择在低潮—涨潮—高潮周期内进行。复合土工膜、袋装砂压脚、排水棱体填筑等施工方式同上述。2.3.3堰坡整坡整地本围堰工程应达到确保主体工程安全施工和基坑渗水量小。复合土工膜施工效果成为围堰实施成败与否的关键。铺设复合土工膜主要过程如下:(1)堰面整坡:堰体形成后,按不同高程设计堰坡比要求进行整坡。(2)铺设复合土工膜:先将复合土工膜安放在堰顶,自上而下滚铺,再将相邻的复合土工膜卷材向下滚铺,幅边按8cm～10cm整平搭叠焊接,最后铺压砂袋。水下部分需采用人工潜水定位,以做好迎水堰坡、堰脚及铺盖复合土工膜水下长度的正确铺设和搭接工作,这是围堰防渗、控渗成败的关键。本工程围堰工程量约16万m3,其中砂12.97万m3,砂袋2.98万m3,土工膜3.43万m2,仅26天即完成施工任务,确保了主体工程的顺利实施。3基础工程施工结果本工程上下游围堰堰体迎水坡均从堰顶到堰脚铺设不透水的复合土工膜,且通过堰脚各自水平延伸30m。围堰两岸为浆砌石护岸的砂壤土堤。根据工程地质勘察资料,围堰处河床地基上层多为粗砂,厚6m～10m,渗透系数2.04×10-2cm/s(抽水试验值),下层为砂砾层,渗透系数2.54×10-2cm/s。因此,可认为砂堰体和两岸绕渗量不大,基坑渗流量基本来自河床堰基下的粗砂基和砂砾层。主体工程施工期间实际观测结果和上述分析基本一致。围堰合龙形成后,在靠上下游围堰坡脚分别设集水沟和集水坑,将围堰堰基渗水通过集水沟引入集水坑。集水坑中设抽水点,形成日常抽排水系统。渗水趋于稳定后,通过抽水量观测实际渗水量。闸前堰后抽水点:堰前水位由北港水闸控制,由于供水需要,控制在4.0m～4.2m,堰基高程-2.0m。施工期间,正常情况下使用4台额定功率为11.5kW潜水泵每天抽水,日抽水量约26496m3,即307L/s。闸后围堰抽水点:闸后围堰主要受潮水位影响,涨潮时堰前平均高潮水位达3.79m,退潮时最低潮水位为-1.59m,堰基高程-8.0m。由于水头差大,渗水量大,采用分2级抽水方法:在围堰后再做一道子围堰,其堰脚附近同样设集水沟和集水坑。子围堰和围堰之间形成水池,用潜水泵将渗水抽到水池,再从水池将水抽排到下游河道。正常情况下使用5台额定功率11.5kW潜水泵每天抽水,日抽水量约31795m3,即368L/s。通过施工过程的基坑抽水监测,实际每天抽水量0.67m3/s,仅比按综合渗透系数k=2.04×10-2cm/s理论计算渗水量大一些,且未出现管涌、流土等渗流失稳现象。4复合土工膜的铺设和驳岸的搭接本工程实践表明,砂体围堰在土石开采困难、河道中存在大量砂源的地区是一项技术可行、经济合理的设计方案。砂体围堰成功与否主要取决于堰体防渗和控渗措施是否得当。本工程采用迎水坡铺设复合土工膜且过堰脚向前水平延伸30m,土工膜上铺压砂袋;背