聚丙烯编织袋充填土斜坡式围堰工程方案研究

聚丙烯编织袋充填土斜坡式围堰工程方案研究

1吴浚港海堤上海外高桥造船基地项目位于长江口南港河段南岸，距长江口下游12公里。位于浦东，距长兴岛对面的河流约6.5公里。基地新堤堤岸线长约1.5km,堤顶高程为8.0m(上海城建吴淞基地,下同),系1994年利用长江边滩围滩造地而成,吹填陆域地面标高在4.50～5.0m之间。基地需建二座干船坞,船坞主要尺寸为1号船坞480m×106m×12.3m,2号船坞360m×76m×14.3m,坞顶地坪标高5.50m,坞口前沿需突出新堤堤岸线150m,因此需建造施工临时围堰一座,围堰平面布置见图1。2工程水文、地形和地质条件2.1水文条件2.1.1最高其最高正常位5.4m外高桥潮型属非正规半日潮,据历年潮位统计资料,潮位特征值如下:历年最高高潮位5.64m;历年最低潮位-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波浪频率及要素该水域的波高绝大部分在0～0.5m,据多年实测波浪统计资料分析,外高桥水域风浪小于1.0m的频率占69.3%,无浪相所占频率为29.4%,大于或等于1.0m风浪频率只占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波高每月平均约9d。2.1.3该趋势本地区近岸地段(10m水深)潮流流速为:潮涨最大为1.82m/s,落潮最大流速为1.47m/s。2.2地形和地质条件围堰所处边滩地形高程为0～-8.0m,坡度约3%。工程区影响范围内土层共有8层,对各层土的物理力学指标进行了实验。3大坝类型选择和路段设计3.1种围堰结构型式围堰结构型式选择与现场施工和材料供应条件有关,本工程地处长江口,工程施工受潮汐、风浪和降雨影响,同时长江口为冲积三角洲,库址附近无石料供应,可供筑坝的土料亦缺。在设计过程中提出过三种围堰型式进行技术经济比较。第一种是格型钢板桩围堰结构型式;第二种是双排钢板桩围堰结构型式;第三种是聚丙烯编织袋充填土斜坡式围堰结构型式。三种围堰结构型式的主要优缺点比较见表1。从表1中可以看出,三种围堰型式在技术经济上以聚丙烯编织袋充填土斜坡式围堰结构型式最优,因此选择聚丙烯编织袋充填土斜坡式围堰结构型式。3.2大坝防护结构3.2.1标准的设计标准(1)从《条件二》原封建筑5.本工程系临时性建筑物,根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》(平原、滨海部分)SDJ217-87,工程等别为一、二等,临时性建筑物级别为4级,因此本工程按4级建筑物设计,围堰上、下游侧堤各150m,按长江大堤标准设计,即一级建筑物设计。(2)设计临床中心案例根据SDJ217-87,4级建筑物设计高潮位20～10年一遇,本工程设计高潮位取20年一遇。设计高潮位(20年一遇)为5.42m;设计低潮位为0.15m。(3)设计主风向风速本工程地处长江口南港河段,围堰外沿直接面临东北向,长江口地区潮汛强台风出现较多的也是东北向,对围堰的浪击影响较大,为设计主风向,本工程设计风速取11级风速。(4)系数安全根据SDJ217-87规定,围堰坝坡稳定安全系数:基本组合为1.15,特殊组合为1.05。3.2.2段设计(1)防浪墙顶高程和围堰顶高程堰顶高程按设计潮位和风浪要求及考虑安全超高,围堰顶高程为8.30m,为了降低投资,采用防浪墙顶高程8.30m,防浪墙高1.20m,围堰顶高程为7.10m。防浪墙结构采用浆砌块石结构,便于拆除。考虑到交通要求,堰顶宽度取5.0m。(2)外侧围堰的围堰设计围堰断面结构型式为聚丙烯编织袋充填砂堰体,围堰基础高程-3.0m以下范围内的堰基先吹聚丙烯编织袋充填土一层厚40～50cm,然后打设塑料排水板,排水板纵横向间距均为1.6m,梅花型布置,排水板打设至-16.0m高程,塑料排水板施工完工后,再铺设一层软体排,软体排上再充填1～6层袋装充填土,对地基进行均匀压载。水下堰体的内外侧,均设置聚丙烯编织袋棱体,两棱体之间吹填砂土,至1.0m高程,形成低潮时,能露出水的堰身,在高程1.0m堰身设聚丙烯编织袋充填土一层,并铺设土工软体排一层,以保护水下堰身受进出堰体潮水的淘刷。高程1.0m以上内外侧亦设置聚丙烯编织袋充填棱体,外侧棱体高程至6.0m,内侧棱体高程至4.0m,棱体之间吹填砂土至设计堰顶高程。围堰基础高程-3.0m以上范围内的堰基,先铺设土工软体排一层,内、外两侧均设置聚丙烯编织袋充填棱体,外侧棱体高程至6.0m,内侧棱体高程至4.0m,棱体之间吹填砂土至设计高程。因堰身为临时性建筑物,因此,围堰的内坡保护比较简单,内坡坡面和堰顶面均用土工反滤布上干砌块石保护,以防雨水冲刷;外侧围堰外坡坡面分水下和水上两个部分。水下采用土工反滤布上抛铺CE131土工网碎石保护,以便于拆除。水上采用土工反滤布上干砌块石,表面水泥砂浆勾缝。上、下游侧围堰各150m,外侧水上护坡,采用浆砌块石护坡,下设袋装碎石垫层和土工反滤布一层,整个围堰外侧消浪采用翼型块体。外侧围堰拆除时,翼形块体可以用于长江大堤外坡消浪。外侧围堰断面见图2。(3)计算成果计算稳定分析采用土石坝规范中瑞典圆弧法,用总应力法计算,围堰稳定计算成果见表2。从表2可知,围堰整体稳定安全系数满足规范要求,同时考虑到地基中存在软弱土层,有可能形成复合滑动面,因此对可能存在的复合滑动面也进行了计算,其最小稳定安全系数均满足规范要求。(4)透水材料渗流计算渗流计算方法为:无防渗措施的围堰渗流计算,按透水地基上的均质坝用水力学法进行计算;设有防渗措施的围堰渗流计算,按透水地基上的斜墙坝水力学法进行计算。渗流计算成果见表3。由于长江口为潮汐河口,堰身内的浸润线随潮位变化而变化,且浸润线的形成有滞后效应,合理的组合是外侧采用平均潮位2.09m与围堰无水组合,其计算的渗流量比较符合实际情况,即453m3/d。由于无防渗措施时渗流量不大,渗透稳定亦满足要求,因此本工程围堰断面中未设防渗措施。(5)堰基沉降量计算沉降计算方法采用《碾压土石坝设计规范》(SDJ218-84)中分层总和法计算,堰基沉降量为:外侧围堰1.62m,上、下游侧围堰1.13m。4笼关式无砂混凝土排工程首先进行底层砂袋的充填,底层砂袋充填完成后进行塑料排水板施工,塑料排水板施工完毕后进行软体排的铺设,软体排分有砂笼和无砂笼两种。无砂笼软体排主要铺设于浅水区,采用人工赶潮施工,砂笼软体排铺设于深水区,尽量选择落潮时段铺排,并需进行准确的定位、固定措施,用拖轮沉排,辅以潜水员进行水下控制排体位置。软体排铺设完毕后进行棱体及堰身施工,先沿堰轴线设多个工作面施工高程1.0m以下土工布袋充填土和外棱体及内棱体,然后将堰身闭气土吹至高程1.0m,高程1.0m以上内、外棱体可同步进展,中间堰身利用袋装土筑横埂成仓以后,台阶状吹填进展,并预留合拢龙口,龙口高程为1.00m,底宽为50m,两侧棱体砂袋坡比为1:3,龙口合拢采用平堵充填龙口砂袋方式,龙口合拢后加高堰身至设计高程,为保护棱体砂袋不致被风浪冲刷,护坡工作应及时完成。5由于存在问题，设计和加固项目5.1充填袋定位错误由于工程施工开工迟,时间紧,施工组织措施不到位,又遇汛期施工,因此在施工中袋装充填棱体的施工控制不好,充填袋定位误差较大,充填袋厚度失控,比设计要求大1倍以上,达1.2m厚,致使袋体之间搭接不好,形成三角形通道,渗流量明显大于设计值,最高时当内侧水位在-3.0m时达2500m3/d。围堰内侧开挖时出现管涌,内坡发生塌陷,无法进一步施工。5.2墙身充填灌浆鉴于渗流量较大,且内坡出现险情,因此需进行防渗设计,防渗设计方案比较了三个方案:一是堤身用充填灌浆,基础用劈裂灌浆;二是均采用高压喷射灌浆;三是用土工膜开槽防渗方式,经设计比较,并经试验采用高压喷射灌浆方案,即在围堰外坡6.0m平台设一高压喷射防渗墙,防渗墙顶高程为6.0m,底高程-15.0m,防渗墙厚度30cm。5.3塑料排水板加固地基的施工在工程方案设计阶段,围堰的稳定安全系数均采用水利水电工程规范进行设计,并经专家审查通过,施工后业主考虑到工程的重要性及行业规程规范要求,通过专家咨询要求将稳定安全系数提高到1.30;另实际施工后经过对地基土钻探取样试验,塑料排水板加固地基并未取得预期效果,因此需进行围堰加固设计。围堰加固设计经多方案比较采用围堰内边坡深层搅拌桩加固土体的方案。深层搅拌桩设置在内坡高程-4.0m～-8.0m之间,共布置19排,搅拌桩桩长18m。6深层搅拌桩加固施工效果上海外高桥船坞围堰1998年2月8日开工,同年6月龙口合拢,9月底竣工,