戍浦江河口大閘樞紐工程鋼管樁框格填土圍堰的設(shè)計(jì)與施工

江興南,沈建新

(1,浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心,浙江 杭州 310012,2.湖州市南潯鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心,浙江 湖州 313000)

0 引 言

沿海地區(qū)河口水利樞紐工程,地基一般為深厚軟基,且多為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土.選擇施工圍堰方案時(shí),由于混凝土圍堰、圬工圍堰的基礎(chǔ)處理技術(shù)復(fù)雜、投資較大,一般不作為比選方案;而軟基上常用的土石圍堰也因斷面過(guò)大,往往影響施工期間的河道通航等功能,或者妨礙樞紐建筑物的布置,不宜作為推薦方案.采用鋼管樁框格填土圍堰,具有適應(yīng)地基變形性能強(qiáng)、斷面較小、投資較省、施工方便等特點(diǎn).

溫州戍浦江河口大閘樞紐工程、瑞安下埠水閘工程選用了較大規(guī)模的鋼管樁框格填土圍堰.實(shí)踐證明,圍堰方案是成功的.

溫州戍浦江河口大閘樞紐工程位于戍浦江入甌江河口,由擋潮閘、通航設(shè)施(升船機(jī))、江堤等組成,工程等別為Ⅱ等,主要建筑物為2級(jí).地層依次為粉質(zhì)粘土、淤泥、含泥砂礫石.該工程采用“全段圍堰法”施工導(dǎo)流,上游圍堰擋戍浦江洪水,下游圍堰擋風(fēng)暴潮及甌江洪水.由于上游圍堰緊靠導(dǎo)流明渠上游出口,下游圍堰外側(cè)緊靠甌江,圍堰底寬不宜太大.經(jīng)方案比較、優(yōu)化,上下游圍堰均采用鋼管樁框格填土圍堰.上游圍堰頂長(zhǎng)約199 m,下游圍堰頂長(zhǎng)約241 m,堰頂高程為▽5.8 m,最大堰高近11 m,在同類圍堰中其規(guī)模屬浙江省之最.圍堰于2003年11月開(kāi)工,工期為 4個(gè)月,至2005年12月進(jìn)行圍堰拆除.主體工程施工歷經(jīng)兩年,而2004年、2005年是浙江歷史上臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)和重發(fā)的2年,2004年先后有7個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸或影響浙江,2005年臺(tái)風(fēng)的影響則更為嚴(yán)重,其中強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)均在溫州地區(qū)都產(chǎn)生了強(qiáng)降水,給戍浦江河口大閘樞紐工程度汛造成了極大威脅.而由于圍堰設(shè)計(jì)合理,施工把關(guān),維護(hù)到位,確保了工程的安全度汛.

瑞安下埠水閘工程位于下埠河入飛云江河口,由船閘、水閘、堵壩、避風(fēng)港等組成,工程等別為Ⅱ等,主要建筑物為2級(jí).淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地層約有40 m厚.工程采取“兩期兩段”式施工導(dǎo)流.由于樞紐建筑物布置的局限性,以及施工期間導(dǎo)流河段有通航要求,因此要求縱向圍堰斷面不宜過(guò)大.縱向圍堰采用了鋼管樁框格填土圍堰,堰寬為6 m,最大堰高約為7.7 m,堰長(zhǎng)約340 m.縱向圍堰于2006年10開(kāi)工,工期3個(gè)月.一期主體工程已于2009年順利建成.

以下是戍浦江河口大閘樞紐工程圍堰的典型斷面圖,見(jiàn)圖1.以此為例,說(shuō)明鋼管樁框格填土圍堰設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)的一般原則及方法.

圖1 鋼管樁框格式內(nèi)填土圍堰橫斷面圖

圖2 鋼管樁框格式內(nèi)填土圍堰節(jié)點(diǎn)連接圖

1 設(shè) 計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]

戍浦江河口大閘樞紐工程主要建筑物擋潮閘為2級(jí)建筑物,相應(yīng)導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)建筑物,按土石圍堰相應(yīng)洪水重現(xiàn)期為10～20 a.考慮上游澤雅水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)后下泄流量消減過(guò)程及兩岸河谷平原分洪情況,洪水重現(xiàn)期取下限10 a,相應(yīng)最高洪潮位▽5.27 m,設(shè)計(jì)洪峰流量為469 m3/s.

1.2 圍堰斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 鋼管框格結(jié)構(gòu)

圍堰頂寬7 m,上下游兩排采用直徑 Φ=219 mm、壁厚δ=6 mm、間距60 cm鋼管樁,鋼管內(nèi)用河砂灌實(shí),鋼管插入河床底部深度一般為堰高(懸臂段)的1.1倍以上.兩排鋼管樁在橫向上均采用四層[100型槽鋼圍檁連接,頂部三層與單根鋼管樁之間采用焊接連接,底部一層與水平拉桿也焊接成一體,以初步形成鋼管樁框格.兩排鋼管樁之間還采用了四層水平拉桿連接,每層拉桿水平間距為120 cm,上下層交錯(cuò)布置,頂部一層和底部?jī)蓪永瓧U采用[63型槽鋼,另采用 Φ 25 mm鋼筋].至此形成了整體的鋼管樁框格結(jié)構(gòu).

1.2.2 防滲體

兩排鋼管框格里側(cè)先鋪設(shè)一層竹排子,竹排子面層設(shè)加厚塑料膜,而后框格內(nèi)填土料,水位以下部位填筑袋裝粘土,以上直接填筑粘土.

1.2.3 鎮(zhèn)壓層

圍堰基礎(chǔ)范圍通設(shè)一層高強(qiáng)度的土工格柵,鋼管框格上下游兩側(cè)土工格柵上拋填鎮(zhèn)壓層,鎮(zhèn)壓層底部填袋裝粘土,上部拋大塊石.鎮(zhèn)壓層尺寸需通過(guò)抗傾覆等穩(wěn)定復(fù)核驗(yàn)算.

1.2.4 子堰

在圍堰頂部可設(shè)袋裝粘土子圍堰.

1.3 圍堰穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算原則[3]

1.3.1 抗傾覆計(jì)算

計(jì)算工況:外水位采用十年一遇最高洪潮位,基坑無(wú)水.

計(jì)算公式為:抗傾安全系數(shù)Ks=Mr/Ma

式中:Mr—抗傾覆力矩,kN·m;

Ma—傾覆力矩,kN·m.

Mr=Mr1(被動(dòng)土壓力抗傾力矩)+Mr2(堰體自重抗傾力矩)+Mr3(鋼管樁抗傾力矩)

Ma=Ma1(水傾覆力矩)+Ma2(主動(dòng)土壓力傾覆力矩)

安全系數(shù)Ks應(yīng)大于規(guī)范規(guī)定值3.

1.3.2 圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算

采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧簡(jiǎn)單條分法.工況條件同2.3節(jié).計(jì)算公式為:

式中:Wi—土條i重量,kN;

φi—土條 i滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)粘土摩擦角,°;

αi—土條 i法向力與重力夾角,°;

ci—土條i滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)粘土凝聚力,kPa;

li—土條i滑動(dòng)面長(zhǎng)度,m;

J—鋼管剪應(yīng)力,kN/m2;

A—鋼管截面積,m2;

F—土工格柵單位寬度拉力,kN/m;

B—土工格柵有效寬度,m.

安全系數(shù)Ks應(yīng)大于規(guī)范規(guī)定值1.05.

1.3.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算

計(jì)算簡(jiǎn)式:Ks=ic/i.

式中:ic—堰體抗?jié)B土體的臨界水力坡度,%;

i—堰體底部土的滲流水力坡度,%.安全系數(shù)Ks要求大于2.0.

1.3.4 基坑外側(cè)抗隆起計(jì)算

式中:D—鎮(zhèn)壓層深度,m;H—圍堰高度,m:

q—地面超荷,kN/m2;

c—淤泥地層抗剪強(qiáng)度,kPa;

r1—圍堰內(nèi)各土層天然重度的加權(quán)平均值,kN/m3;

r2—鎮(zhèn)壓層各土層天然重度的加權(quán)平均值,kN/m3;

Nq、Nc—地基極限承載力的計(jì)算系數(shù).

安全系數(shù)KL根據(jù)規(guī)范并結(jié)合工程實(shí)際情況取定.該工程取大于1.3即可.

1.3.5 圍堰及壓重體擠淤深度計(jì)算

計(jì)算公式為:

式中:H—填筑體高度,m;B—填筑體寬度,m;

Cu—淤泥抗剪強(qiáng)度,kN/m2;

γs—淤泥容重,kN/m3;

γ—填筑體容重,kN/m3;

D—擠淤下沉深度,m.

2 圍堰施工[4]

圍堰施工程序:河槽橫斷面測(cè)量→施工準(zhǔn)備及下料→鋼管樁插打→底部土工格柵鋪設(shè)→底層橫向槽鋼及水平拉桿連接→竹排子鋪設(shè)→加厚塑料膜鋪設(shè)→上部橫向槽鋼及水平拉桿連接→鎮(zhèn)壓層施工→圍堰內(nèi)袋裝粘土填筑→圍堰內(nèi)粘土填筑→圍堰頂部子圍堰施工.

2.1 河槽橫斷面測(cè)量

在圍堰施工前,需對(duì)現(xiàn)狀河床斷面進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,根據(jù)河床橫斷面圖確定鋼管插入深度.

2.2 鋼管插打

由8 t汽車起重機(jī)將鋼管吊至運(yùn)輸船,再由運(yùn)輸船送至60 t駁船上備用.駁船用4只鐵錨和4臺(tái)1 t卷?yè)P(yáng)機(jī)固定,龍門架上配2 t卷?yè)P(yáng)機(jī),采用3 t振動(dòng)錘打樁機(jī)插打鋼管樁.

2.3 土工格柵鋪設(shè)

土工格柵從鋼管樁上方穿入,沉入河底,及時(shí)用袋裝粘土壓平.采用兩條小船配合鋪設(shè)施工.

2.4 竹排子及塑料膜鋪設(shè)

將事前制作的整體竹排,沿鋼管樁采用袋裝粘土壓重沉放,竹排搭接20 cm.沿竹排內(nèi)側(cè)鋪設(shè)一層加厚塑料膜,塑料膜需搭接50 cm.

2.5 橫向圍檁與水平拉桿施工

水下橫向圍檁與水平拉桿,宜在水上焊接成整體框架(如每12 m一片),采用手拉葫蘆沉放到位,再進(jìn)行侯潮焊接作業(yè)或潛水員配合水下連接施工.

2.6 袋裝粘土和粘土填筑

袋裝粘土采用船運(yùn),人工拋投;自卸汽車運(yùn)粘土,推土機(jī)推土進(jìn)占.必須充分考慮施工荷載、施工機(jī)械對(duì)鋼管樁框格的影響,防止鋼管樁傾斜變形甚至失穩(wěn).可待圍堰沉降基本穩(wěn)定后,或在主汛期前進(jìn)行堰頂路面及子堰施工.

2.7 護(hù)腳施工

鎮(zhèn)壓層的袋裝粘土、塊石拋填施工必須與心墻粘土填筑同步進(jìn)行.

3 圍堰的使用、維護(hù)與防臺(tái)度汛措施

3.1 基坑排水階段

應(yīng)緩慢降低水位,防止圍堰向基坑內(nèi)滑動(dòng).在大潮汛,可排水一天,停排觀察一天.

3.2 基坑開(kāi)挖階段

嚴(yán)格執(zhí)行批準(zhǔn)的施工方案,規(guī)范施工工序.應(yīng)先打樁后開(kāi)挖,且分區(qū)、分期開(kāi)挖,避免大開(kāi)挖;開(kāi)挖后要及早回填.上下游護(hù)坦、海曼、防沖槽雖不是工期的關(guān)鍵線路,但應(yīng)及早安排施工,既有利于圍堰、基坑穩(wěn)定,還可用作施工場(chǎng)地.

3.3 圍堰監(jiān)測(cè)

應(yīng)設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn),對(duì)圍堰進(jìn)行觀測(cè),并加強(qiáng)日常巡視.戍浦江大閘工程上下游圍堰頂部各設(shè)置4個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)和8個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn).

(1)2004年、2005年臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻發(fā),并遭遇了超標(biāo)準(zhǔn)洪水,局部鋼管、堰體發(fā)生較大變形,采取了地錨、鋼索加固,補(bǔ)拋塊石鎮(zhèn)壓層等應(yīng)急措施.

(2)圍堰局部曾出現(xiàn)滲、漏水現(xiàn)象,分析原因一是由于對(duì)拉條較密,局部存在袋裝粘土或回填粘土架空,形成通道,二是潮漲潮落水位變化頻繁.鑒于滲漏水通道位置難以確診,采取了在小潮汛低水位時(shí)用較稠的水泥漿進(jìn)行灌漿堵漏措施,效果較好.

3.4 防臺(tái)主要措施

每次臺(tái)來(lái)風(fēng)臨前,要做好對(duì)圍堰的查漏補(bǔ)缺工作.若遇強(qiáng)臺(tái)風(fēng)正面襲擊、超標(biāo)準(zhǔn)洪水,應(yīng)研究是否采取基坑預(yù)充水的度汛方案,盡量減少圍堰與基坑的損失.

4 圍堰拆除

選擇非汛期低水位時(shí)進(jìn)行圍堰拆除.順序?yàn)橄韧谶\(yùn)水上部分心墻粘土,拆除上下游鎮(zhèn)壓層的塊石;接著挖除心墻與鎮(zhèn)壓層袋裝粘土,最后拔出鋼管樁.

4.1 粘土拆除

水上部分采用“后退法”施工,采用挖掘機(jī)挖裝自卸汽車運(yùn)出;水下部分采用“抓斗”式挖泥船抓挖,駁船運(yùn)輸.

4.2 鎮(zhèn)壓層的拆除

采用挖掘機(jī)挖除,駁船運(yùn)輸.

4.3 鋼管拆除

100 t駁船作施工平臺(tái),駁船上設(shè)3 t振動(dòng)錘及10 t卷?yè)P(yáng)機(jī)配合拔管.氣割、吊放、駁運(yùn),上岸堆放,回收利用.

[1]中華人民共和國(guó)水利部.GB 50201-94防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1994.

[2]中華人民共和國(guó)水利部.SL 252-2000水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2000.

[3]中華人民共和國(guó)水利部.SL 303-2004水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2004.

[4]中華人民共和國(guó)水利部.SL 274-2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2001:5-14.