淤泥地質(zhì)下模袋砂水閘圍堰施工技術(shù)的應(yīng)用

于建星

（南水北調(diào)中線干線保定管理處，河北 保定 071000）

1 問題的提出

唐河灌區(qū)總干渠位于保定市西南部，灌溉水源為西大洋水庫，總干渠全長43 km?？偢汕讟屑~地處太行山東麓沖積扇平原，設(shè)計流量68 m3/s，主要有溢流閘、引水隧洞、沖砂閘等建筑物，引水渠首以上控制流域面積12547 km2，渠首以下測站年平均來水量78139萬m3。引水樞紐水閘近年來出現(xiàn)不均勻沉降問題及防洪標(biāo)準(zhǔn)逐年降低，對水閘防洪排澇作用的發(fā)揮十分不利。為此必須按照區(qū)域城鄉(xiāng)水利防災(zāi)減損應(yīng)急工程建設(shè)50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閘壩重建。聯(lián)合閘圍堰基礎(chǔ)長度867.65 m，重建工期緊、工序復(fù)雜，淤泥質(zhì)地基軟弱，所以圍堰結(jié)構(gòu)型式確定及地基加固方案的合理選擇是保證圍堰填筑及施工的關(guān)鍵。

工程圍堰基礎(chǔ)層淤泥質(zhì)厚23.5 m，淤泥質(zhì)層含水量較高、孔隙比大，承壓力弱，圍巖沉降大，淤泥擾動、滑塌普遍，物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。為保證淤泥質(zhì)地基良好的排水性，防止其可能出現(xiàn)的塑性流動及局部性剪切破壞的發(fā)生，工程水閘圍堰填筑高度不能超出天然地基臨界點(diǎn)高度。

表1 工程圍堰基礎(chǔ)淤泥質(zhì)地層物理力學(xué)性能指標(biāo)

淤泥地質(zhì)下淤泥層圍堰地基堆載高度臨界值按下式計算：

式中：hcr為淤泥層圍堰地基堆載高度臨界值，m；Cu為淤泥層剪切強(qiáng)度，kPa；γ 為填料容重，kN/m3，本工程取 γ=15.8 kN/m3；F為安全系數(shù)，本工程取F=1.2。

設(shè)計水位以地面高程-2.5 m為基準(zhǔn)確定的平均潮位0.58 m計算，淤泥層剪切強(qiáng)度12.43 kPa，則根據(jù)式（1），工程圍堰地基臨界堆載高度按3.62 m確定，高于天然地基臨界堆載高度，為此必須加強(qiáng)淤泥質(zhì)地基處理，保證圍堰邊坡填筑、基坑開挖等施工穩(wěn)定。

2 淤泥地質(zhì)條件下水閘圍堰施工技術(shù)的比選

水閘在水利樞紐工程防洪攔水、泄洪排水等過程中發(fā)揮著重要作用，水閘建設(shè)與工程地質(zhì)密切相關(guān)，尤其在淤泥質(zhì)地質(zhì)條件下，必須重視水閘施工技術(shù)的選擇與優(yōu)化。目前，水利樞紐工程中常見的水閘圍堰施工技術(shù)包括土石圍堰、砼圍堰、鋼板樁圍堰、模袋砂圍堰及爆破擠淤圍堰等。模袋砂水閘圍堰施工技術(shù)施工速度快、機(jī)械化水平高、造價低廉、灌砂效果良好，護(hù)岸效果明顯，抗沖刷性能穩(wěn)定，模袋砂的選擇有利于砂石材料的就地取材，所以，本工程優(yōu)先選用模袋砂水閘圍堰施工，并根據(jù)工程淤泥質(zhì)地質(zhì)條件實際進(jìn)行模袋砂圍堰施工技術(shù)優(yōu)化，提出充填模袋砂、砂包壓腳，塊石壓腳加固的圍堰工藝[1]，能有效解決工程淤泥質(zhì)軟土地基所面臨的圍堰施工沉降[2]顯著、穩(wěn)定性差等施工問題。

3 模袋砂水閘圍堰施工工藝及操作要點(diǎn)

3.1 模袋砂水閘圍堰施工工藝

本渠首引水樞紐水閘圍堰通過將深木樁打入圍堰基礎(chǔ)，將其重力及所承受水壓力傳遞至深層基礎(chǔ)，也可以提升圍堰承載力。這一方案在高水位時不會引起圍堰水平位移，深木樁常設(shè)置于圍堰坡腳處，用模袋砂填筑圍堰基礎(chǔ)。這種處理方法能有效提升圍堰基礎(chǔ)承載力，圍墩設(shè)置于坡腳，抗滑穩(wěn)定性也能有效提高，但是水上打樁必將增大施工難度和施工成本[3]。

考慮到本渠首引水樞紐水閘圍堰的特殊性，其承載力提升模袋砂水閘圍堰施工基礎(chǔ)設(shè)計方案如下：充分利用牛皮砂材料所具有的不透水性和良好的彈塑性特征，進(jìn)行水閘圍堰大面積牛皮砂換填，從而增加水閘圍堰受力面積，提升圍堰整體性及基礎(chǔ)承載力。水閘圍堰岸坡處5 m以內(nèi)填筑土工膜袋裝砂+黏土心墻，并設(shè)置反壓平臺，保證水位升高工況下水閘圍堰的抗傾覆性能。本工程水閘圍堰施工以砂為基礎(chǔ)性筑堰材料，在有效控制圍堰自重的基礎(chǔ)上有利于圍堰荷載自身沉降控制，加強(qiáng)防滲，與此同時，模袋所具有的強(qiáng)度能擴(kuò)展堰體受力面積，增強(qiáng)圍堰剛度，相對縮小堰體反壓承臺壓力。為此，本工程水閘圍堰設(shè)計施工采用并形成了“模袋砂圍堰，砂包壓腳，塊石壓腳”的圍堰施工工藝，見圖1。

圖1 水閘圍堰典型斷面

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 模袋砂材料的選用

工程水閘圍堰基礎(chǔ)填筑及模袋砂充填均選用粒徑0.1 mm以上顆粒含量≥上顆粒的牛皮砂，模袋砂材料黏粒含量≤牛皮砂。規(guī)格200 g/m2、斷裂強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度不小于28kN/m、1.0 kN/m，伸縮率至少32%的腈綸紡織布充當(dāng)土工膜?？紤]到本水利工程水閘圍堰防洪防滲等要求，應(yīng)采用兩布一膜的土工膜防滲結(jié)構(gòu)，并確保結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度不小于25 kN/m，厚度至少0.5 cm，滲透系數(shù) 1.2×10-6cm/s～1.5×10-6cm/s。

3.2.2 基礎(chǔ)充填牛皮砂

先通過絞吸船對河床表面雜物進(jìn)行清基處理，處理完畢后采用100 m吸抽砂船充填牛皮砂至1.5 m厚度，于圍堰背水面設(shè)置10 m厚度的反壓平臺，并將牛皮砂充填層厚度保持在50 cm以內(nèi)。各層牛皮砂充填結(jié)束后設(shè)置基礎(chǔ)沉降點(diǎn)，進(jìn)行持續(xù)1 d～3 d的沉降觀測，無明顯表面沉降后再充填下層。為加強(qiáng)模袋砂鋪設(shè)及質(zhì)量控制，充填牛皮砂的高度應(yīng)為水面高度±沉降觀測。

3.2.3 模袋砂充填

牛皮砂基礎(chǔ)充填結(jié)束后便開始模袋砂充填施工，按照“基礎(chǔ)清理、邊坡整頓→模袋鋪設(shè)→張拉定位→模袋砂充填→鋪設(shè)防滲膜→袋縫內(nèi)填土并加高”的工藝流程填充，單位模袋實際長度基礎(chǔ)上，寬度保持在4 m左右，充填厚度不超過0.45 m，分層交錯鋪設(shè)。充填完2層模袋砂后停工2 d，待其沉降性能穩(wěn)定后繼續(xù)充填。

3.2.4 充灌填料

本工程模袋砂圍堰水閘施工充填砂料從砂場開采后直接運(yùn)至施工場地，到達(dá)后先接入充填管并向砂料中灌水從而形成1∶4固定配比的水砂混合物，同時借助高壓泵與充填管將混合物填入模袋。充填結(jié)束后留足泌水迸漿時間，待模袋內(nèi)牛皮砂充分凝固后二次填充。為保證整個充填過程中模袋內(nèi)充填物的平整性與模袋的飽和度，必須不斷調(diào)整和更換充填管，同時由專人在模袋上連續(xù)均勻踩踏[4]。若高壓泵過高的泵壓（≥20 MPa）導(dǎo)致模袋無法填實，應(yīng)換人工進(jìn)行水砂混合物灌充。為保證模袋砂水閘圍堰結(jié)構(gòu)的整體性與抗?jié)B性，模袋砂之間的接縫材料其防滲性能與伸縮性能必須與模袋砂相同，所以填縫材料還應(yīng)選用牛皮砂。

3.2.5 圍堰沉降位移觀測

為繼續(xù)進(jìn)行模袋觀測，單層模袋砂填充結(jié)束后必須在上下層模袋邊線間設(shè)置沉降點(diǎn)，在上下游每隔5 m設(shè)置一個沉降觀測點(diǎn)，各一排，共設(shè)347個觀測點(diǎn)，同時通過全站儀進(jìn)行沉降位移定期觀測。結(jié)果表明，在本工程水閘圍堰建成至拆除的時段內(nèi)，圍堰沉降偏移均勻，最大累計沉降量（見表2）與位移量分別為18.61 cm和6.9 cm，符合《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50202-2018）要求。

表2 圍堰沉降值統(tǒng)計

4 結(jié)論

本引水樞紐工程采用拋填牛皮砂、砂包包腳，塊石壓腳加固的水閘圍堰施工工藝，基礎(chǔ)處理過程大大簡化，但是圍堰基礎(chǔ)承載力卻并未降低，在工程質(zhì)量與工期得以保障的情況下，施工成本降低。模袋砂的充填使圍堰整體性、防滲性得以強(qiáng)化，通過圍堰的水壓傳遞至兩岸岸坡，有效緩解了水壓對引水樞紐水閘圍堰的不利沖擊。對引水樞紐工程水閘圍堰沉降位移觀測及防滲觀測結(jié)果表明，水閘圍堰施工期內(nèi)，圍堰沉降位移偏移均勻，淤泥地質(zhì)下模袋砂圍堰水閘施工圍巖沉降偏移及防滲均取得了預(yù)期效果。