海域高速公路圍堰填筑及堰體防滲層施工技術(shù)研究

詹書(shū)瑞，張金玉，楚晉陽(yáng)

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

526國(guó)道岱山段改建工程位于浙江省岱山縣，為環(huán)島公路，全長(zhǎng)約23.638 km，其海域段路基長(zhǎng)度為9.783 km，工程內(nèi)容包括海域段軟基處理和路基填筑。海域段路基地處近岸海域?yàn)┩浚貙訛樯詈窈７e淤泥質(zhì)黏土，地基承載力差，設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力管樁、素混凝土樁及塑料排水板的方式進(jìn)行軟基處理，如圖1所示。受海洋環(huán)境影響，需要先在外海側(cè)修建圍堰隔離海水[1]，給海域軟基處理提供無(wú)水作業(yè)面。

圖1 海域公路軟基示意

1 工程地質(zhì)

1.1 地層巖性

海域段路基原始地貌為灘涂，上部分布厚層(20 m～22.6 m)海積淤泥質(zhì)土，流塑狀，工程性質(zhì)差[2]。中下部主要以沖湖積粉質(zhì)黏土為主，灰黃色，局部含礫石，可塑-硬塑狀，工程性質(zhì)較好。下部分布沖擊圓礫，中密狀，局部夾含礫粉質(zhì)黏土。下伏基巖為晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，青灰色、淺灰紫色，巖質(zhì)較硬，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，基巖面起伏大。

1.2 水文地質(zhì)

海域段路基地下水主要為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水?；鶐r裂隙多呈閉合狀，屬貧水層。本工程區(qū)域主要為孔隙潛水，分布于海積平原及灘涂，含水介質(zhì)為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、含礫粉質(zhì)黏土、粉砂、圓礫等，以黏性土為主，滲透性差、水量貧乏，潛水位埋深一般0～1.5 m。

1.3 水文特征

潮汐為不規(guī)則半日混合淺海潮流區(qū)，呈現(xiàn)往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式，潮流較強(qiáng)，最大漲潮流速達(dá)1.82 m/s,最大落潮流速為1.48 m/s，漲、落潮流向穩(wěn)定，且與岸線平行。余流亦較強(qiáng)，一般大于0.1 m/s,最大可達(dá)0.56 m/s。潮流受季節(jié)變化明顯，一般夏季潮流流速大于冬季潮流流速。海域段潮位特征值根據(jù)岱山站觀測(cè)資料，岱山站自1978年—2013年，已有36年連續(xù)觀測(cè)的資料系列，該站歷年最高潮位3.08 m，平均高潮位1.14 m，最低潮位-2.05 m，平均低潮位-0.8 m，平均潮位0.22 m。

1.4 波浪特征

海域波浪以風(fēng)浪及混合浪為主，大浪主要為風(fēng)浪，出現(xiàn)在每年的8月—12月，一般由臺(tái)風(fēng)及秋冬季寒潮大風(fēng)引起。常浪向N～NNE向，出現(xiàn)頻率16.3%，強(qiáng)浪向?yàn)镹NE，實(shí)測(cè)波高3.3 m。

2 圍堰方案比選

圍堰填筑及防滲層施工是海域高速公路的一道關(guān)鍵工序，結(jié)合工程地質(zhì)情況，目前較為常用的有3種方案，即土石圍堰、鋼板樁圍堰、膜袋吹砂圍堰，方案比選見(jiàn)表1。

本項(xiàng)目位于海域?yàn)┩康囟?，根?jù)地勘資料，施工區(qū)域分布厚層海積淤泥質(zhì)土，承載力小，若采用較為現(xiàn)代化的打樁設(shè)備進(jìn)場(chǎng)施工，則需要搭設(shè)鋼棧橋或鋼平臺(tái)，施工費(fèi)用高。因受海洋生態(tài)環(huán)境限制，不允許施工范圍超出紅線占用海洋用地，為保證有效施工范圍，鋼板樁需要打設(shè)在紅線范圍以外。因此，按方案2實(shí)施不合理、不經(jīng)濟(jì)。

表1 方案比選

本項(xiàng)目受海水潮汐影響，海水不斷沖刷圍堰堰體，則需要體積大、自重大的圍堰結(jié)構(gòu)形式，以保證堰體的整體穩(wěn)定性。因海洋日照強(qiáng)烈，膜袋質(zhì)量不易保證。本項(xiàng)目位于海域?yàn)┩康囟危瞪按灰卓拷?。若按方?實(shí)施不經(jīng)濟(jì)，且質(zhì)量不易保證。

采用土石圍堰全斷面一次立堵填筑合龍，可適應(yīng)本項(xiàng)目的施工環(huán)境。在海域軟基處理及路基填筑完成后，可將圍堰修整成為設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，無(wú)需拆除。防滲層所需材料費(fèi)用低，且可就地取材。綜上分析，按方案1實(shí)施可行。

3 圍堰填筑技術(shù)

3.1 單層圍堰及其防滲層

1) 適用條件

水深3 m以內(nèi)、水流流速0.5 m/s～1.0 m/s[3]，退潮時(shí)，海域?yàn)┩柯懵兜囟?，采用單層圍堰及邊坡型防滲層。

2) 工藝原理

單層圍堰采用全斷面一次立堵填筑而成，圍堰坡腳主要依靠海域本身透水性差的淤泥質(zhì)黏土隔離海水，圍堰堰身防水利用淤泥加兩布一膜土工布[4]防水，并增加在圍堰底部采用防滲土工布埋入海積淤泥質(zhì)黏土的方式防水，從而形成一個(gè)整體的防滲系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 單層圍堰及防滲層[5]

3.2 雙層圍堰及其防滲層

1) 適用條件

水深3 m～6 m、水流流速1.0 m/s～2.5 m/s，退潮時(shí)，海域?yàn)┩咳晕挥谒嬉韵碌囟?，采用雙層圍堰及閉氣土芯墻式防滲層。

2) 工藝原理

采用雙圍堰平行進(jìn)占填筑方式，圍堰坡腳主要依靠海域本身透水性差的淤泥質(zhì)黏土隔離海水，雙圍堰之間填筑海積淤泥質(zhì)黏土閉氣，從而形成一個(gè)整體的防滲系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 雙層圍堰及防滲層

4 施工工藝

4.1 單層圍堰及其防滲層施工工藝

1) 圍堰填筑(修坡整平)

K22+480～K22+622.4段海域?yàn)┩棵娓叱梯^高，退潮時(shí)，灘涂暴露在外，外海側(cè)圍堰可采用豎向傾填法全斷面[6]一次立堵填筑[7]。圍堰高度4 m，圍堰頂寬6.5 m，圍堰內(nèi)外側(cè)邊坡坡度1∶2[8]。圍堰填筑后采用挖機(jī)對(duì)圍堰迎水面邊坡進(jìn)行修坡拍實(shí)并填筑片石進(jìn)行整平[9]，如圖4所示。

2) 黏土填筑

圍堰迎水面邊坡整平后，就地取材采用海積淤泥質(zhì)黏土鋪設(shè)20 cm作為防滲基層及找平層，如圖5所示。黏土鋪設(shè)時(shí)保證厚度均勻，不得出現(xiàn)漏鋪、空洞，人工檢查鋪設(shè)質(zhì)量，不滿足要求的進(jìn)行修補(bǔ)，在保證自身質(zhì)量的同時(shí)為防滲土工布提供平整、堅(jiān)

圖4 圍堰邊坡整平

實(shí)的基層[10]。

3) 防滲土工布鋪設(shè)

黏土填筑后進(jìn)行防滲土工布施工，兩布一膜防滲土工布在沿海地帶是常用的防滲材料，有2層無(wú)紡?fù)凉げ技耙粚泳垡蚁┧芰媳∧そM成，具有良好的防滲性能[11]，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖5 圍堰邊坡黏土填筑

表2 防滲土工布主要技術(shù)參數(shù)[12]

土工布鋪設(shè)應(yīng)在干燥暖和天氣進(jìn)行，鋪設(shè)防滲土工布時(shí)，步驟如下：1) 在圍堰頂部采用石塊順圍堰方向?qū)⒎罎B土工布進(jìn)行壓頂，即壓膜墩，尺寸為2 m×0.9 m；2) 從圍堰頂沿邊坡向下徐徐展放防滲土工布至坡底[13]，鋪設(shè)時(shí)不應(yīng)過(guò)緊，應(yīng)留足夠余幅(約1.5%)，以便拼接和適應(yīng)氣溫變化[14]。每幅土工布鋪設(shè)完成后，即用袋裝碎石進(jìn)行壓蓋，防止風(fēng)吹，壓蓋時(shí)，留出焊接寬度；3) 土工布采用溫控粘合機(jī)進(jìn)行熱熔連接，搭接寬度不小于10 cm，接縫從圍堰頂部沿著圍堰邊坡延伸至圍堰底部，不允許出現(xiàn)斜坡上有水平方向的接縫，如圖6所示。

圖6 鋪設(shè)防滲土工布

根據(jù)地勘資料，本項(xiàng)目海域施工范圍內(nèi)分布有層厚約為20 m～22.6 m的海積淤泥質(zhì)黏土，呈流塑狀、透水性差。一般情況下，巖層滲透系數(shù)小于1.157×10-6cm/s可認(rèn)為是不透水層[15]。根據(jù)地勘報(bào)告地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，本工程海域淤泥質(zhì)黏土水平滲透系數(shù)為3.85×10-7cm/s，豎向滲透系數(shù)為3.3×10-7cm/s，屬于不透水層。

在圍堰坡面鋪設(shè)防滲土工布延伸至圍堰底部，下端與海積淤泥質(zhì)黏土相連接，具體做法是在圍堰底部利用挖機(jī)對(duì)底部淤泥開(kāi)挖2 m×2 m(深×寬)的基槽[16]，然后將防滲土工布埋入基槽中，用開(kāi)挖的淤泥進(jìn)行回填，利用防滲土工布及海積淤泥質(zhì)黏土形成整體封閉的外坡型防滲層，防止海水進(jìn)入圍堰內(nèi)。

4) 袋裝碎石壓頂(無(wú)紡?fù)凉げ间佋O(shè))

為防止海水直接沖刷防滲土工布，在每一節(jié)段防滲土工布鋪設(shè)合格后，即用30 cm厚袋裝碎石進(jìn)行壓頂，袋裝碎石擺放平整均勻，并在頂部鋪設(shè)一層無(wú)紡?fù)凉げ迹罱訉挾炔恍∮? m，如圖7所示。無(wú)紡?fù)凉げ季哂辛己玫耐笟庑院屯杆裕墒顾魍ㄟ^(guò)，從而有效截留砂土等細(xì)小顆粒，降低孔隙比。

圖7 袋裝碎石壓頂

5) 大塊石理拋

袋裝碎石壓頂結(jié)束后，最外層用大塊石進(jìn)行理拋。施工時(shí)，由下層向上層逐層理拋，每層寬度不小于2 m，利用大塊石消減海水的沖刷力，對(duì)袋裝碎石及整個(gè)防滲層起到保護(hù)作用，如圖8所示。

圖8 大塊石理拋

4.2 雙層圍堰及其防滲層施工工藝

1) 圍堰填筑(修坡整平)

K20+000～K22+226段海域?yàn)┩棵娓叱梯^低，潮水流速在1.0 m/s～2.5 m/s之間。退潮時(shí)，海域?yàn)┩咳匀晃挥诤Ｋ韵?，無(wú)法使用邊坡防滲層進(jìn)行防滲，考慮海域?yàn)┩棵娓叱碳胺罎B效果，針對(duì)該種海域條件下采用雙圍堰平行進(jìn)占填筑方式。該段落較長(zhǎng)，將該段分成200 m～300 m一個(gè)段落，以避免其中一處滲水而影響整個(gè)圍堰防滲效果。

2) 黏土填筑

海積淤泥質(zhì)黏土天然含水量48.2%，天然孔隙比1.37，飽和度96.7%，水平滲透系數(shù)3.85×10-7cm/s，垂直滲透系數(shù)3.3×10-7cm/s。在雙圍堰填筑成型時(shí)，利用海積淤泥質(zhì)黏土天然的不透水性質(zhì)，填筑在雙層圍堰之間形成隔水層，然后對(duì)圍堰以內(nèi)工作面的海水抽排形成干作業(yè)面。

5 質(zhì)量驗(yàn)收

5.1 圍堰填筑質(zhì)量控制

1) 拋石質(zhì)量驗(yàn)收

為保證圍堰整體的穩(wěn)定性，本項(xiàng)目圍堰底層及坡腳塊石粒徑控制在600 mm×800 mm×800 mm～800 mm×1 000 mm×1 000 mm[17]之間，圍堰中上層塊石粒徑控制在300 mm×400 mm×400 mm～600 mm×800 mm×800 mm[17]之間。

2) 拋石測(cè)量控制

為保證圍堰的范圍、頂面高程、寬度滿足要求，本項(xiàng)目在施工過(guò)程中嚴(yán)格定位，保證圍堰拋石位置精確，不超出紅線范圍。在每層填筑時(shí)，對(duì)圍堰寬度進(jìn)行量測(cè)，以滿足圍堰穩(wěn)定性。在圍堰填筑后對(duì)頂面高程進(jìn)行復(fù)核，保證其高于平均高潮位至少0.7 m。

3) 分層填筑驗(yàn)收

為了防止拋填區(qū)因某個(gè)位置過(guò)量拋填而引起崩塌，或因某個(gè)位置拋填不夠而導(dǎo)致拋填進(jìn)度過(guò)緩，在填筑過(guò)程中對(duì)拋填進(jìn)行分層控制，控制每層填筑寬度、頂面高程及平整度。

4) 圍堰沉降觀測(cè)

圍堰施工完成后，沿著圍堰縱向每隔20 m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，3 d檢測(cè)一次，前3周沉降量較大，第4周開(kāi)始趨于穩(wěn)定，5 d觀測(cè)一次，觀測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 沉降量-時(shí)間變化曲線

5) 質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

圍堰填筑質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 土石圍堰填筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

5.2 防滲層質(zhì)量控制

本項(xiàng)目施工過(guò)程中對(duì)防滲層檢查驗(yàn)收的主要內(nèi)容包括基層，土工布鋪設(shè)方向，土工布的接連或搭接，壓重和防護(hù)層等。

1) 基層質(zhì)量驗(yàn)收

圍堰邊坡黏土鋪設(shè)平整，厚度均勻，無(wú)漏鋪及空洞，無(wú)大塊石尖棱凸起。

2) 土工布敷設(shè)質(zhì)量驗(yàn)收

防滲土工布表面無(wú)機(jī)械(加工)劃痕，無(wú)氣泡和雜物，無(wú)裂紋。防滲土工布敷設(shè)表面平整、無(wú)褶皺、無(wú)孔洞破損。防滲土工布熱熔焊接的焊縫搭接寬度≥10 cm，焊縫質(zhì)量合格。頂部壓膜墩能有效保證防滲土工布不出現(xiàn)滑落現(xiàn)象。底部溝槽開(kāi)挖尺寸能有效保證防滲土工布埋設(shè)深度，不出現(xiàn)防滲土工布外露現(xiàn)象。

3) 壓重質(zhì)量驗(yàn)收

袋裝碎石壓重寬度≥2 m，從下往上逐層錯(cuò)縫碼放整齊，碎石上鋪無(wú)紡?fù)凉げ夹纬煞礊V層，反濾層搭接寬度≥1 m。

4) 防護(hù)層質(zhì)量驗(yàn)收

圍堰外層大塊石理拋每層寬度≥2 m，最外側(cè)大塊石不規(guī)則擺放，能夠有效消減海水的沖刷力。

5) 質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

防滲層施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 防滲層施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

6 效益分析

在同等工程環(huán)境下，選取每100 m數(shù)據(jù)，對(duì)常用的3種圍堰施工方案的施工成本進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 海域公路圍堰施工成本對(duì)比(每100 m)

由表5可知，相同工程環(huán)境下，土石圍堰方案成本較其余方案低，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)束語(yǔ)

1) 526國(guó)道岱山段改建工程海域路基圍堰自2018年5月開(kāi)始填筑，同年8月全部結(jié)束，平均每月填筑2.5 km，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的監(jiān)測(cè)，圍堰沉降趨于穩(wěn)定。

2) 防滲層自2018年9月開(kāi)始施工，同年12月全部結(jié)束，經(jīng)歷3個(gè)月共6次大潮觀測(cè)，圍堰基本無(wú)滲水現(xiàn)象。

3) 該工程實(shí)施效果表明，在海域?yàn)┩康囟?，采用單層圍堰及雙層圍堰施工工藝能夠滿足進(jìn)度和質(zhì)量要求，是一種行之有效的施工方法，為海域?yàn)┩康囟螄呤┕しe累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，可供同類海域公路施工參考。