水下自護(hù)式混凝土在險(xiǎn)工險(xiǎn)段堤防工程中的應(yīng)用與探索

張鵬雄，龍 藝，陳 昊

(1.敘永縣水務(wù)局，四川 敘永，646400；2. 四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611230；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

引言

堤防工程的安全除了受本身施工質(zhì)量的影響，還存在著諸多外部因素的制約，其中最為突出和致命的就是受長(zhǎng)時(shí)間水流沖刷或者汛期短時(shí)洪水掏空堤腳，造成基礎(chǔ)懸空、面板拉裂，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)潰堤。一旦堤防出現(xiàn)潰堤，將給沿岸城鎮(zhèn)帶來不可估量的損失，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全和制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。眾所周知的“98特大洪水”九江大堤決口，所造成的影響時(shí)至今日仍歷歷在目。青衣江夾江縣是四川省重點(diǎn)防洪風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控點(diǎn)，近幾年幾乎每年都要投入巨大的防汛搶險(xiǎn)資金對(duì)堤防進(jìn)行安全防控。本文主要結(jié)合青衣江夾江縣中心至康中堤防工程實(shí)例，對(duì)頂沖段采用水下自護(hù)式混凝土徹底解決堤腳的沖刷問題進(jìn)行研究。

1 工程概況

青衣江又名雅河，系岷江右岸的二級(jí)支流。上游由寶興河，天全河及滎經(jīng)河三河匯集。青衣江流域水系發(fā)達(dá)，支流眾多，500km2以上的較大支流有7條，分布于流域的中上游，河系呈樹枝狀分布，有利于洪水的匯集。青衣江河長(zhǎng)284km，流域面積13744km2，平均比降12.9‰，是四川省一條重要河流，亦是一條多災(zāi)多難的河流，歷史上，青衣江下游干流樂山段，洪澇災(zāi)害頻繁。

青衣江夾江縣中心至康中堤防工程河段位于青衣江下游，擬建工程位于毛灘電站下游約6km的中心至康中堤防段左岸，上起毛灘電站尾水渠末端(中心村吳溝出口)，下至馬村河口，水面寬在480m～550m之間。原有堤防修建于上世紀(jì)70年代，修建標(biāo)準(zhǔn)低，加之多年運(yùn)行和河床演變，致使工程老化破損嚴(yán)重，河床下切，堤腳沖刷，特別是頂沖段雖采取了拋填四面體等工程措施，仍無法徹底解決基礎(chǔ)淘刷問題，成了老大難的險(xiǎn)工險(xiǎn)段。每年因搶險(xiǎn)救災(zāi)投入大量的人力、物力，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 工程區(qū)地質(zhì)條件

工區(qū)位于四川盆地龍泉山以西，總體地勢(shì)南西高，北東低，屬侵蝕堆積和構(gòu)造剝蝕地貌類型。工程區(qū)地形地勢(shì)平坦開闊，所屬青衣江河段略微彎曲，河道寬緩，總體流向由西向東，漫灘、心灘及階地發(fā)育。河谷地面高程377～390m，由上游到下游高程逐漸降低。

工程區(qū)發(fā)育地層主要為白堊系灌口組(K2g)：泥巖、粉沙質(zhì)泥巖和第四系松散堆積物，由老至新分述如下：

灌口組(K2g)：棕紅色泥巖、粉沙質(zhì)泥巖，厚423m～1040m。主要分布于第四系堆積層之下伏，局部地表出露。

第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積(Q4al+pl)：為卵礫石夾砂，主要分布于河床、階地，勘探未揭穿該層，多呈褐灰色、灰白色，其密實(shí)度隨埋深增大而逐漸增加。漂卵礫石磨圓度較好，多呈亞圓形～圓形狀，漂石一般20cm～60cm，含量約占10%；卵石6cm～20cm，含量約占40%；礫石0.2cm～6cm，含量約占32%；其余為砂及粘粒。漂卵石層成分多為花崗巖、灰?guī)r、少量砂巖等。根據(jù)N120超重型動(dòng)力觸探測(cè)試成果，該層上部松散，中部稍密，下部中密～密實(shí)。

松散卵礫石夾砂：該層厚度0.9m～2.3m，根據(jù)N120超重型動(dòng)力觸探測(cè)試成果，平均錘擊數(shù)(修正后)N=2.2擊/10cm。

稍密卵礫石夾砂：該層厚度1.4m～2.0m，根據(jù)N120超重型動(dòng)力觸探測(cè)試成果，平均錘擊數(shù)(修正后)N=4.1擊/10cm。

中密～密實(shí)卵礫石夾砂：本次勘探未揭穿該層，根據(jù)N120超重型動(dòng)力觸探測(cè)試成果，平均錘擊數(shù)(修正后)N=8.2～11.5擊/10cm。

第四系人工堆積(Q4s)：分為兩種。第一種為采砂之后廢棄堆積在堤坡表面或堤腳部位，結(jié)構(gòu)松散，承載力低；第二種為砂卵礫石填筑形成的堤防，沿青衣江呈條帶狀分布，厚度一般為5m～15m，臨河側(cè)堤腳受雨水沖刷，表層掏空、架空現(xiàn)象明顯，結(jié)構(gòu)較松散。

根據(jù)地勘巖土室內(nèi)試驗(yàn)和N120動(dòng)力觸探測(cè)試成果并進(jìn)行工程地質(zhì)條件類比，提出土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)建議值

3 頂沖段基礎(chǔ)處理方案比較

3.1 常規(guī)處理方案

基礎(chǔ)采用高壓旋噴水泥樁，樁基置于沖刷深度以下的砂卵石層，馬道以下拋填四面體。高壓旋噴水泥樁基礎(chǔ)處理形式見圖1。

圖1 高壓旋噴水泥樁基礎(chǔ)

3.2 水下自護(hù)式混凝土處理方案

馬道下部先拋填大卵石護(hù)底，卵石粒徑10cm～30cm，然后對(duì)護(hù)底卵石采用C20水下自護(hù)混凝土膠凝形成整體，防止河道沖刷下切，影響岸坡穩(wěn)定，最后采用C20混凝土四面體護(hù)腳，加固岸坡穩(wěn)定。水下自護(hù)式混凝土基礎(chǔ)處理形式見圖2。

圖2 水下自護(hù)式混凝土基礎(chǔ)

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)比較

兩種施工方法都可以解決水下施工問題，但高壓旋噴樁的施工工藝比自護(hù)式混凝土復(fù)雜，且無法解決樁基之間的淘刷問題，同時(shí)樁外拋填四面體的措施無法確保四面體基礎(chǔ)埋深的問題，隨著基礎(chǔ)的淘刷，時(shí)間一久，仍會(huì)出現(xiàn)四面體位移沖毀危及堤身安全的問題。而水下自護(hù)式混凝土很好地解決了四面的基礎(chǔ)穩(wěn)定，同時(shí)可以充填四面體之間的空隙，很好地保護(hù)了堤身的安全。作為一種新型的水下施工技術(shù)，水下自護(hù)式混凝土技術(shù)當(dāng)前存在造價(jià)較傳統(tǒng)混凝土偏高的問題，每立方米增加投資1/3～2/3。但作為一種永久性工程措施，該技術(shù)的長(zhǎng)期效益明顯高于常規(guī)技術(shù)方案。

4 水下自護(hù)式混凝土簡(jiǎn)析

所謂水下自護(hù)式混凝土，是指通過摻入占水泥重量一定比例的特殊混凝土外加劑，與水泥、水、集料按一定制造方法攪拌而成的混凝土。此特殊混凝土外加劑能使混凝土在水上、水下都具有很好的易流性、抗離析性，在低流速(小于4m/s)水中幾乎不離析。因此，在水下可以靠自重流淌到所要澆筑的每一個(gè)空間，密實(shí)度強(qiáng)，不污染水體且混凝土的性能可以通過外加劑的調(diào)試達(dá)到所需要求，整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土。

水下自護(hù)技術(shù)原理：高分子水下保護(hù)劑，溶于水后形成空間柔性網(wǎng)絡(luò)，抑制新拌混凝土的分散，從而實(shí)現(xiàn)清澈澆筑。

圖3 水下自密實(shí)材料澆筑示意

施工中無需振搗、無需碾壓、無需溫控、可不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，較傳統(tǒng)混凝土在水中施工具有明顯的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際性能見表2。

表2 水下自護(hù)式混凝土性能

該技術(shù)目前已成功應(yīng)用在道路應(yīng)急修復(fù)、海岸堆石護(hù)坡水下膠結(jié)、高水頭溶腔裂隙封堵、超大地下暗河封堵、大壩防滲墻和基礎(chǔ)水下澆筑、橋墩水下封堵等。四川省部分病險(xiǎn)水庫加固也有成功運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)，但在四川省內(nèi)的堤防工程中尚未有成功運(yùn)用實(shí)例。

5 結(jié)語

水下自護(hù)式混凝土的出現(xiàn)，不僅是混凝土外加劑出現(xiàn)了一種新的品種，而是它賦予了混凝土良好的粘稠性、流動(dòng)性、不離析性，把水下混凝土施工提高到一個(gè)更高的水平。對(duì)于堤防工程而言，往往受汛期影響，只能在枯期搶抓基礎(chǔ)，遇到高透水性的地質(zhì)條件，還需增加強(qiáng)排水措施，往往會(huì)強(qiáng)行涉水澆筑，施工質(zhì)量難以保障。該技術(shù)很好地解決了水下施工的諸多難點(diǎn)，且不污染水體，此次在青衣江夾江縣中心至康中堤防工程中的應(yīng)用必將開啟四川省堤防工程建設(shè)的新征程，待工程完成經(jīng)歷汛期考驗(yàn)后可以作為一種新理念進(jìn)行大力推廣。