戍浦江河口大闸枢纽工程钢管桩框格填土围堰的设计与施工

江兴南,沈建新

(1,浙江省水利水电工程质量与安全监督管理中心,浙江 杭州 310012,2.湖州市南浔镇农业综合服务中心,浙江 湖州 313000)

0 引 言

沿海地区河口水利枢纽工程,地基一般为深厚软基,且多为淤泥、淤泥质粉质粘土.选择施工围堰方案时,由于混凝土围堰、圬工围堰的基础处理技术复杂、投资较大,一般不作为比选方案;而软基上常用的土石围堰也因断面过大,往往影响施工期间的河道通航等功能,或者妨碍枢纽建筑物的布置,不宜作为推荐方案.采用钢管桩框格填土围堰,具有适应地基变形性能强、断面较小、投资较省、施工方便等特点.

温州戍浦江河口大闸枢纽工程、瑞安下埠水闸工程选用了较大规模的钢管桩框格填土围堰.实践证明,围堰方案是成功的.

温州戍浦江河口大闸枢纽工程位于戍浦江入瓯江河口,由挡潮闸、通航设施(升船机)、江堤等组成,工程等别为Ⅱ等,主要建筑物为2级.地层依次为粉质粘土、淤泥、含泥砂砾石.该工程采用“全段围堰法”施工导流,上游围堰挡戍浦江洪水,下游围堰挡风暴潮及瓯江洪水.由于上游围堰紧靠导流明渠上游出口,下游围堰外侧紧靠瓯江,围堰底宽不宜太大.经方案比较、优化,上下游围堰均采用钢管桩框格填土围堰.上游围堰顶长约199 m,下游围堰顶长约241 m,堰顶高程为▽5.8 m,最大堰高近11 m,在同类围堰中其规模属浙江省之最.围堰于2003年11月开工,工期为 4个月,至2005年12月进行围堰拆除.主体工程施工历经两年,而2004年、2005年是浙江历史上台风灾害频发和重发的2年,2004年先后有7个台风登陆或影响浙江,2005年台风的影响则更为严重,其中强热带风暴、台风均在温州地区都产生了强降水,给戍浦江河口大闸枢纽工程度汛造成了极大威胁.而由于围堰设计合理,施工把关,维护到位,确保了工程的安全度汛.

瑞安下埠水闸工程位于下埠河入飞云江河口,由船闸、水闸、堵坝、避风港等组成,工程等别为Ⅱ等,主要建筑物为2级.淤泥、淤泥质粉质粘土地层约有40 m厚.工程采取“两期两段”式施工导流.由于枢纽建筑物布置的局限性,以及施工期间导流河段有通航要求,因此要求纵向围堰断面不宜过大.纵向围堰采用了钢管桩框格填土围堰,堰宽为6 m,最大堰高约为7.7 m,堰长约340 m.纵向围堰于2006年10开工,工期3个月.一期主体工程已于2009年顺利建成.

以下是戍浦江河口大闸枢纽工程围堰的典型断面图,见图1.以此为例,说明钢管桩框格填土围堰设计、施工、维护的一般原则及方法.

图1 钢管桩框格式内填土围堰横断面图

图2 钢管桩框格式内填土围堰节点连接图

1 设 计

1.1 设计标准[1-2]

戍浦江河口大闸枢纽工程主要建筑物挡潮闸为2级建筑物,相应导流建筑物级别为4级建筑物,按土石围堰相应洪水重现期为10～20 a.考虑上游泽雅水库洪水调节后下泄流量消减过程及两岸河谷平原分洪情况,洪水重现期取下限10 a,相应最高洪潮位▽5.27 m,设计洪峰流量为469 m3/s.

1.2 围堰断面结构设计

1.2.1 钢管框格结构

围堰顶宽7 m,上下游两排采用直径 Φ=219 mm、壁厚δ=6 mm、间距60 cm钢管桩,钢管内用河砂灌实,钢管插入河床底部深度一般为堰高(悬臂段)的1.1倍以上.两排钢管桩在横向上均采用四层[100型槽钢围檩连接,顶部三层与单根钢管桩之间采用焊接连接,底部一层与水平拉杆也焊接成一体,以初步形成钢管桩框格.两排钢管桩之间还采用了四层水平拉杆连接,每层拉杆水平间距为120 cm,上下层交错布置,顶部一层和底部两层拉杆采用[63型槽钢,另采用 Φ 25 mm钢筋].至此形成了整体的钢管桩框格结构.

1.2.2 防渗体

两排钢管框格里侧先铺设一层竹排子,竹排子面层设加厚塑料膜,而后框格内填土料,水位以下部位填筑袋装粘土,以上直接填筑粘土.

1.2.3 镇压层

围堰基础范围通设一层高强度的土工格栅,钢管框格上下游两侧土工格栅上抛填镇压层,镇压层底部填袋装粘土,上部抛大块石.镇压层尺寸需通过抗倾覆等稳定复核验算.

1.2.4 子堰

在围堰顶部可设袋装粘土子围堰.

1.3 围堰稳定复核计算原则[3]

1.3.1 抗倾覆计算

计算工况:外水位采用十年一遇最高洪潮位,基坑无水.

计算公式为:抗倾安全系数Ks=Mr/Ma

式中:Mr—抗倾覆力矩,kN·m;

Ma—倾覆力矩,kN·m.

Mr=Mr1(被动土压力抗倾力矩)+Mr2(堰体自重抗倾力矩)+Mr3(钢管桩抗倾力矩)

Ma=Ma1(水倾覆力矩)+Ma2(主动土压力倾覆力矩)

安全系数Ks应大于规范规定值3.

1.3.2 围堰整体稳定计算

采用不计条块间作用力的瑞典圆弧简单条分法.工况条件同2.3节.计算公式为:

式中:Wi—土条i重量,kN;

φi—土条 i滑动面对应粘土摩擦角,°;

αi—土条 i法向力与重力夹角,°;

ci—土条i滑动面对应粘土凝聚力,kPa;

li—土条i滑动面长度,m;

J—钢管剪应力,kN/m2;

A—钢管截面积,m2;

F—土工格栅单位宽度拉力,kN/m;

B—土工格栅有效宽度,m.

安全系数Ks应大于规范规定值1.05.

1.3.3 渗流稳定计算

计算简式:Ks=ic/i.

式中:ic—堰体抗渗土体的临界水力坡度,%;

i—堰体底部土的渗流水力坡度,%.安全系数Ks要求大于2.0.

1.3.4 基坑外侧抗隆起计算

式中:D—镇压层深度,m;H—围堰高度,m:

q—地面超荷,kN/m2;

c—淤泥地层抗剪强度,kPa;

r1—围堰内各土层天然重度的加权平均值,kN/m3;

r2—镇压层各土层天然重度的加权平均值,kN/m3;

Nq、Nc—地基极限承载力的计算系数.

安全系数KL根据规范并结合工程实际情况取定.该工程取大于1.3即可.

1.3.5 围堰及压重体挤淤深度计算

计算公式为:

式中:H—填筑体高度,m;B—填筑体宽度,m;

Cu—淤泥抗剪强度,kN/m2;

γs—淤泥容重,kN/m3;

γ—填筑体容重,kN/m3;

D—挤淤下沉深度,m.

2 围堰施工[4]

围堰施工程序:河槽横断面测量→施工准备及下料→钢管桩插打→底部土工格栅铺设→底层横向槽钢及水平拉杆连接→竹排子铺设→加厚塑料膜铺设→上部横向槽钢及水平拉杆连接→镇压层施工→围堰内袋装粘土填筑→围堰内粘土填筑→围堰顶部子围堰施工.

2.1 河槽横断面测量

在围堰施工前,需对现状河床断面进行准确测量,根据河床横断面图确定钢管插入深度.

2.2 钢管插打

由8 t汽车起重机将钢管吊至运输船,再由运输船送至60 t驳船上备用.驳船用4只铁锚和4台1 t卷扬机固定,龙门架上配2 t卷扬机,采用3 t振动锤打桩机插打钢管桩.

2.3 土工格栅铺设

土工格栅从钢管桩上方穿入,沉入河底,及时用袋装粘土压平.采用两条小船配合铺设施工.

2.4 竹排子及塑料膜铺设

将事前制作的整体竹排,沿钢管桩采用袋装粘土压重沉放,竹排搭接20 cm.沿竹排内侧铺设一层加厚塑料膜,塑料膜需搭接50 cm.

2.5 横向围檩与水平拉杆施工

水下横向围檩与水平拉杆,宜在水上焊接成整体框架(如每12 m一片),采用手拉葫芦沉放到位,再进行侯潮焊接作业或潜水员配合水下连接施工.

2.6 袋装粘土和粘土填筑

袋装粘土采用船运,人工抛投;自卸汽车运粘土,推土机推土进占.必须充分考虑施工荷载、施工机械对钢管桩框格的影响,防止钢管桩倾斜变形甚至失稳.可待围堰沉降基本稳定后,或在主汛期前进行堰顶路面及子堰施工.

2.7 护脚施工

镇压层的袋装粘土、块石抛填施工必须与心墙粘土填筑同步进行.

3 围堰的使用、维护与防台度汛措施

3.1 基坑排水阶段

应缓慢降低水位,防止围堰向基坑内滑动.在大潮汛,可排水一天,停排观察一天.

3.2 基坑开挖阶段

严格执行批准的施工方案,规范施工工序.应先打桩后开挖,且分区、分期开挖,避免大开挖;开挖后要及早回填.上下游护坦、海曼、防冲槽虽不是工期的关键线路,但应及早安排施工,既有利于围堰、基坑稳定,还可用作施工场地.

3.3 围堰监测

应设置变形观测点,对围堰进行观测,并加强日常巡视.戍浦江大闸工程上下游围堰顶部各设置4个位移观测点和8个沉降观测点.

(1)2004年、2005年台风灾害频发,并遭遇了超标准洪水,局部钢管、堰体发生较大变形,采取了地锚、钢索加固,补抛块石镇压层等应急措施.

(2)围堰局部曾出现渗、漏水现象,分析原因一是由于对拉条较密,局部存在袋装粘土或回填粘土架空,形成通道,二是潮涨潮落水位变化频繁.鉴于渗漏水通道位置难以确诊,采取了在小潮汛低水位时用较稠的水泥浆进行灌浆堵漏措施,效果较好.

3.4 防台主要措施

每次台来风临前,要做好对围堰的查漏补缺工作.若遇强台风正面袭击、超标准洪水,应研究是否采取基坑预充水的度汛方案,尽量减少围堰与基坑的损失.

4 围堰拆除

选择非汛期低水位时进行围堰拆除.顺序为先挖运水上部分心墙粘土,拆除上下游镇压层的块石;接着挖除心墙与镇压层袋装粘土,最后拔出钢管桩.

4.1 粘土拆除

水上部分采用“后退法”施工,采用挖掘机挖装自卸汽车运出;水下部分采用“抓斗”式挖泥船抓挖,驳船运输.

4.2 镇压层的拆除

采用挖掘机挖除,驳船运输.

4.3 钢管拆除

100 t驳船作施工平台,驳船上设3 t振动锤及10 t卷扬机配合拔管.气割、吊放、驳运,上岸堆放,回收利用.

[1]中华人民共和国水利部.GB 50201-94防洪标准[S].北京:中国水利水电出版社,1994.

[2]中华人民共和国水利部.SL 252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京:中国水利水电出版社,2000.

[3]中华人民共和国水利部.SL 303-2004水利水电工程施工组织设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2004.

[4]中华人民共和国水利部.SL 274-2001碾压式土石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2001:5-14.