沿海软基水闸围堰设计若干问题的探讨

刘林松,朱英杰,叶永波

(台州市水利局,浙江 台州 318000)

1 问题的提出

水闸围堰工程作为典型的水利工程临时建筑物,其作用仅作为施工期临时挡水,水闸建成后即被拆除,并非永久建筑物,较主体建筑物级别低。因此无论从设计、施工以及管理上均不如主要建筑物重视,但沿海的软基水闸围堰,其地基基础薄弱,直接面临潮水风浪冲击,工程条件差,受破坏的可能性大,一旦出现围堰垮塌、渗漏等情况,由于远离陆地,组织抢险的难度较大,并且因环境特殊,受风浪潮水影响,围堰破坏后,其修复的时间较长,难度较大(如围堰排水、清除水闸基坑淤泥等),直接影响水闸的施工。从目前情况看,由于水闸围堰工程的原因而影响主体工程的情况屡见不鲜,尤其是处于无限风区软基上的围堰,情况更为突出,而出现问题时,很多并非超设计标准,对此需要引起足够的重视,主要存在以下几个方面的问题:①海浪易越顶,外海侧石块及内海侧闭气土方冲刷严重;②施工及管理、防护不充分,易出现工程事故;③闭气土方施工困难,施工速度慢;④现场施工条件变化大,无法保证合同双方正常利益。

2 原因分析

针对以上问题可以从设计、施工、管理等方面分析原因,弥补缺陷,保证围堰工程安全有效运行。

2.1 设计因素

2.1.1 设计较简单,深度不足

对于海堤来说,设计时需充分考虑软土地基基础处理、外坡防风浪防护等工程所处的环境。但对于围堰来说,认为施工单位在施工组织设计时需进行详细地设计,因此一般设计单位只是简单地进行平面布置、控制大体尺寸等,还有部分围堰工程无设计。对于施工方来说,重点考虑的是施工的布置和具体实施,而不会仔细考虑各细部结构,因此此部分设计深度不够。对于目前通常采用的外侧石方填筑、块石防护、背水面闭气土方防渗的土石混合结构型式设计(见图1),缺乏各项具体参数(如理砌块石防护指标、基础处理参数),很难达到实施深度的要求。

图1 常规水闸围堰断面设计示意图

2.1.2 设计高程标准不一

目前沿海水闸围堰的设计顶高程大多是按照SL 435—2008《海堤工程设计规范》所规定的设计潮位与安全超高的和 (规范出台前,浙江沿海围堰设计也基本按此标准),以海堤级别3级、临时工程5级为例,围堰度汛按照3～5 a一遇标准,超高取值0.5 m。SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》中规定的5级临时建筑物按照5～10 a一遇设计,围堰堰顶高程应按设计洪水位加波浪高度,再加安全加高确定,根据DL/T 5087—1999《水电水利工程围堰设计导则》条文说明7.1.1规定,波高即沿边坡波浪爬高加雍高,其中安全加高值可取0.5 m,2个规范的规定不一致。SL 435—2008《海堤工程设计规范》不考虑波浪因素,主要是因为海边的波浪较内河的波浪大很多,众多沿海工程波高值是一个较大的数值,如果考虑,则与海堤主体工程高程相差不大,增加投资过大,因此主要采取度汛期增加本身结构强度来度汛。在实际运行中,软基上的围堰面向大海,工程周围的风浪和海底涌浪产生的波高及破坏力相当大。按照规范得出的堰顶高程极易造成壅水波浪漫顶,破坏围堰结构。如台州市三山北涂围垦工程围堰按照5 a一遇设计3.98 m,安全超高值取0.5 m,得出堰顶高程4.5m,实际实施时,采取加高加固等多项措施后才保证了围堰的安全。

2.1.3 施工期沉降不足

围堰工程虽然时间较短,但根据施工组织设计,从施工期加上运行期一般要超过1 a。对于软基上的围堰,沉降值考虑与否对围堰工程是否满足设计要求关系较大 (具体和围堰高度、地基参数等有关)。目前设计海堤时,对海堤工后沉降都有足够的重视,但对围堰的沉降基本未考虑,从而容易导致运行一段时间后设计高程不足,尤其是未进行地基处理的围堰,其沉降量更大,对于跨汛期的工程,影响更是明显。

2.2 现场管理及施工因素

2.2.1 参建各方现场管理不够重视,现场施工以粗放型为主

对于围堰工程,参建各方在监督管理上,没有具体规定也没有可参照的有效管理依据 (如设计图纸,合同规定等),在实际操作中以施工单位自我控制为主,施工单位认为是临时工程,对其重要性认识不足,未采取有效措施(如位移观测等),容易出现荷载加载过快、防护不充分等问题。运行期管理不足也是一个值得注意的问题,如:外海侧抛石局部冲刷后未及时修补,淘刷情况加剧;斜坡上闭气土方经长时间暴晒后过于干燥,容易出现裂缝,未及时修补,若覆盖层不足,容易引起渗漏。

2.2.2 施工组织设计考虑不充分,闭气土方施工进度缓慢,延缓施工进度

土石围堰的施工工序是先基础再外海侧抛石体、内侧子堤,最后内侧闭气土方施工。闭气土方施工有多种方法,如采用对开驳船结合桁架式筑堤机的方式填筑,汽车运载等。对于围堰主堤与子堤之间,子堤高程以下的闭气土方施工较容易,此区域已形成一个闭合区域,土方直接加载即可,而对于子堤高程以上靠近围堰主堤的斜坡土方的加载则有一定的难度,若采用围区内的原状土,由于其含水率高,加上围堰很难立刻封闭,内部仍受潮水的影响,子堤高程以下的土方含水率仍较高,承载力弱,则斜坡土方很难加载。再由于斜坡下部土方承载力不足,加载过程中容易把子堤高程以下的土方挤出子堤至基坑,造成今后清淤工作量的增加。

2.3 其他因素

针对围堰问题,根据目前合同制定的情况,基本按照一般性临时建筑物对待,即无具体定量数据、只按照固定总价方式处理,投标方为了效益最大化而采取不平衡报价的方法。对于工程规模不大,工程量变化不大,比较明确的临时工程,适合采用此种方法,但对于沿海软基上的围堰,却有违合同初衷,容易损害招投标双方的合法权益。因为软基上的围堰,其基础条件、工程施工环境等因素极可能变化,容易引起招标提供的基本条件的变化,如:围堰位置地质参数与提供指标值相差过大或未进行钻探等,从而引起围堰总价的变更,如果总价增加过大,由于是固定价合同,则损害投标方的利益,投标方对增加围堰的投入缺乏积极性,无法保证围堰的有效施工;若总价减少很大,则损害了发标方的利益。尤其是采用不平衡报价,更偏离了围堰本身的价格,在出现问题时,容易引起纠纷,损害各方利益。

3 措施及建议

3.1 围堰设计

3.1.1 按照主体工程的施工图深度进行充分有效地设计

将围堰设计作为主体工程设计的主要内容之一,设计深度达到施工图深度,如:施工设计图应留出一定沉降富余量后的围堰设计断面;重点易冲损部位采用合金钢网兜等具体措施以增强防护能力;围堰主体及子堤地基应进行基础处理设计;围堰抛石主堤内侧设置一定宽度的抛石平台,以增加对斜坡土方的承载力;铺设复合土工膜以保证防渗有效,防止闭气土方局部变形引起渗漏等具体措施以确保有效施工。

3.1.2 综合考虑围堰设计高程

SL 435—2008《海堤工程设计规范》对于沿海主体工程的高程是潮水位、安全加高及波浪爬高之和。对于临时工程不考虑波浪爬高,但实际波浪爬高是一个不可忽略的值。因此处于海边的围堰设计高程不是简单地考虑风浪或不考虑风浪,应结合多项因素(如是否处于无限风区、波浪冲刷强度等),同时最好在附近进行适当观测。虽然完全考虑波高值不太现实,但是考虑到波浪越顶的主要破坏作用是冲刷坝顶,冲损坝顶内侧闭气土方,因此,可以在适当提高设计高程及安全加高的基础上,按照SL 435—2008《海堤工程设计规范》的要求加强坝顶的防护,可以有效缓解围堰压力。设计潮位重现期应按照SL 252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》临时工程的上限取值,安全加高值适当增加。如对于目前沿海大多数采用的主体3级建筑物的临时围堰工程,应至少采用10 a一遇潮水位加上安全加高 (提高级别,按0.7 m),并且需要重点加强围堰顶部的防护设计,以减小波浪冲损。现行施工的众多围堰工程,在现行SL 435—2008《海堤工程设计规范》适当加高的基础上,采取有效防护措施,可以基本保证围堰安全。

3.2 施工及管理

(1)严格实施围堰工程管理。把围堰管理作为工程管理的一项重要内容写入各方招标投标文件中,参建各方按照规范要求进行监督管理。

(2)合理安排施工期,采取各种措施确保进度。水闸工程平均潮位以下高程的施工应安排在非汛期完成,尽量减少汛期围堰破坏后对主体工程的影响,子堤顶高程以上斜坡闭气土方,可采用经翻晒的围区内淤泥进行快速加载贴坡至设计平台 (需演算平台上土方覆盖层垂直厚度,保证不发生流土),结合复合土工膜防渗,以尽快形成封闭区域,减少外海潮水影响,加快土方固结,确保施工进度。

(3)施工单位认真做好施工,加强维护。充分考虑施工期沉降问题,做好沉降观测,控制施工加载速率,确保工程安全。同时加强围堰工程维护,按照实际情况分阶段进行防护,及时修补迎潮面冲损护面;台风期采用土工布铺设防护堰顶附近闭气土方,以减少冲损;炎热天气时应对闭气土方洒水等各种方式及时修补土方裂缝。

3.3 其 他

由于围堰工程和施工组织设计有很大关系,因此其招标投标就按照具体方案具体工程量进行核算,并且考虑部分冲损后重新利用至海堤上。围堰工程按照设计图纸的工程量进行招标投标,与主体工程一同按照相应的规则实施,与一般性的临时工程区分开来。

4 结 语

沿海软基水闸围堰工程所处环境差,条件恶劣,需引起高度重视,并采取有效的技术措施,减少围堰的损坏,以确保水闸工程的安全施工,确保整体工程的施工进度。