淤泥地质下模袋砂水闸围堰施工技术的应用

于建星

（南水北调中线干线保定管理处，河北 保定 071000）

1 问题的提出

唐河灌区总干渠位于保定市西南部，灌溉水源为西大洋水库，总干渠全长43 km。总干渠渠首枢纽地处太行山东麓冲积扇平原，设计流量68 m3/s，主要有溢流闸、引水隧洞、冲砂闸等建筑物，引水渠首以上控制流域面积12547 km2，渠首以下测站年平均来水量78139万m3。引水枢纽水闸近年来出现不均匀沉降问题及防洪标准逐年降低，对水闸防洪排涝作用的发挥十分不利。为此必须按照区域城乡水利防灾减损应急工程建设50年一遇防洪标准进行闸坝重建。联合闸围堰基础长度867.65 m，重建工期紧、工序复杂，淤泥质地基软弱，所以围堰结构型式确定及地基加固方案的合理选择是保证围堰填筑及施工的关键。

工程围堰基础层淤泥质厚23.5 m，淤泥质层含水量较高、孔隙比大，承压力弱，围岩沉降大，淤泥扰动、滑塌普遍，物理力学性能指标见表1。为保证淤泥质地基良好的排水性，防止其可能出现的塑性流动及局部性剪切破坏的发生，工程水闸围堰填筑高度不能超出天然地基临界点高度。

表1 工程围堰基础淤泥质地层物理力学性能指标

淤泥地质下淤泥层围堰地基堆载高度临界值按下式计算：

式中：hcr为淤泥层围堰地基堆载高度临界值，m；Cu为淤泥层剪切强度，kPa；γ 为填料容重，kN/m3，本工程取 γ=15.8 kN/m3；F为安全系数，本工程取F=1.2。

设计水位以地面高程-2.5 m为基准确定的平均潮位0.58 m计算，淤泥层剪切强度12.43 kPa，则根据式（1），工程围堰地基临界堆载高度按3.62 m确定，高于天然地基临界堆载高度，为此必须加强淤泥质地基处理，保证围堰边坡填筑、基坑开挖等施工稳定。

2 淤泥地质条件下水闸围堰施工技术的比选

水闸在水利枢纽工程防洪拦水、泄洪排水等过程中发挥着重要作用，水闸建设与工程地质密切相关，尤其在淤泥质地质条件下，必须重视水闸施工技术的选择与优化。目前，水利枢纽工程中常见的水闸围堰施工技术包括土石围堰、砼围堰、钢板桩围堰、模袋砂围堰及爆破挤淤围堰等。模袋砂水闸围堰施工技术施工速度快、机械化水平高、造价低廉、灌砂效果良好，护岸效果明显，抗冲刷性能稳定，模袋砂的选择有利于砂石材料的就地取材，所以，本工程优先选用模袋砂水闸围堰施工，并根据工程淤泥质地质条件实际进行模袋砂围堰施工技术优化，提出充填模袋砂、砂包压脚，块石压脚加固的围堰工艺[1]，能有效解决工程淤泥质软土地基所面临的围堰施工沉降[2]显著、稳定性差等施工问题。

3 模袋砂水闸围堰施工工艺及操作要点

3.1 模袋砂水闸围堰施工工艺

本渠首引水枢纽水闸围堰通过将深木桩打入围堰基础，将其重力及所承受水压力传递至深层基础，也可以提升围堰承载力。这一方案在高水位时不会引起围堰水平位移，深木桩常设置于围堰坡脚处，用模袋砂填筑围堰基础。这种处理方法能有效提升围堰基础承载力，围墩设置于坡脚，抗滑稳定性也能有效提高，但是水上打桩必将增大施工难度和施工成本[3]。

考虑到本渠首引水枢纽水闸围堰的特殊性，其承载力提升模袋砂水闸围堰施工基础设计方案如下：充分利用牛皮砂材料所具有的不透水性和良好的弹塑性特征，进行水闸围堰大面积牛皮砂换填，从而增加水闸围堰受力面积，提升围堰整体性及基础承载力。水闸围堰岸坡处5 m以内填筑土工膜袋装砂+黏土心墙，并设置反压平台，保证水位升高工况下水闸围堰的抗倾覆性能。本工程水闸围堰施工以砂为基础性筑堰材料，在有效控制围堰自重的基础上有利于围堰荷载自身沉降控制，加强防渗，与此同时，模袋所具有的强度能扩展堰体受力面积，增强围堰刚度，相对缩小堰体反压承台压力。为此，本工程水闸围堰设计施工采用并形成了“模袋砂围堰，砂包压脚，块石压脚”的围堰施工工艺，见图1。

图1 水闸围堰典型断面

3.2 操作要点

3.2.1 模袋砂材料的选用

工程水闸围堰基础填筑及模袋砂充填均选用粒径0.1 mm以上颗粒含量≥上颗粒的牛皮砂，模袋砂材料黏粒含量≤牛皮砂。规格200 g/m2、断裂强度和撕裂强度不小于28kN/m、1.0 kN/m，伸缩率至少32%的腈纶纺织布充当土工膜。考虑到本水利工程水闸围堰防洪防渗等要求，应采用两布一膜的土工膜防渗结构，并确保结构抗拉强度不小于25 kN/m，厚度至少0.5 cm，渗透系数 1.2×10-6cm/s～1.5×10-6cm/s。

3.2.2 基础充填牛皮砂

先通过绞吸船对河床表面杂物进行清基处理，处理完毕后采用100 m吸抽砂船充填牛皮砂至1.5 m厚度，于围堰背水面设置10 m厚度的反压平台，并将牛皮砂充填层厚度保持在50 cm以内。各层牛皮砂充填结束后设置基础沉降点，进行持续1 d～3 d的沉降观测，无明显表面沉降后再充填下层。为加强模袋砂铺设及质量控制，充填牛皮砂的高度应为水面高度±沉降观测。

3.2.3 模袋砂充填

牛皮砂基础充填结束后便开始模袋砂充填施工，按照“基础清理、边坡整顿→模袋铺设→张拉定位→模袋砂充填→铺设防渗膜→袋缝内填土并加高”的工艺流程填充，单位模袋实际长度基础上，宽度保持在4 m左右，充填厚度不超过0.45 m，分层交错铺设。充填完2层模袋砂后停工2 d，待其沉降性能稳定后继续充填。

3.2.4 充灌填料

本工程模袋砂围堰水闸施工充填砂料从砂场开采后直接运至施工场地，到达后先接入充填管并向砂料中灌水从而形成1∶4固定配比的水砂混合物，同时借助高压泵与充填管将混合物填入模袋。充填结束后留足泌水迸浆时间，待模袋内牛皮砂充分凝固后二次填充。为保证整个充填过程中模袋内充填物的平整性与模袋的饱和度，必须不断调整和更换充填管，同时由专人在模袋上连续均匀踩踏[4]。若高压泵过高的泵压（≥20 MPa）导致模袋无法填实，应换人工进行水砂混合物灌充。为保证模袋砂水闸围堰结构的整体性与抗渗性，模袋砂之间的接缝材料其防渗性能与伸缩性能必须与模袋砂相同，所以填缝材料还应选用牛皮砂。

3.2.5 围堰沉降位移观测

为继续进行模袋观测，单层模袋砂填充结束后必须在上下层模袋边线间设置沉降点，在上下游每隔5 m设置一个沉降观测点，各一排，共设347个观测点，同时通过全站仪进行沉降位移定期观测。结果表明，在本工程水闸围堰建成至拆除的时段内，围堰沉降偏移均匀，最大累计沉降量（见表2）与位移量分别为18.61 cm和6.9 cm，符合《建筑地基基础工程施工质量验收标准》（GB 50202-2018）要求。

表2 围堰沉降值统计

4 结论

本引水枢纽工程采用抛填牛皮砂、砂包包脚，块石压脚加固的水闸围堰施工工艺，基础处理过程大大简化，但是围堰基础承载力却并未降低，在工程质量与工期得以保障的情况下，施工成本降低。模袋砂的充填使围堰整体性、防渗性得以强化，通过围堰的水压传递至两岸岸坡，有效缓解了水压对引水枢纽水闸围堰的不利冲击。对引水枢纽工程水闸围堰沉降位移观测及防渗观测结果表明，水闸围堰施工期内，围堰沉降位移偏移均匀，淤泥地质下模袋砂围堰水闸施工围岩沉降偏移及防渗均取得了预期效果。