万顷沙联围海堤抛石期间位移沉降规律分析

任志强

（江西省水利水电建设集团有限公司,江西 南昌 330000）

1 工程背景

万顷沙联围海堤加固达标工程施工项目地理位置在广州市最南端的珠江出海口前沿,该海堤属于珠江口范围内面积较大的沙岛,一侧毗邻伶仃洋,其余三面均环海,总面积56 km2。现有防洪（潮）工程由外江堤防（万顷沙围）和42 座水闸组成。堤防未进行基础处理,堤身沉陷较大,频繁遭受台风暴潮的破坏。此次拟加固堤段主要位于万顷沙联围八涌东～十五涌东段,加固堤防总长度达到8.21 km。

万顷沙外围西侧为洪奇沥水道,北侧、东侧、南侧分别为洪奇沥分支下横沥、蕉门水道和伶仃洋。万顷沙围内地势平缓,水网错综复杂,水塘、圭地密布,有河涌百余条。围内河涌底高程主要在-3.0 m～-2.0 m 之间,河宽在在10 m～60 m之间。在勘测深度范围内,地层整体岩性自上而下分别为第四系填筑土层、第四系海陆交互相沉积层和基岩燕山期花岗岩。

2 施工过程

万顷沙联围海堤抛石护脚选择在低潮位施工,抛投前必须将抛填区杂物、漂浮物彻底清除,测量拟抛投施工区域实际水深、水流流速、各断面形状等参数,正式施工开始前还应通过各项抛投试验,并通过分析试验数据掌握不同参数下抛石位移沉降规律。根据设计图纸提供的坐标定线放样,具体以50 cm 间距为准将标杆插设在陆域软基段以及浅水域实施测放；对于较深水域,必须通过专门的定位船展开控制点测量放样,同时还应在岸边架设定位船舶,对抛填施工全过程指挥和控制。抛石必须从最有助于控制险情的区域抛起,依次进行。陆域软基段以及浅水域等区域抛石施工开始后,借助自卸汽车通过端进法[1]向前延伸立抛,并采用分层阶梯式抛填措施,软基延伸立抛厚度必须以地基土所对应的承载高度最大值为限；而深水域抛石施工时,主要由定位于水上的驳船按照设计厚度分层平抛,每层抛填厚度控制在2.5 m 以内,抛填过程中应加强对水下抛石坡度及厚度的探测。面层抛石块体标高允许偏差±200 mm,宽度允许误差±200 mm。

万顷沙联围海堤于2018 年11 月开始铺设砂被,次年7 月完成围堤工程基础分部主体结构施工任务,2019 年10 月开始山体爆破及水上抛石施工；2020 年5 月底完成围堤2.5 m 高程的合拢。2020 年6 月～7 月主要进行围堤山坳段（W0+000～W0+412）及正堤段（W0+445～W0+278）加高处理,均加高至4.0 m。2020 年9 月～10 月将东侧堤（E0+341～E1+055）加高至4.0 m。为保证稳定加载及围堤结构安全,主要按照分层加载、反压同步的原则,密切结合潮位变化展开流水施工,并将围堤2.0 m以下堤心石抛填施工划分成三种情况：当潮位在1.0 m以上时,抛填围堤1.0 m～2.0 m 范围内的堤心石；当潮位在-0.5 m～1.0 m 范围内时,抛填堤身部分直至1.0 m 高程；当潮位在-1.0 m 以下时,主要借助集中设备将围堤内侧堤心石抛填至-1.0 m 高程。

3 围堤稳定性监测

3.1 监测内容

考虑到软土抗剪强度不高,抛填施工过程中必将持续向下方的已抛填层施加荷载,软土层发生剪切破坏的可能性很大,从而面临较大的地基失稳可能。通过观测不同深度地基土体的侧向水平位移变形以评价软土稳定性,为围堤抛填施工提供指导。为便于观测,在堤心抛石棱体两侧的坡脚位置分别设置测斜仪,并将钻孔平台搭设在围堤低潮位出水后,埋设钻孔,在-35 m 高程以内按照3 m～4 m 间隔设置观测点。在施工加载期间观测频次为1 次/d,如果出现日水位位移均值接近5 mm/d 的情况则应将观测频次调整为2 次/d～3 次/d。将水平位移控制在5 mm/24 h 以内[2]。测点布置情况见图1。

图1 监测点平面布置图

在堤顶内边线附近布置沉降板,施工加载期内采用1 次/d的观测频次,如果出现垂直位移日平均值接近10 mm/d 的情况则应按照2 次/d～3 次/d 的频次观测。通过观测,将垂直位移控制在10 mm/24 h 以内。

3.2 位移沉降规律分析

分别在围堤山坳段、正堤段及东侧堤选择W0+140、W0+800、E0+650 三个典型断面监测数据进行万顷沙联围海堤抛石期间位移沉降规律分析。其中,W0+140 断面布置外测斜管和沉降板、W0+800 和E0+650 断面均布置有内外测斜管和沉降板。

3.2.1 W0+140 断面沉降规律

该断面位移及沉降变化情况具体见表1,表中数据负数表示位移向岸侧,正数表示位移向海侧。根据表中所得观测数据绘制沉降变化曲线和测斜位移变化曲线,分别见图2 和图3,由图可知,2020 年6 月～7 月将围堤山坳段（W0+000～W0+412）堤身从2.0 m 加高至4.0 m 后W0+140 断面位移量呈明显增大趋势,且上下部整体向海侧移动,位移最大值出现的位置也逐渐抬高；此后加载过程中位移量并无明显突变。由此可以认为,该堤身断面充分沉降固结后发生的变形主要为侧向变形,表明围堤底部固结良好,因加高而造成的荷载挤压并未向下部传递。

表1 W0+140 断面位移及沉降变化情况

图2 W0+140 断面沉降变化曲线

图3 W0+140 断面测斜位移变化曲线

堤身加高后稳定期约为1 个月,在此之后随着工程运行,位移及沉降速率也再次恢复至加高前的水平,但是持续时间并不长,这也说明首次加载取得了较好的固结效果,固结稳定期约为6 个月,再次加载固结效果一般。为此,笔者认为,在万顷沙联围海堤抛填施工过程中必须采取有效措施尽可能延长分级加载稳定期,以便为加载后充分沉降预留出足够时间,使围堤施工质量和稳定性均达到设计要求；此外,在堤身两侧反压跟进的过程中应不断推进堤身,防止堤身两侧因应力作用而表现出淤积、堤身严重沉降,同时还能有效避免围堤基础砂遭到软体排的破坏。

3.2.2 W0+800 断面沉降规律

该断面位移变化情况具体见表2,表中数据负数表示位移向岸侧,正数表示位移向海侧。根据表中所得观测数据绘制断面内外测斜位移变化曲线,分别见图4 和图5,由图可知,在2020 年2 月下旬到4 月底期间,主要进行正堤段镇脚石施工,并未进行堤身加高,故这一期间断面位移处于相对稳定状态；根据位移变化速率,内侧位移速率更大,主要原因在于外侧镇脚的加载对于结构自重及水流流动荷载所引起的堤身下部土体位移有明显的抑制作用[3],但因为内侧未设置镇脚石、反压层也较短,所以堤身内侧位移速率比外侧大。

图4 W0+800 断面内测斜位移变化曲线

图5 W0+800 断面外测斜位移变化曲线

表2 W0+800 断面位移及沉降变化情况

2020 年6 月～7 月将围堤正堤段加高处理后位移数据显示,该断面因长时间未加载,两侧位移在一定程度上有所恢复,也体现了围堤基础淤泥质粘土的弹性特征。镇脚石施工能使围堤侧向变形得到有效控制,所以在堤身施工过程中镇脚石施工必须及时跟进。

3.2.3 E0+650 断面沉降规律

该断面位移变化情况具体见表3,表中数据负数表示位移向岸侧,正数表示位移向海侧。根据表中所得出的观测数据进一步绘制断面内外测斜位移变化曲线,具体结果见图6 和图7。考虑到此施工断面主要位置在万顷沙联围海堤工程水深最大的圆弧段,所的出的断面内外测斜位移变化情况充分说明该圆弧段原滩面低且坡度陡,抛石围堤呈现出向海侧整体位移的趋势。与此同时,如果原河床坡度陡峭,水深大,那么抛石围堤也必定面临整体滑移的变动倾向,为此,在抛填施工过程中必须加强监测及数据分析,密切观测外侧河床淤积变化趋势规律。

图6 E0+650 断面内测斜位移变化曲线

图7 E0+650 断面外测斜位移变化曲线

表3 E0+650 断面位移及沉降变化情况

4 结论

综上所述,万顷沙联围海堤抛石填筑施工过程中必须通过严格控制分层加载厚度、在堤身两侧同步反压施工、外侧镇脚石施工过程跟进、尽可能延长恒载稳定时间,通过施工监测并根据所得出的监测数据,加强加载速率、加载高度等施工参数控制,待恒载时间以及所对应的监测数据均基本处于稳定后加载,为围堤抛填施工质量控制及围堤安全稳定提供保证。