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充填袋装砂围堰防渗结构研究
来源：本站   发布时间：2017-02-17   浏览量：2592  
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充填袋装砂围堰防渗结构研究
 
张海龙，马斌，梁亚平
（西京学院  土木工程学院  陕西  西安  710123）
 
[摘  要]  随着陆域土石方资源的不断开采，土石料源短缺已成为制约长江口地区沿海工程建设的主要问题，土工织物充填袋装砂筑堤技术因其造价低廉、取材方便、施工简单等优点，在长江口地区得到了广泛的应用，而充填袋装砂围堰结构往往存在渗流和渗透稳定问题，本文结合长江口地区鸽笼港水闸工程围堰结构设计实例，提出了能满足袋装砂围堰结构的防渗型式，可为类似工程的围堰防渗设计与施工提供参考。
[关键字]  围堰；充填袋装砂；防渗土工膜；渗透稳定；整体稳定
[中图法分类号]  TV871        [文献标志码]  A
 
因长江口地区水下河床天然沉积有大量的粉砂、砂质粉土等砂土料源[1,2]，使得土工织物充填袋装砂筑堤技术在长江口地区滩涂围垦、边滩水库、沿海堤防等工程建设领域得到了广泛的应用，建于长江支河口位置的水闸、泵站等口门建筑物围堰工程，也多采用袋装砂这一结构型式。
袋装砂结构需要快速排水固结，以加快施工进程，一般选用粉砂、砂质粉土作为吹填料，而砂土渗透系数较大，抗渗透变形能力弱，根据长江口有关工程试验结果[1]：管袋结构透水性一般为吹填砂体的2～4倍，土工管袋之间的接缝对渗透性存在一定的影响，可导致渗透系数变大；单层土工袋结构的渗透性与原砂样十分接近，而双层和多层土工管袋结构的渗透性较原砂样的渗透性有所变化，主要是管袋间的接触渗流引起。
因此袋装砂作为围堰结构的渗流和渗透稳定问题不可忽视。此外，围堰属临时工程，工程完工后须予以拆除，投资不宜过高，设计既可靠又经济的防渗结构，是袋装砂围堰结构设计的关键。
2 工程背景
2.1 工程概况
鸽笼港水闸工程位于长江口地区河口位置，工程主要任务为挡潮、引淡和排涝，并兼通航，为确保主体结构干地施工，施工期间考虑在内、外河侧均修筑围堰挡水。节制闸、内外河消力池及外河翼墙为1级建筑物，内河翼墙为3级水工建筑物，施工围堰为临时建筑，根据有关规范确定为4级水工建筑物。
2.2 工程地质条件
本场地现有河道沿线属河口、砂嘴、砂岛地貌类型。在勘探所揭露场区40m深度范围内地层共分5大层，分别为：①-1层素填土，①-2层河底淤泥，②-1层粉质粘土，②-3层粉砂，④-1层淤泥质粘土，④-2层淤泥质粉质粘土，⑤-1层粉质粘土。拟建场区两岸陆域浅层地下水属潜水类型，主要受大气降水和地表河水补给，向河网排泄。
根据对浅部土层室内渗透试验，其中①-1、②-1和④-1层土均属微和极微透水性；②-3层土属中等透水性，粉砂的不均匀系数CU为4.76，渗透变形型式属于流土型。由于本工程岸坡底部和河底土层主要由渗透性较强的②-3层粉砂组成，易发生流砂等渗透破坏，尤其是在工程施工期间，应采取相应工程处理措施。因此在围堰结构设计上应重点把握结构防渗问题。各地层物理特性列于表1。
表1  各土层物理力学性质指标
土层名称 含水率(%) 比重 γ
(kN/m3)		 cq
(kPa)		 φq  
(度)		 渗透系数
（cm/s）
①-1素填土   27.8 2.72 18.7    14 24.5 1.2×10-6
②-1粉质粘土   32.4 2.72 18.6 15 23.5 5.65×10-6
②-3粉砂   29.5 2.69 18.5 1 32 9.14×10-4
④-1淤泥质粘土   46.7 2.75 17 14 12 2.27×10-7
④-2淤泥质粉质粘土   40.3 2.73 17.3 15 17  
⑤-1粉质粘土   35.8 2.73 17.9 18 17  
 
3 围堰结构设计
3.1 围堰结构选择
3.1.1 围堰断面拟定
围堰结构选择上，主要考虑以下几方面的影响因素：（1）根据工程的料源调查分析，工程周边区域缺乏粘性土料，且该地区石料均需从江浙一带外购，因此不具备修筑常规土石围堰结构的条件；（2）围堰基础主要由渗透性较强的②-3层粉砂组成，易发生流砂等渗透破坏，围堰结构需具备足够的防渗效果，以满足地基土层的渗透变形要求；（3）围堰地处长江口河口位置，受外海潮汐的影响，潮位波动大，须考虑水流冲击对堰体的影响，所选围堰结构应确保结构安全，尽可能减少围堰使用期的维护工作量。
本着因地制宜、就地取材的原则，初步选定两种可行的围堰结构型式进行比选，分述如下：
方案一：充砂袋装砂围堰结构，即采用土工布袋内充填砂土作为围堰堰体填筑结构，围堰迎水侧护坡采用护面结构保护，并在护面下部设置反滤及防渗结构，同时在堰顶设置防浪结构，该结构型式在长江口围垦工程中应用广泛，具有足够的抗风浪及抗冲刷能力。
方案二：钢板桩围堰结构，即在两排拉森钢板桩之间采用回填土，前后排钢板桩采用槽钢围檩作导向，并用钢筋拉杆联系固定。该围堰结构在长三角地区应用普遍，且钢板桩结构自身具有较强的防渗及抗冲刷效果。
3.1.2 围堰断面比选
在围堰结构设计时，需结合本工程所处地区的实际条件及经济性进行合理选择，主要考虑以下因素：围堰工程造价低；施工方便快捷；围堰填筑料充分利用当地材料；防渗效果满足地层渗透变形要求；具有足够的强度及可靠性，以满足施工期间的挡水及基坑开挖要求。
综合以上影响因素，对于本工程而言，两种围堰结构型式特点及优缺点比较分述如下：
方案一： ①袋装砂围堰填筑料便于就地取材，直接抽取工程区附近河道砂土进行吹填，减少料源运输成本，有利于降低工程投资；②采用充填袋装砂围堰结构，与传统土石围堰相比，具有施工方便快捷，整体结构稳定性好等明显优势；③袋装砂围堰施工工艺简单，施工方便、快捷，适应性强；④对本工程而言，需额外设置防渗结构；⑤按顶宽5m计算，围堰单米造价约1.26万元。
方案二：①钢板桩围堰整体稳定性好，且钢板桩自身具有较好的防渗效果，无需另外设置防渗结构；②围堰堰室采用填土结构，由于附近缺乏粘性土，土料需外购解决；③围堰钢板桩用量较大，成本较高；④钢板桩打拔工序较多，同时围堰钢板桩连接施工工艺复杂；⑤按顶宽5m计算，围堰单米造价约2.28万元。
根据上述两断面结构自身特点及工程当地施工条件，结合工程区域材料供应情况，综合经济、技术及施工难易程度等因素考虑分析，推荐采用充填袋装砂围堰结构型式。
3.2 围堰断面设计
围堰设计洪水标准取全年20年一遇的洪水标准，考虑到围堰兼作施工期间临时防汛构筑物，其防洪标准不宜低于现有防汛墙，同时考虑交通要求，围堰设计顶高程与现有海塘顶高程一致，防浪墙顶高程取与防汛墙顶高程相同。围堰顶宽按双车道通行要求取6.0m，迎水坡1:2.5、背水坡1:2，迎水侧在3.50m高程设置5.0m宽马道，背水侧在1.50m高程设置2.0m宽马道。围堰典型断面见图1。

图1  围堰典型断面图
4 围堰防渗方案研究
4.1 防渗结构选择
根据本工程地质勘察所揭示的地层分布情况，围堰堰基范围主要为粉砂层，平均渗透系数K=9.14×10-4cm/s，属中等透水层，同时围堰采用吹填袋装砂结构，渗透性较强，因此围堰须具有足够的抗渗效果。根据工程总体实施安排，本工程围堰填筑及基坑降排水工期为1个月，若采用高喷防渗墙、混凝土防渗墙等桩墙结构，围堰施工时间较长，对主体结构施工工期有一定影响，且防渗墙投资较大，经济性较差，同时围堰使用时间较短，经综合分析，本工程采用防渗土工膜作为围堰防渗结构，设置于围堰迎水侧，即先将袋装砂结构表面用碎石包找平后，铺设防渗土工膜一层，其上依次设置150mm袋装碎石一层、350mm厚理砌块石一层。同时为确保围堰内渗流通畅，在背水侧浸润线以下位置铺设反滤土工布一层，其上铺设500mm厚袋装碎石一层。
4.2 材料基本要求
防渗土工膜采用复合土工膜（两布一膜），克重不应小于400g/m2，相关指标要求列于表2。防渗土工膜铺设时，应紧贴围堰迎水面，并略有松弛，铺设时不得发生褶皱和破损；防渗土工膜在坡顶、坡趾的锚固压稳长度应在1.0m以上，铺设完毕后应及时压重；垂直轴线方向应保证防渗土工膜的整体性，一般不允许搭接。搭接时接头处须将芯材及基布剥离开来，分层搭接，芯材（防渗膜）采用热熔法融合，外侧基布进行缝合，并不得损坏防渗膜；接缝应与最大拉力向平行，接缝强度不低于母材的80%。拼接施工前，应进行焊接设备的比较、焊接温度、焊接速度以及施工工艺的试验，试验完成后的施工参数需经监理批准后才能进行施工。
表2  防渗土工膜技术指标
项目 单位 主要技术指标
单位面积质量 g/m2 400
经向断裂强度 kN/m ≥5
纬向断裂强度 kN/m ≥5
经向断裂伸长率 % 30~100
纬向断裂伸长率 % 30~100
CBR顶破强度 kN ≥1.1
垂直渗透系数 cm/s 1×10-11~-13
撕破强力 kN ≥0.15
剥离强度 N/cm ≥6
4.3 围堰稳定分析计算
围堰流稳定计算按照最不利情况：即外河遇20年一遇高潮位5.82m，基坑侧开挖至设计高程，分别计算不设防渗土工膜、设置防渗土工膜、设置防渗土工膜并设置贴坡排水措施三种工况下，围堰渗透稳定计算情况，计算结果列于表3：
表3  围堰渗透稳定计算结果
计算工况 计算工况 渗流量m3/d 堰体最大溢出比降 堰基最大溢出比降 备注
工况1 不考虑防渗土工膜作用 6.35 0.95 0.68  
工况2 考虑防渗土工膜作用 1.85 0.34 0.05 不设贴坡排水
工况2 考虑防渗土工膜作用 1.94 0.34 0.05 设贴坡排水
计算结果表明，设置防渗土工膜能够有效延长围堰渗径，大幅减小围堰渗透量，降低溢出比降及出溢段高度，具有显著的防渗效果，相关渗透指标满足工程施工要求，因此工程采用防渗土工膜作为围堰防渗体合理可行。
围堰整体稳定按最不利工况进行分析计算，基本工况组合为：围堰填筑完成并进行初期排水后，外河遇20年一遇高潮位5.82m，基坑侧无水，堰顶考虑行车荷载15KPa的工况。
参照《碾压式土石坝设计规范》[3]，稳定分析计算采用瑞典条分法，计算公式为：
计算过程中，忽略渗透水压力和孔隙水压力的作用，水压力按总应力法考虑。围堰整体稳定安全系数为K=1.52>1.05，满足设计规范要求的稳定允许值，表明围堰设计断面是合理的。
5 结语
本文根据工程条件及场地特点，提出了充砂袋装砂围堰及钢板桩两种围堰结构，研究表明：采用合理的防渗土工膜防渗方式的袋装砂围堰结构的防渗效果及稳定性均符合规范要求，能满足工程设计及施工要求，较之钢板桩围堰结构其施工更便捷、造价更低。
 
参考文献
[1]陆忠民,吴彩娥.青草沙水库堤坝工程关键技术研究与实践[J].人民长江,2013,44(21):28-36.
[2]彭良泉,李令长.长江口袋装砂围堤稳定分析方法探讨[J].人民长江,2015,46(16):23-26.
[3]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社，2001.
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