臨海圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

程 嚴(yán) 侯昊華

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 廣州 510635) (水利部海河水利委員會(huì) 天津 300170)

臨海圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

程 嚴(yán) 侯昊華

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 廣州 510635) (水利部海河水利委員會(huì) 天津 300170)

本文根據(jù)臨海工程所在區(qū)域的水文、地質(zhì)條件分析，將堰型選擇、基礎(chǔ)處理、風(fēng)浪防護(hù)等作為臨海圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，詳細(xì)介紹其結(jié)構(gòu)計(jì)算中的方法和步驟。經(jīng)工程實(shí)踐，臨海圍堰結(jié)構(gòu)型式采用拋石護(hù)坡、充填膜袋結(jié)合反壓平臺(tái)的方式，其設(shè)計(jì)思路和方法是合理可行的，能滿足施工便捷、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的要求，可供其他臨海工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

臨海圍堰 充填膜袋 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

臨海圍堰屬于擋水建筑物，是臨時(shí)工程，應(yīng)用范圍較廣。與內(nèi)陸圍堰工程相比，不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：?臨海圍堰受洪水和潮水的雙重影響，施工洪潮水位主要受潮水位控制;?受風(fēng)浪影響較大，需考慮消浪、防護(hù)措施;?通常修建在軟土地基上，基礎(chǔ)處理難度大。鑒于此，本文結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)臨海工程區(qū)域的水文、地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)臨海圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 工程概況

西閘站位于汕頭市東部城市經(jīng)濟(jì)帶新溪片區(qū)主河涌西端，緊臨新津河出?？?。根據(jù)新溪片區(qū)施工進(jìn)度安排，西閘站工期為1年。工程完建后，上游內(nèi)陸澇水通過主河涌從西閘站排出。該工程為100年一遇設(shè)計(jì)防潮(洪)標(biāo)準(zhǔn)，主要建筑物等級(jí)為1級(jí)。閘站臨海圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為全年5年一遇(P=20%)施工潮水。

西閘站工程由4(孔)×9m(孔寬)的水閘和泵站組成，泵站設(shè)計(jì)流量為84m3/s。該工程具有施工工序復(fù)雜、基礎(chǔ)處理困難、工期短等特點(diǎn)。因此，快速填筑圍堰并保證其施工期間的工程結(jié)構(gòu)安全，成為本工程施工進(jìn)度控制的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

2 工程條件

2.1 水文條件

本工程區(qū)域?qū)偌撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均風(fēng)速2.7m/s，平均每年汕頭海面6級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)約有140天(包括臺(tái)風(fēng)、熱帶低壓和冷空氣共同影響形成強(qiáng)風(fēng)的日數(shù))。從9月～次年6月，平均每月約有14天。

新津河口屬于弱潮河口，潮汐受東太平洋與南海潮波、海流及風(fēng)吹流共同影響，屬于不規(guī)則半日混合潮，一天內(nèi)經(jīng)歷兩次高潮和兩次低潮變化。多年平均高潮位0.28m，多年平均低潮位－0.74m，多年平均潮差1.02m。因此，本工程受風(fēng)浪、潮汐等自然條件影響較大，臨海圍堰的有效施工時(shí)間短，并且在圍堰填筑、擋水過程中要求堰體具備一定的防浪能力。

2.2 地質(zhì)條件

新溪片區(qū)近海海域砂土料分布廣泛，擬建海堤南堤約500m之外、面積約3km2的海域作為本工程的吹填料場(chǎng)。從筑堰材料分布情況來看，有豐富的細(xì)砂可供圍堰填筑使用。

圍堰堰基屬于軟土基礎(chǔ)，主要由第四系海陸交互相松散積物組成。其中粉細(xì)砂層較薄，呈松散狀，分布不連續(xù)。主要持力層為淤泥、淤泥質(zhì)黏土，厚度為5～12m。該層含水量大，呈流塑～軟塑狀，屬高壓縮性土，且抗剪強(qiáng)度低。其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主要持力層物理力學(xué)指標(biāo)

3 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水文、地質(zhì)條件分析，臨海圍堰應(yīng)將堰型選擇、基礎(chǔ)處理、風(fēng)浪防護(hù)等作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3.1 圍堰型式選擇

臨海圍堰結(jié)構(gòu)型式可分為斜坡式結(jié)構(gòu)和直立式結(jié)構(gòu)。由于本工程有大量細(xì)砂可就地取材，可供選擇的堰型有膜袋砂圍堰(斜坡式)和雙排鋼板樁圍堰(直墻式)。方案比較結(jié)果見表2。

按照施工便捷、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的原則，本工程臨海圍堰結(jié)構(gòu)型式宜采用模袋砂圍堰結(jié)構(gòu)型式。

表2 圍堰堰型方案比較表

3.2 圍堰基礎(chǔ)處理

淤泥層上堰體臨界堆載高度的簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下：

式中 H——臨界堆載高度，m;

Cu——十字板剪切強(qiáng)度，kPa;

K——安全系數(shù)，取1.1;

γ——堰體填筑容重，kN/m3;

經(jīng)計(jì)算，堰體臨界堆載高度為2m。本工程圍堰最大堰高約6m，地基承載力不滿足要求，必須對(duì)圍堰地基進(jìn)行處理或采取相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施，確保圍堰在填筑、擋水及基坑開挖過程中的整體穩(wěn)定性。

本工程重點(diǎn)比較了真空預(yù)壓結(jié)合堆載排水固結(jié)及模袋砂結(jié)合反壓平臺(tái)兩個(gè)方案。

真空預(yù)壓結(jié)合堆載排水固結(jié)方案，利用吹填砂料形成真空預(yù)壓施工平臺(tái)，在堆載及真空負(fù)壓作用下，將淤泥中的水通過塑料排水板排出，淤泥發(fā)生排水固結(jié)后，可提高地基強(qiáng)度。該方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是合理的，但要使淤泥層達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度值，從堆載到真空預(yù)壓完成需近4個(gè)月時(shí)間，無法滿足施工進(jìn)度要求。

模袋砂結(jié)合反壓平臺(tái)方案，在圍堰上、下游設(shè)置多級(jí)反壓平臺(tái)，通過增加抗滑力矩，減少堰身坡趾的應(yīng)力差，限制在堰身荷載作用下出現(xiàn)的塑性擠出和地面隆起，保證圍堰基礎(chǔ)穩(wěn)定。同時(shí)，由于反壓平臺(tái)本身的荷載預(yù)壓，在反壓平臺(tái)范圍內(nèi)的地基將產(chǎn)生部分固結(jié)，也有利于提高圍堰基礎(chǔ)的承載力。該方案工藝簡(jiǎn)單，施工速度快。

考慮到本工程的圍堰布置不受場(chǎng)地限制，堰基處理方案選用模袋砂結(jié)合反壓平臺(tái)方案。

3.3 圍堰防浪設(shè)計(jì)

3.3.1 波浪要素計(jì)算

圍堰所在區(qū)域?yàn)殚_敞式海岸，波浪以外海涌浪或混合浪為主。設(shè)計(jì)波浪采用5年一遇重現(xiàn)期，經(jīng)近岸淺水區(qū)波浪變形推算，其堰前波浪要素見表3、堰前設(shè)計(jì)波浪見表4。

表3 波浪要素成果表

表4 堰前設(shè)計(jì)波浪成果表

根據(jù)表4分析，不同累積頻率下的設(shè)計(jì)波高均大于堰前的破碎波高，設(shè)計(jì)波高應(yīng)采用堰前的破碎波高2.03m。

3.3.2 圍堰消浪設(shè)計(jì)

圍堰可利用迎海側(cè)的反壓平臺(tái)進(jìn)行消浪，降低波浪爬高。結(jié)合以往波浪爬高試驗(yàn)成果經(jīng)驗(yàn)，將迎海側(cè)反壓平臺(tái)高程設(shè)置在5年一遇設(shè)計(jì)高潮位(1.41m)附近。同時(shí)，迎海側(cè)反壓平臺(tái)及護(hù)面均采用拋填塊石，從而減小護(hù)面結(jié)構(gòu)的糙滲系數(shù)。經(jīng)消浪后的圍堰波浪爬高按下式計(jì)算：

式中 KΔ——糙滲系數(shù)，拋石護(hù)坡取0.6;

Kv——與風(fēng)速有關(guān)系數(shù)，取1.22;

R1——KΔ=1，H=1 時(shí)的爬高;

Kf——爬高累積頻率換算系數(shù)，f為累積頻率。

經(jīng)計(jì)算分析，在允許越浪、不允許越浪兩種情況下，圍堰波浪爬高值分別為1.52m、1.97m。由于計(jì)算值差別不大，故按不允許越浪條件進(jìn)行圍堰設(shè)計(jì)，經(jīng)消浪后的圍堰防浪頂高程為4.0m。

根據(jù)單個(gè)塊石穩(wěn)定重量、護(hù)面厚度的安全驗(yàn)算，本工程拋石厚度為1.2m，單塊塊石重量不小于0.5t。

3.3.3 堰前灘地護(hù)底設(shè)計(jì)

堰前最大波浪底流速按下式計(jì)算：

式中 H——設(shè)計(jì)波高，m;

d——堰前水深，m;

L——堤前波長(zhǎng)，m。

經(jīng)計(jì)算，堰前最大波浪底流速為1.65m/s，大于堰前細(xì)砂、淤泥的抗沖流速。因此，需對(duì)圍堰堰腳進(jìn)行一定范圍的防護(hù)。

由于圍堰所在位置的灘地相對(duì)較低，有一定水深，本工程護(hù)底采用復(fù)合砂肋軟體排(規(guī)格φ300@1500，排布采用350g/m2復(fù)合土工布，肋布采用350g/m2復(fù)合土工布)作為反濾層，拋填厚度為1.2m塊石作為壓重。

3.4 圍堰穩(wěn)定分析

模袋砂圍堰由充填膜袋層疊形成，一方面圍堰水平成層現(xiàn)象顯著，需校核堰體沿層面的抗滑穩(wěn)定性;另一方面，需考慮膜袋對(duì)堰體的加筋作用。這是模袋砂圍堰與一般土石圍堰在穩(wěn)定分析時(shí)的不同之處。膜袋砂圍堰穩(wěn)定分析包括充填袋層間穩(wěn)定計(jì)算和整體穩(wěn)定計(jì)算。

3.4.1 充填袋層間穩(wěn)定計(jì)算

充填袋層間抗滑穩(wěn)定性按下式計(jì)算：

式中 Kgc——充填袋層間抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，不小于1.3;

Wi——計(jì)算層以上總垂直荷載，kN/m;

f——充填袋袋間摩擦系數(shù);

Pd——計(jì)算層上袋體受到的總水平荷載，kN/m。

采用自上而下的方式逐層驗(yàn)算充填袋層間穩(wěn)定性。當(dāng)復(fù)核各層抗滑穩(wěn)定滿足要求時(shí)，將該層與上一層作為整體，再對(duì)該層進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算分析，其層間抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3。

3.4.2 圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算

通過對(duì)臨海圍堰的設(shè)計(jì)分析，本工程圍堰結(jié)構(gòu)型式確定為：圍堰斷面頂寬6m，內(nèi)外坡均為1：3，堰頂高程取2.4m，另在堰頂靠外海側(cè)設(shè)寬1.5m、高1.6m拋石棱體防浪墻，棱體頂高程為4.0m;迎海側(cè)為厚1.2m拋石護(hù)坡，在1.5m高程設(shè)寬度5m的消浪平臺(tái)，坡腳設(shè)長(zhǎng)6m、厚1.2m拋石護(hù)底;背海側(cè)設(shè)一級(jí)壓重平臺(tái)，壓重平臺(tái)長(zhǎng)10m、高程為0.6m;圍堰采用高壓擺噴防滲墻進(jìn)行堰體和堰基的垂直防滲，孔距1.5m。具體型式見下圖。

臨海圍堰結(jié)構(gòu)圖

圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算模型采用以下簡(jiǎn)化：

a.考慮膜袋對(duì)堰體的加筋作用，即充填膜袋與充填砂的內(nèi)摩擦角相同。同時(shí)，將膜袋對(duì)堰體抗剪強(qiáng)度的提高簡(jiǎn)化為準(zhǔn)凝聚力Cp，按下式計(jì)算：

式中 Rf——單位長(zhǎng)度膜袋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，kN/m;

Sy——單層膜袋厚度，m;

Kp——充填砂的被動(dòng)土壓力系數(shù)。

b.考慮拋石護(hù)坡和圍堰堰頂行車對(duì)整體穩(wěn)定的影響，將其轉(zhuǎn)化為均布荷載。

圍堰整體穩(wěn)定采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析，

相關(guān)土體均取飽和快剪指標(biāo)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)臨海側(cè)為多年平均年最低潮位(－1.71m)時(shí)，圍堰臨海側(cè)穩(wěn)定安全系數(shù)為1.10;當(dāng)臨海側(cè)為5年一遇設(shè)計(jì)高潮位(1.41m)、圍堰背水側(cè)坡腳距基坑開挖頂邊線10m和15m時(shí)，其背水側(cè)穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.10、1.22。因此，圍堰整體穩(wěn)定均滿足規(guī)范K≥1.05的要求。同時(shí)，在施工條件允許的情況下，圍堰布置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離基坑開挖頂邊線。

4 結(jié)語

2011年10月，西閘站臨海圍堰開始施工，12月底完成圍堰填筑。根據(jù)圍堰施工期間的沉降、位移監(jiān)測(cè)資料分析，該圍堰在填筑、擋水及基坑開挖過程中結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定安全的。

本文通過對(duì)臨海圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的分析，將拋石防護(hù)、充填膜袋結(jié)合反壓平臺(tái)方案作為臨海圍堰的結(jié)構(gòu)型式，其設(shè)計(jì)思路和方法是合理可行的，能滿足臨海圍堰施工便捷、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的要求，可供其他臨海工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

1 劉宗耀．土工合成材料工程應(yīng)用手冊(cè)［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994．

2 JTJ 239—2005水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］．

3 SL 435—2008海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．