砂性地基圍堰防滲設計研究

潘國勇，匡 義，龐如月，周航凱，張志鵬，羊樟發(fā)

（1.杭州市富陽區(qū)水利水電工程監(jiān)管中心，浙江 杭州 311400；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

圍堰是水利水電工程中重要的臨時建筑物，圍堰的防滲效果直接影響主體施工的安全及進度。砂性土的滲透系數較大，易產生突發(fā)性管涌破壞[1]，在砂性基礎圍堰設計過程中，圍堰的防滲措施尤為關鍵[2]。目前應用較廣的防滲型式主要有鋼板樁、水泥攪拌樁、高壓旋噴灌漿、混凝土防滲墻等，國內外學者針對各類方法結合相關工程實例開展一系列研究。楊震等[3]通過試驗研究高壓噴射注漿技術的適用地層范圍、在砂卵石透水層的擴散范圍以及施工方法。章兆熊等[4]通過工程實例介紹三軸水泥攪拌樁的施工工藝、要點及在深基坑中的應用情況。漆巨彬等[5]通過實際工程介紹鋼板樁圍堰自然狀態(tài)下深填砂層高噴防滲施工的關鍵技術、方法及防滲效果，提出合理的施工方案及質量控制方法。

上述各類防滲技術都有自身的優(yōu)缺點和適用性，在實際工程中，需要根據不同的地質條件及工程內容選擇合適的防滲措施[6-8]。本文結合相關工程實例，通過計算及比較實際施工情況研究不同防滲技術的防滲效果，并且探討設計經驗及施工要點。

2 工程概況

富陽區(qū)東洲北支江位于錢塘江流域富陽—聞家堰的富春江河段，北支江上游水閘船閘工程屬亞運場館及北支江綜合整治工程子項之一，是2022年亞運會賽艇、皮劃艇賽事重點保障項目。水閘主體建筑物由上游鋼筋混凝土鋪蓋、閘室、下游鋼筋混凝土護坦組成，左岸與護坡親水平臺相接，右岸與船閘相鄰。主體工程施工導流采用上堵壩作為上游圍堰擋水，下游采用圍堰攔斷河床，利用補水泵站向下游補水。上游水閘船閘工程效果見圖1，圍堰布置及施工面貌見圖2。

圖1 上游水閘船閘工程效果圖

圖2 圍堰布置及施工面貌圖

3 圍堰防滲方案

3.1 地質條件

北支江上游水閘位于上下游堵壩之間且臨近上堵壩，河床高程為2.50~4.16 m，河床中間部位的地層分布從上至下依次為：塘泥（厚0.50 ~3.00 m）、粉細砂及含礫細砂（厚度5.00~13.00 m，滲透系數5.7×10-3cm/s）、淤泥質粉質黏土夾粉砂、含礫粉質黏土，以下是圓礫及卵石等。

上游水閘閘址左右兩岸與圍堰地基一致，均分布有深厚的粉細砂層，厚度5.00~13.00 m，屬于中等透水。部分地表存在約1.00 m厚的建筑垃圾及覆蓋層，之下為質地較細的粉細砂，岸坡透水性較好。為防止基坑產生管涌破壞，需要對圍堰地基及基坑兩岸岸坡采取相應防滲措施，形成封閉防滲體系。

3.2 圍堰防滲型式比選

根據工程區(qū)地質條件，高壓旋噴、三軸水泥攪拌樁、鋼板樁、混凝土防滲墻等4種防滲型式均適合本工程[9-10]，其優(yōu)缺點比較見表1。

表1 各防滲型式優(yōu)缺點對比表

由于混凝土防滲墻造價相對較高，施工速度相對較慢，本工程不予考慮。高壓旋噴施工設備輕，砂層基礎施工速度快，但是施工過程中質量控制難度較大。工程實施階段進行高壓旋噴生產試驗，開挖檢查其成樁效果發(fā)現，高壓旋噴樁在表層耕植土中成樁不均勻，粉細砂層成樁樁徑滿足要求，但成樁斷面不規(guī)則，樁體表面呈現針刺狀，質量穩(wěn)定性不高（見圖3）。因此，本工程未將高壓旋噴防滲作為主要防滲型式。

圖3 高壓旋噴樁試驗情況圖

經比選，本工程圍堰及岸坡主要采用三軸水泥攪拌樁、拉森IV型鋼板樁防滲。

3.3 圍堰結構及防滲方案

上下游圍堰采用充砂管袋型式，最大堰高約10 m。三軸水泥攪拌樁施工工藝簡單，形成的防滲體連續(xù)性好，但是設備尺寸較大，對施工作業(yè)面和基礎承載力有較高要求；鋼板樁施工工藝簡單，施工速度快，但是對地層的均一性要求較高[11-12]。

上游圍堰施工作業(yè)面有限，且考慮圍堰整體穩(wěn)定性，不宜在圍堰上采用大型設備進行施工。上游圍堰堵壩段采用充砂管袋填筑施工平臺，并采用鋼板樁防滲，設計深度穿過粉細砂層，打入相對不透水層不小于1.50 m。上游圍堰道路改線段采用充砂管袋填筑，采用鋼板樁防滲，設計深度穿過粉細砂層，打入相對不透水層不小于1.50 m。上游圍堰堵壩段和道路改線段典型斷面見圖4。

圖4 上游圍堰典型斷面圖 單位：m

下游圍堰采用充砂管袋作為堰身主體，由于堰身有足夠的施工作業(yè)空間且圍堰整體承載力足夠，采用三軸水泥攪拌樁防滲。下游圍堰典型斷面見圖5。

圖5 下游圍堰典型斷面圖 單位：m

基坑左、右岸岸坡根據工程布置特點采用水泥攪拌樁、拉森IV型鋼板樁防滲，并與圍堰防滲銜接形成封閉防滲體系。

4 基坑滲流計算評價

本工程透水層主要為粉細砂層，屬易產生管涌破壞的地層。圍堰的防滲方案對工程建設至關重要，直接關乎工程成敗。圍堰及地基的滲流及滲透比降計算分析亦極為必要。

4.1 基坑滲流理論計算

本工程透水層主要為粉細砂層，根據地質勘探資料，滲透系數取值為5.7×10-3cm/s?；訚B流主要分為3部分，主要有沿基坑圍堰的滲流、沿基坑基礎的滲流及兩側繞滲[13-15]。

沿圍堰體的滲流量根據公式（1）計算可得：

式中：A為沿堰體水流斷面面積，m2；k為堰體滲透系數；i為水力坡降。

沿基坑基礎的滲流及繞滲計算可根據公式（2）計算可得：

式中：k為堰基的滲透系數，cm/s；L為滲透途徑長度，m；H為水頭，m；T為基礎滲水深度，m；n可根據表2確定取值。

表2 n值確定表

根據上述計算方法，考慮基坑圍堰滲水情況、堰基情況，以及地質資料、滲流水頭等因素，計算整個基坑工程的滲流總量為390 m3/h。

4.2 基坑滲流數值模擬計算

采用Slide滲流計算軟件分別計算基坑上游、下游圍堰及兩岸邊坡穩(wěn)定滲流工況下的滲流量。土層計算參數及滲透系數參考取值見表3；計算模型見圖6；上下游圍堰及兩岸邊坡計算工況見表4。

表4 上下游圍堰及兩岸邊坡計算工況表 m

圖6 滲流數值計算典型斷面圖

表3 主要土層計算參數表

計算得到的滲流量見表5。結果表明，在上下游圍堰及岸坡處設置防滲措施后，基坑的滲流量比不設置防滲措施時減少約60%。說明采用三軸水泥攪拌樁和鋼板樁防滲能夠有效減少基坑滲流量，從而減少抽水臺班的使用。

表5 基坑滲流量計算結果表 m3/h

粉細砂層是本工程地質條件中的主要地層，具有較強的透水性。是否會發(fā)生管涌與粉細砂的滲透比降息息相關。圍堰地基粉細砂層以及管袋圍堰中的壓密細砂水力坡降計算結果見圖7。

圖7 滲透比降計算結果圖

從計算結果可以看出，設置防滲結構后，粉細砂層的滲透比降明顯下降，并控制在允許滲透比降的范圍內（粉細砂層允許滲透比降0.15~0.20）。在砂性地基條件下布置防滲墻能夠有效避免砂性土管涌破壞現象。

目前北支江上游水閘船閘工程已開工建設約2 a，基坑施工條件良好，未發(fā)生管涌破壞現象，形象面貌見圖2。根據施工統(tǒng)計情況，基坑經常性抽水量為210~300 m3/h，與理論計算、數值計算結果基本相吻合，圍堰防滲方案合理、可靠。

5 結 語

本文通過理論分析與實際施工統(tǒng)計，對北支江上游水閘船閘工程砂性地基圍堰滲流進行研究，得到如下結論：

（1）采用鋼板樁、三軸水泥攪拌樁作為砂性基礎圍堰的防滲型式能夠有效減少圍堰滲流量，且施工較為方便，速度快，防滲結構連續(xù)性較好。

（2）采用理論方法、數值計算對圍堰的滲流、砂性地基滲透比降進行分析，并與實際施工統(tǒng)計情況進行對比，表明在設置防滲結構后，基坑的滲流量、砂層滲透比降顯著降低。本工程圍堰防滲措施合理、可靠，有力保障了工程建設，同時為類似工程設計、施工提供有益借鑒。