淤泥土工管袋筑堤方案設(shè)計及效益分析

黃 濤，沈保根，鄢 俊，黃昭杰

(1.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210024；3.安徽瑞迪工程科技有限公司，安徽 馬鞍山243100)

攔沙導(dǎo)堤是河口航道建設(shè)和治理中常見的建筑物形式[1]。通過沿河口航槽布設(shè)導(dǎo)堤，利用束水作用提高了航槽水流流速，可實現(xiàn)河口航槽的自然沖刷，達到“導(dǎo)流、擋沙、減淤”的效果，從而一定程度上解決河口的攔門沙問題，保證河口航道航槽的穩(wěn)定[2]。

導(dǎo)堤通常在離岸水域的軟弱地基上修建，構(gòu)筑方式主要有拋石堤、預(yù)制構(gòu)件堤和管袋堤等形式。與常用的拋投筑堤工藝相比，管袋堤不僅工藝簡單、造價較低，更具有對軟弱地基的變形和不均勻沉降適應(yīng)能力強的優(yōu)點[3]。在當前生態(tài)環(huán)境保護力度不斷加強，筑堤砂石料來源匱乏的背景下，將疏浚淤泥加入固化材料處理后的改性土作為充填料進行充袋筑堤，既可以顯著降低建設(shè)成本，也可以解決由堆放或拋棄淤泥造成的土地資源浪費和環(huán)境污染問題。充泥管袋作為一項新型工程技術(shù)，近年來在筑堤工程應(yīng)用中取得了較好的效果[4]。

盡管已取得多個試驗和施工成功案例，但相關(guān)充泥管袋筑堤的理論研究資料目前還很少見，該技術(shù)在工程應(yīng)用中還存在較多的問題[5]。本文針對巢湖某航道口門附近存在的攔門沙礙航問題，提出充泥管袋攔沙導(dǎo)堤設(shè)計方案。通過現(xiàn)場試驗優(yōu)化管袋填充尺度，根據(jù)規(guī)范要求對導(dǎo)堤設(shè)計方案進行計算論證，并與傳統(tǒng)筑堤工藝進行效益對比，對其安全性、經(jīng)濟性進行了全面分析和綜合評價。本文的研究工作可為今后類似的工程實踐提供借鑒參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

巢湖湖區(qū)某航道入湖口門處泥沙運動受風(fēng)浪影響大，回淤速度較快，通過實施筑堤整治，可防浪擋沙，減小航槽回淤。綜合考慮巢湖湖區(qū)的自然特點、施工條件、環(huán)保要求等要素，擬采用疏浚淤泥經(jīng)固化處理后充填管袋的充泥管袋筑堤施工方案。攔沙導(dǎo)堤布置在航道中心線兩側(cè)，按整治寬度對稱布置，長度為2 km，導(dǎo)堤縱軸線向外側(cè)拐折形成大于150°的凹角。雙側(cè)導(dǎo)堤平面布置見圖1。

圖1 雙側(cè)導(dǎo)堤平面布置

1.2 地形、地質(zhì)條件

表1 工程區(qū)域土層力學(xué)參數(shù)

1.3 設(shè)計水位及波浪要素

湖區(qū)動力以風(fēng)生波浪為主，采用重現(xiàn)期25 a的波浪作為設(shè)計波浪，波高累計頻率為13%，口門處設(shè)計高水位7.8 m條件下的設(shè)計波高1.50 m，周期4.4 s。

2 管袋試驗

2.1 管袋材料

建設(shè)方案利用改性淤泥作為管袋的充填材料，既要保證改性淤泥能快速脫水沉淀且顆粒不滲出袋體，同時要防止袋體在施工和使用過程中出現(xiàn)破壞等情況。根據(jù)規(guī)范要求，采用高韌聚丙烯材料制作土工管袋，按照SL-235—2012《土工合成材料測試規(guī)程》進行測試，各項性能指標為：寬條抗拉強度縱向≥70 kN/m，寬條抗拉強度橫向≥90 kN/m，延伸率縱向≤20%，延伸率橫向≤18%，接縫抗拉強度≥60 kN，CBR頂破強力≥8.0，動態(tài)落錐破裂試驗破裂直徑≤8.0 mm，抗紫外線能力500 h強力保持率≥80%，等效孔徑O900.2～0.6 mm，滲透性≥20 m2/s，最大填充高度2.5 m。

2.2 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場中試試驗包括準備堆場、制作土工管袋、疏浚淤泥脫水干化、管袋堆疊等環(huán)節(jié)，為工程實施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)資料。選取工程范圍內(nèi)河口附近場地，為試驗所需用水及淤泥充填提供便利。選擇2.8 m×1.6 m×0.6 m扁平管袋(方案1)和3.2 m×1.6 m×1 m長方體管袋(方案2)進行充填對比，圖2顯示了試驗現(xiàn)場管袋充填及脫水過程。

圖2 管袋充填試驗

經(jīng)過脫水固化處理，淤泥性狀發(fā)生了變化，整體疏水性能增強，且加入固化劑后的淤泥并未出現(xiàn)溶解及溢散現(xiàn)象。經(jīng)過2周時間多次充填和脫水干化，改性淤泥具有了一定強度和水穩(wěn)定性，其物理力學(xué)指標為：最大干密度1.51 g/cm3，凝聚力35.6 kPa，內(nèi)摩擦角29.4°，滲透系數(shù)0.42 cm/s，無側(cè)限抗壓強度1 010.5 kPa。通過現(xiàn)場試驗比較，方案1在脫水效率和堆疊穩(wěn)定性方面較優(yōu)。

3 方案設(shè)計及計算

3.1 斷面設(shè)計

由于工程區(qū)域正常情況下水深較小，湖底灘面較為平坦，導(dǎo)堤設(shè)計堤高為4 m左右，參考以往工程經(jīng)驗及充泥管袋相關(guān)設(shè)計理論[6]，導(dǎo)堤采用全棱體充泥管袋堤心的結(jié)構(gòu)形式，使用混凝土聯(lián)鎖塊軟體排護底。壩坡采用1 m塊石覆蓋護面，邊坡為1:2，堤頂采用1 m厚塊石壓頂，坡腳采用塊石棱體鎮(zhèn)腳，拋石棱體高1.0 m，寬2.0 m，邊坡為1:2。導(dǎo)堤斷面設(shè)計方案見圖3。

圖3 導(dǎo)堤斷面設(shè)計方案(單位：m)

3.2 整體穩(wěn)定性計算

考慮管袋對堤心改性土的加筋作用，將管袋按抗拉強度簡化為土工格柵，采用瑞典條分法用導(dǎo)堤破壞模式為弧形滑動破壞的情況進行研究，分別對完建工況、使用工況和地震工況(7級烈度)的安全系數(shù)進行計算，結(jié)果分別為6.314、7.488和1.488。

圖4顯示了導(dǎo)堤穩(wěn)定計算的土條劃分和完建工況下的危險滑弧。管袋堤是由充填管袋疊置而成的棱體，管袋抗拉強度較大，整體性較強，滑弧不通過壩體。隨著滑弧半徑加大，滑弧面也轉(zhuǎn)向深處，安全系數(shù)的計算結(jié)果表明該導(dǎo)堤結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。

圖4 完建工況下的導(dǎo)堤穩(wěn)定性分析

3.3 地基沉降計算

將堤底外輪廓按縱、橫向劃分成若干條形基礎(chǔ)，取堤頂以下的堤身自重應(yīng)力作為基礎(chǔ)附加應(yīng)力，采用附加應(yīng)力系數(shù)面積分層總和法對完建期地基沉降進行計算：

(1)

計算得上部結(jié)構(gòu)施工完畢后堤底的沉降量為81 mm。選取堤身設(shè)計斷面作為計算斷面對完建工況沉降量進行計算校核，堤底沉降曲線見圖5。由圖可知，最大沉降發(fā)生在堤心處，沉降量約為88 mm，堤心與堤腳沉降差約為15 mm，有限元計算結(jié)果與分層總和法接近。

圖5 導(dǎo)堤堤底沉降曲線

3.4 充填袋層間抗滑穩(wěn)定計算

設(shè)計方案中充填管袋垂直于堤軸線方向鋪設(shè)，上下袋體錯縫排列，由靜力平衡理論得出滿足穩(wěn)定性的管袋平衡條件，即管袋間摩擦阻力大于波浪荷載，考慮最上層管袋受最小豎向力的最不利情況，計算波浪作用下的管袋間抗滑穩(wěn)定[7]：

Hs=Δt·b

(2)

式中：Hs為臨界波高；Δt為管袋的相對密度；b為垂直于堤軸線布設(shè)的管袋寬度。

取管袋相對密度為0.7，經(jīng)計算得臨界波高為2.1 m，滿足設(shè)計波浪條件下的穩(wěn)定性要求。設(shè)計方案中使用護面碎石對波浪消力，并采取厚塊石壓頂增加管袋豎向荷載，進一步增強了結(jié)構(gòu)整體性和管袋間的穩(wěn)定性。

4 效益分析

根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果對土工管袋構(gòu)筑導(dǎo)堤方案進行建設(shè)成本分析，處理1 m3干方淤泥所需分項費用見表2。

表2 充填管袋分項費用

筑堤方案施工過程均由機械設(shè)備控制，主要消耗脫水劑、固化劑、土工管袋及電能，處理1 m3干方淤泥所需平均成本為300元左右。與傳統(tǒng)拋石筑堤方案相比，該方案可節(jié)約成本20%以上。同時，利用疏浚淤泥進行脫水充填還可以解決巢湖清淤產(chǎn)生的淤泥消納困難、占用農(nóng)業(yè)及建設(shè)用地、環(huán)境污染等問題，具有較大的環(huán)境效益和社會效益。

5 小結(jié)

1)現(xiàn)場試驗表明2.8 m×1.6 m×0.6 m扁平形管袋充填方案在脫水效率和堆疊穩(wěn)定性方面較優(yōu)。

2)計算結(jié)果表明由于管袋對充填淤泥的加筋作用，導(dǎo)堤設(shè)計方案的整體穩(wěn)定性具有足夠的安全儲備；管袋較好地分散了地基的集中受力，堤心與堤腳沉降差較小，且設(shè)計方案滿足設(shè)計波浪荷載下袋間抗滑穩(wěn)定要求。

3)與傳統(tǒng)拋石筑堤方案相比，淤泥土工管袋脫水筑堤方案不僅可節(jié)約成本20%以上，且可就地取材、節(jié)約用地，具有較大的環(huán)境和社會效益。