萬頃沙聯(lián)圍海堤拋石期間位移沉降規(guī)律分析

任志強(qiáng)

（江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330000）

1 工程背景

萬頃沙聯(lián)圍海堤加固達(dá)標(biāo)工程施工項(xiàng)目地理位置在廣州市最南端的珠江出海口前沿,該海堤屬于珠江口范圍內(nèi)面積較大的沙島,一側(cè)毗鄰伶仃洋,其余三面均環(huán)海,總面積56 km2?，F(xiàn)有防洪（潮）工程由外江堤防（萬頃沙圍）和42 座水閘組成。堤防未進(jìn)行基礎(chǔ)處理,堤身沉陷較大,頻繁遭受臺(tái)風(fēng)暴潮的破壞。此次擬加固堤段主要位于萬頃沙聯(lián)圍八涌東～十五涌東段,加固堤防總長度達(dá)到8.21 km。

萬頃沙外圍西側(cè)為洪奇瀝水道,北側(cè)、東側(cè)、南側(cè)分別為洪奇瀝分支下橫瀝、蕉門水道和伶仃洋。萬頃沙圍內(nèi)地勢(shì)平緩,水網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜,水塘、圭地密布,有河涌百余條。圍內(nèi)河涌底高程主要在-3.0 m～-2.0 m 之間,河寬在在10 m～60 m之間。在勘測深度范圍內(nèi),地層整體巖性自上而下分別為第四系填筑土層、第四系海陸交互相沉積層和基巖燕山期花崗巖。

2 施工過程

萬頃沙聯(lián)圍海堤拋石護(hù)腳選擇在低潮位施工,拋投前必須將拋填區(qū)雜物、漂浮物徹底清除,測量擬拋投施工區(qū)域?qū)嶋H水深、水流流速、各斷面形狀等參數(shù),正式施工開始前還應(yīng)通過各項(xiàng)拋投試驗(yàn),并通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)掌握不同參數(shù)下拋石位移沉降規(guī)律。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑淖鴺?biāo)定線放樣,具體以50 cm 間距為準(zhǔn)將標(biāo)桿插設(shè)在陸域軟基段以及淺水域?qū)嵤y放；對(duì)于較深水域,必須通過專門的定位船展開控制點(diǎn)測量放樣,同時(shí)還應(yīng)在岸邊架設(shè)定位船舶,對(duì)拋填施工全過程指揮和控制。拋石必須從最有助于控制險(xiǎn)情的區(qū)域拋起,依次進(jìn)行。陸域軟基段以及淺水域等區(qū)域拋石施工開始后,借助自卸汽車通過端進(jìn)法[1]向前延伸立拋,并采用分層階梯式拋填措施,軟基延伸立拋厚度必須以地基土所對(duì)應(yīng)的承載高度最大值為限；而深水域拋石施工時(shí),主要由定位于水上的駁船按照設(shè)計(jì)厚度分層平拋,每層拋填厚度控制在2.5 m 以內(nèi),拋填過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水下拋石坡度及厚度的探測。面層拋石塊體標(biāo)高允許偏差±200 mm,寬度允許誤差±200 mm。

萬頃沙聯(lián)圍海堤于2018 年11 月開始鋪設(shè)砂被,次年7 月完成圍堤工程基礎(chǔ)分部主體結(jié)構(gòu)施工任務(wù),2019 年10 月開始山體爆破及水上拋石施工；2020 年5 月底完成圍堤2.5 m 高程的合攏。2020 年6 月～7 月主要進(jìn)行圍堤山坳段（W0+000～W0+412）及正堤段（W0+445～W0+278）加高處理,均加高至4.0 m。2020 年9 月～10 月將東側(cè)堤（E0+341～E1+055）加高至4.0 m。為保證穩(wěn)定加載及圍堤結(jié)構(gòu)安全,主要按照分層加載、反壓同步的原則,密切結(jié)合潮位變化展開流水施工,并將圍堤2.0 m以下堤心石拋填施工劃分成三種情況：當(dāng)潮位在1.0 m以上時(shí),拋填圍堤1.0 m～2.0 m 范圍內(nèi)的堤心石；當(dāng)潮位在-0.5 m～1.0 m 范圍內(nèi)時(shí),拋填堤身部分直至1.0 m 高程；當(dāng)潮位在-1.0 m 以下時(shí),主要借助集中設(shè)備將圍堤內(nèi)側(cè)堤心石拋填至-1.0 m 高程。

3 圍堤穩(wěn)定性監(jiān)測

3.1 監(jiān)測內(nèi)容

考慮到軟土抗剪強(qiáng)度不高,拋填施工過程中必將持續(xù)向下方的已拋填層施加荷載,軟土層發(fā)生剪切破壞的可能性很大,從而面臨較大的地基失穩(wěn)可能。通過觀測不同深度地基土體的側(cè)向水平位移變形以評(píng)價(jià)軟土穩(wěn)定性,為圍堤拋填施工提供指導(dǎo)。為便于觀測,在堤心拋石棱體兩側(cè)的坡腳位置分別設(shè)置測斜儀,并將鉆孔平臺(tái)搭設(shè)在圍堤低潮位出水后,埋設(shè)鉆孔,在-35 m 高程以內(nèi)按照3 m～4 m 間隔設(shè)置觀測點(diǎn)。在施工加載期間觀測頻次為1 次/d,如果出現(xiàn)日水位位移均值接近5 mm/d 的情況則應(yīng)將觀測頻次調(diào)整為2 次/d～3 次/d。將水平位移控制在5 mm/24 h 以內(nèi)[2]。測點(diǎn)布置情況見圖1。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

在堤頂內(nèi)邊線附近布置沉降板,施工加載期內(nèi)采用1 次/d的觀測頻次,如果出現(xiàn)垂直位移日平均值接近10 mm/d 的情況則應(yīng)按照2 次/d～3 次/d 的頻次觀測。通過觀測,將垂直位移控制在10 mm/24 h 以內(nèi)。

3.2 位移沉降規(guī)律分析

分別在圍堤山坳段、正堤段及東側(cè)堤選擇W0+140、W0+800、E0+650 三個(gè)典型斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行萬頃沙聯(lián)圍海堤拋石期間位移沉降規(guī)律分析。其中,W0+140 斷面布置外測斜管和沉降板、W0+800 和E0+650 斷面均布置有內(nèi)外測斜管和沉降板。

3.2.1 W0+140 斷面沉降規(guī)律

該斷面位移及沉降變化情況具體見表1,表中數(shù)據(jù)負(fù)數(shù)表示位移向岸側(cè),正數(shù)表示位移向海側(cè)。根據(jù)表中所得觀測數(shù)據(jù)繪制沉降變化曲線和測斜位移變化曲線,分別見圖2 和圖3,由圖可知,2020 年6 月～7 月將圍堤山坳段（W0+000～W0+412）堤身從2.0 m 加高至4.0 m 后W0+140 斷面位移量呈明顯增大趨勢(shì),且上下部整體向海側(cè)移動(dòng),位移最大值出現(xiàn)的位置也逐漸抬高；此后加載過程中位移量并無明顯突變。由此可以認(rèn)為,該堤身斷面充分沉降固結(jié)后發(fā)生的變形主要為側(cè)向變形,表明圍堤底部固結(jié)良好,因加高而造成的荷載擠壓并未向下部傳遞。

表1 W0+140 斷面位移及沉降變化情況

圖2 W0+140 斷面沉降變化曲線

圖3 W0+140 斷面測斜位移變化曲線

堤身加高后穩(wěn)定期約為1 個(gè)月,在此之后隨著工程運(yùn)行,位移及沉降速率也再次恢復(fù)至加高前的水平,但是持續(xù)時(shí)間并不長,這也說明首次加載取得了較好的固結(jié)效果,固結(jié)穩(wěn)定期約為6 個(gè)月,再次加載固結(jié)效果一般。為此,筆者認(rèn)為,在萬頃沙聯(lián)圍海堤拋填施工過程中必須采取有效措施盡可能延長分級(jí)加載穩(wěn)定期,以便為加載后充分沉降預(yù)留出足夠時(shí)間,使圍堤施工質(zhì)量和穩(wěn)定性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求；此外,在堤身兩側(cè)反壓跟進(jìn)的過程中應(yīng)不斷推進(jìn)堤身,防止堤身兩側(cè)因應(yīng)力作用而表現(xiàn)出淤積、堤身嚴(yán)重沉降,同時(shí)還能有效避免圍堤基礎(chǔ)砂遭到軟體排的破壞。

3.2.2 W0+800 斷面沉降規(guī)律

該斷面位移變化情況具體見表2,表中數(shù)據(jù)負(fù)數(shù)表示位移向岸側(cè),正數(shù)表示位移向海側(cè)。根據(jù)表中所得觀測數(shù)據(jù)繪制斷面內(nèi)外測斜位移變化曲線,分別見圖4 和圖5,由圖可知,在2020 年2 月下旬到4 月底期間,主要進(jìn)行正堤段鎮(zhèn)腳石施工,并未進(jìn)行堤身加高,故這一期間斷面位移處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；根據(jù)位移變化速率,內(nèi)側(cè)位移速率更大,主要原因在于外側(cè)鎮(zhèn)腳的加載對(duì)于結(jié)構(gòu)自重及水流流動(dòng)荷載所引起的堤身下部土體位移有明顯的抑制作用[3],但因?yàn)閮?nèi)側(cè)未設(shè)置鎮(zhèn)腳石、反壓層也較短,所以堤身內(nèi)側(cè)位移速率比外側(cè)大。

圖4 W0+800 斷面內(nèi)測斜位移變化曲線

圖5 W0+800 斷面外測斜位移變化曲線

表2 W0+800 斷面位移及沉降變化情況

2020 年6 月～7 月將圍堤正堤段加高處理后位移數(shù)據(jù)顯示,該斷面因長時(shí)間未加載,兩側(cè)位移在一定程度上有所恢復(fù),也體現(xiàn)了圍堤基礎(chǔ)淤泥質(zhì)粘土的彈性特征。鎮(zhèn)腳石施工能使圍堤側(cè)向變形得到有效控制,所以在堤身施工過程中鎮(zhèn)腳石施工必須及時(shí)跟進(jìn)。

3.2.3 E0+650 斷面沉降規(guī)律

該斷面位移變化情況具體見表3,表中數(shù)據(jù)負(fù)數(shù)表示位移向岸側(cè),正數(shù)表示位移向海側(cè)。根據(jù)表中所得出的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步繪制斷面內(nèi)外測斜位移變化曲線,具體結(jié)果見圖6 和圖7?？紤]到此施工斷面主要位置在萬頃沙聯(lián)圍海堤工程水深最大的圓弧段,所的出的斷面內(nèi)外測斜位移變化情況充分說明該圓弧段原灘面低且坡度陡,拋石圍堤呈現(xiàn)出向海側(cè)整體位移的趨勢(shì)。與此同時(shí),如果原河床坡度陡峭,水深大,那么拋石圍堤也必定面臨整體滑移的變動(dòng)傾向,為此,在拋填施工過程中必須加強(qiáng)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析,密切觀測外側(cè)河床淤積變化趨勢(shì)規(guī)律。

圖6 E0+650 斷面內(nèi)測斜位移變化曲線

圖7 E0+650 斷面外測斜位移變化曲線

表3 E0+650 斷面位移及沉降變化情況

4 結(jié)論

綜上所述,萬頃沙聯(lián)圍海堤拋石填筑施工過程中必須通過嚴(yán)格控制分層加載厚度、在堤身兩側(cè)同步反壓施工、外側(cè)鎮(zhèn)腳石施工過程跟進(jìn)、盡可能延長恒載穩(wěn)定時(shí)間,通過施工監(jiān)測并根據(jù)所得出的監(jiān)測數(shù)據(jù),加強(qiáng)加載速率、加載高度等施工參數(shù)控制,待恒載時(shí)間以及所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)均基本處于穩(wěn)定后加載,為圍堤拋填施工質(zhì)量控制及圍堤安全穩(wěn)定提供保證。