潮間帶水閘基坑電滲聯(lián)合真空預(yù)壓降排水設(shè)計與施工

夏 杰

(上海市水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督中心站,上海 200237)

電滲降排水是通過在土體中插入具有排水功能的電極,通直流電來驅(qū)動層間滯水從陽極向陰極流動并排出,從而加速土體固結(jié)并提高其抗剪強度的降排水工法。由Casagrande[1]于1939年首次應(yīng)用于鐵路路基邊坡穩(wěn)定處理并取得成功,此后應(yīng)用于軟基處理、邊坡加固、尾礦和污泥脫水等工程項目并取得了預(yù)期成效。電滲降排水具有噪音小、加固效果好、施工所需設(shè)備簡單等優(yōu)勢,是一種具有較好發(fā)展前景的軟黏土加固方法[2],如果單獨使用電滲法就會存在界面電阻過大、能耗大等問題[3]。真空預(yù)壓法是通過抽真空,使土體與豎向排水體之間形成負壓滲流場,從而實現(xiàn)排水固結(jié)。該方法雖然能在一定范圍內(nèi)較好地固結(jié)土體,但是單獨應(yīng)用該方法時由于塑料排水板淤堵、土體加固后真空度傳遞受阻等問題,影響后期處理效率和效果[4]。

近年來,許多學(xué)者針對軟黏土的電滲聯(lián)合真空預(yù)壓做了大量試驗[5-9],試驗結(jié)果表明,電滲法和真空預(yù)壓法聯(lián)合在將被動排水轉(zhuǎn)化為主動排水的同時,同時也起到了離子沉積、電化學(xué)加固等作用,通過優(yōu)化工藝流程,實現(xiàn)了更好的排水效果。電滲聯(lián)合真空預(yù)壓的處理效果受通電方式、電極布置、電極材料等因素影響較大。筆者以潮間帶水閘基坑處理為例,對其采用的電滲聯(lián)合真空預(yù)壓降排水的設(shè)計及施工方案進行介紹,通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及成效進行分析,為類似工程在采用該方法時提供參考。

1 工程概況

崇明島堡鎮(zhèn)港北閘位于長江北港南側(cè)邊灘區(qū)域,施工區(qū)域周邊無建構(gòu)筑物等障礙物,無管線高壓線,環(huán)境保護等級為3級,現(xiàn)有對外交通為西側(cè)老大堤堤頂?shù)缆?。本工程水閘基坑開挖深度為4.25～6.90 m,開挖范圍包括水閘閘室、空箱、內(nèi)河護坦、外河消力池及內(nèi)外河海漫段。各區(qū)開挖深度及底高程見表1。

表1 水閘基坑開挖深度表

1.1 工程地質(zhì)概況

因工程水閘初步設(shè)計原定閘址附近存在采砂深坑,為保證水閘結(jié)構(gòu)安全,將水閘內(nèi)移163 m。第一次地勘報告僅對原閘址區(qū)域進行地質(zhì)勘查,針對新閘范圍土質(zhì)僅設(shè)置了一個勘測點,未達到設(shè)計要求,因此進行了補勘。根據(jù)地勘(含補勘)資料揭示,本工程所處水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件具有以下特性。

根據(jù)本工程地勘及補充勘察報告,閘室基坑主要地層信息:3.73～1.33 m高程為①3-1灰色淤泥質(zhì)黏土(新近沉積土);1.33～-5.47 m為①3-2灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(新近沉積土);-5.47～-10.97 m為②3灰色砂質(zhì)粉土;-10.97～-12.57 m為②3夾灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;-12.57～-16.87 m為②3灰色砂質(zhì)粉土;-16.87～-20.97 m為⑤1灰色粉質(zhì)黏土夾粉土;-20.97～-30.27 m為⑤3-1灰色粉質(zhì)黏土;-30.27～-36.57 m為⑦1灰色砂質(zhì)粉土。

本工程基坑開挖主要涉及土層為①3-1灰～黃灰色淤泥和①3-2灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,根據(jù)地勘報告,該區(qū)域土層承載力低、流變性強、靈敏度高、滲透系數(shù)小等特征,需要對該土層進行處理。

1.2 基坑降排水前期試驗概況

1.2.1 基坑降排水試驗

本工程采取管井結(jié)合輕型井點、明排水進行基坑降排水。在基坑開挖前,按設(shè)計及經(jīng)審批同意的降排水施工方案進行了管井施工,并進行了連續(xù)22 d的降排水試驗,累計降水變化最大值為0.2 m(圖1),降排水效果非常不理想。

圖1 管井結(jié)合輕型井點試驗降排水成效統(tǒng)計

1.2.2 基坑土方開挖試驗

經(jīng)現(xiàn)場試開挖試驗,基坑開挖范圍土體靈敏度極高,幾乎處于流塑液化狀態(tài)。在試開挖過程中出現(xiàn)了土體深層滑動,經(jīng)連續(xù)實地監(jiān)測,試驗用PHC管樁向閘室側(cè)偏移量為30～80 cm,其中東側(cè)中間試樁的偏移量甚至超過80 cm,偏移實景如圖2所示。

圖2 試驗用PHC管樁偏移實景

通過對以上工況分析可知,本工程基坑降排水處理主要重點與難點如下:

1) 基坑開挖范圍均為淤泥質(zhì)黏土,土力學(xué)性能較差且含水量大并呈流塑狀,放坡成型困難;場地承載力低,基本不具備樁基等各類大型機械設(shè)備、人員作業(yè)條件。

2) 空箱開挖底高程與閘室齒槽、外河翼墻底高程高差約3 m;空箱重力式擋土墻底標高為-7 m,深度較淺且全部位于淤泥質(zhì)黏土層,擋土能力不能滿足翼墻與齒槽開挖要求,基坑支護保護時機把握困難。

3) 基坑開挖與下部結(jié)構(gòu)施工位于上海市汛期,降雨量大,受臺風(fēng)、暴雨、大潮等影響:基坑邊坡易受沖刷,并出現(xiàn)局部積水、邊坡表面不穩(wěn)定等問題。

2 降排水方案設(shè)計及施工

2.1 降排水方案設(shè)計

單獨的電滲法采用常規(guī)電極材料,通電后陽極降解會造成土體重金屬污染,本工程位于刀鱭保護核心區(qū),對工程環(huán)境保護、水質(zhì)要求高,不允許對土體、水質(zhì)造成污染。且電滲電極采用電極管等方式通電,與淤泥質(zhì)土接觸面積小,通電降水后,電極管與土體之間容易因排水固結(jié)迅速出現(xiàn)裂縫,導(dǎo)致電滲效果降低,因此,單獨電滲法從環(huán)境,效率方面考慮都不宜采用。

真空預(yù)壓法對淤泥質(zhì)土具有一定的處理效果,但整體處理工期較長,且處理效果在本工程是否有效難以確認,因本工程為上海市“十三五”重大工程,對項目進度、質(zhì)量安全要求高,為保證處理效果,節(jié)省工期,擬采用電滲聯(lián)合真空預(yù)壓法對場地淤泥質(zhì)軟黏土進行處理,促使土體快速排水固結(jié)以滿足正常放坡開挖施工要求,并通過監(jiān)測及時調(diào)整方案及評估降排水效果。

2.1.1 基坑處理設(shè)計要點

本工程在電滲處理前已完成樁基施工,樁基類型包括三軸攪拌樁止水帷幕、PHC管樁、閘室支護鋼管樁等多種樁基,及前期實施的鋼管管井。本工程基坑西側(cè)區(qū)域為老河道回填,采用沖砂管袋回填。樁基、鋼管等障礙物對聯(lián)合法實施存在一定影響,沖砂管袋回填區(qū)域?qū)φ婵疹A(yù)壓的密封有更高要求。設(shè)計過程中應(yīng)分別對不同障礙物對電滲運行的影響進行考慮,分區(qū)進行布置,再通電運行,不同區(qū)域考慮采用不同的布置間距與深度,以保證各區(qū)域均能達到較好的通電效果。

1) 在基坑頂四周及整個圍堰包圍圈內(nèi)開挖截(排)水溝,設(shè)置集水井布置水泵,將圍堰包圍圈內(nèi)降水匯集后集中抽排至圍堰外;在基坑平臺設(shè)置明排水溝,布置電滲降排水措施確保邊坡穩(wěn)定,在坑底設(shè)置排水措施并及時抽排地表滲漏與大氣降水的積水。沿控水范圍外側(cè)四周間隔插設(shè)B型與EKG型塑料排水板并形成封閉圈并作為陰極;以EKG型塑料排水板中的導(dǎo)電體作陽極,并施加強直流電電流[10]。

2) B型板和EKG電滲板交替并呈梅花狀插設(shè)施工,二者之間的間距應(yīng)控制在70 cm;應(yīng)根據(jù)地勘報告設(shè)置插設(shè)深度(本工程插設(shè)深度7 m)并穿過擬降排水土層至少50 cm。在插設(shè)時,應(yīng)嚴格控制帶出長度及其完整性,發(fā)生扭曲、斷裂、帶出長度超過50 cm的排水板應(yīng)拔除后重新插設(shè)合格的排水板。

3) 應(yīng)按電勢梯度為1.25 V/cm計算同型號塑料排水板之間的間距[11];EKG電滲板之間的間距不應(yīng)超過140 cm、且有效最高電壓控制在120 V時,其電極腐蝕相對較小,降排水效果最佳。

4) 為了更加高效地提高降排水和土體固結(jié)效率,可交替使用這兩種工法,交替加固時間可根據(jù)真空預(yù)壓與電滲產(chǎn)生相同的排水量所需的時間關(guān)系來確定,并視具體工期調(diào)整該時間;若工期要求緊,可適當提高真空預(yù)壓與電滲的交替時間[12];具體工藝交替間隔時間應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定。對于電滲通電運行,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果確定參數(shù),對于通電參數(shù)異常區(qū)域應(yīng)檢查分析異常原因,必要時對該區(qū)域進行返工檢查。通電過程宜在白天高峰期降低電壓,低谷期提高電壓,減少用電費用地同時也能夠保證處理效果。

2.1.2 監(jiān)測方案設(shè)計要點

在處理區(qū)域內(nèi)布置監(jiān)測斷面和埋設(shè)監(jiān)測儀器,對加固區(qū)的地表沉降、膜下真空度、孔壓等變化規(guī)律進行現(xiàn)場觀測[13-14],繪制相關(guān)變化過程曲線,對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理和計算,以分析軟土地基固結(jié)變形性狀和評價加固效果,方案見表2。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測方案

2.2 降排水方案施工

基坑全范圍均進行電滲聯(lián)合真空預(yù)壓地基降排水處理施工。在現(xiàn)場基坑邊坡初步固結(jié)并具備施工條件后,采用小型插板機和人工配合工藝進行普通塑料排水板(B型排水板)和導(dǎo)電塑料排水板(EKG電滲板)施工。

本工程具體施工工藝要點如下:

2) 機械交插設(shè)B型和EKG電滲板前應(yīng)定位放樣且孔位誤差應(yīng)小于10 cm,并應(yīng)落實不發(fā)生“扭結(jié)、斷裂、撕裂濾膜”質(zhì)量問題、以及防回帶超過0.5 m的技術(shù)措施;板體外露長度控制在50 cm以內(nèi)、底端距離下臥②3砂質(zhì)粉土層頂面間距大于50 cm。

3) 水平排水管路鋪設(shè)時,排水支管與排水板和電滲板、與排水主管連接,以及排水主管上連接出膜器時應(yīng)嚴格落實密封措施;運行前應(yīng)進行密封性調(diào)試以確保不漏氣。

4) 真空度、孔壓計等監(jiān)測儀器埋設(shè)并檢測合格且降排水系統(tǒng)鋪設(shè)完成后,鋪設(shè)一層松鋪系數(shù)應(yīng)大于1.15,且搭接良好的220 g/土工布來保護降排水系統(tǒng)(含鋪設(shè)的兩層密封膜),并應(yīng)檢查驗收土工布鋪設(shè)搭接質(zhì)量以及密封膜鋪設(shè)質(zhì)量。

3 結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析

選取測點1～6對應(yīng)的膜下真空度隨處理時間變化分析,結(jié)果如圖3所示。選取1組埋設(shè)深度分別為1,3,5 m時,孔壓數(shù)據(jù)隨處理時間變化進行分析,結(jié)果如圖4所示。地基處理區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)沉降標,選取1～5號沉降標累積沉降量隨處理時間變化進行分析,結(jié)果如圖5所示。對經(jīng)新型電滲聯(lián)合真空預(yù)壓降水處理的軟土的含水率測試,結(jié)果如圖6所示。

圖3 膜下真空度隨處理時間變化

圖4 孔壓隨處理時間變化

圖5 累積沉降量隨處理時間變化

圖6 含水率隨處理時間變化

真空度是加固處理軟土中總應(yīng)力的大小反映。只有保證一定的真空度,才能使孔壓消散引起的應(yīng)力增加達到較高數(shù)值。從圖3可以看出,膜下真空度在處理期間基本維持在70～80 kPa,真空度維持在較高數(shù)值,使得水分得以排出,后期由于土層固結(jié),真空度稍降低。由圖4可知,孔壓與膜下真空度、水位等有關(guān),不同深度的孔壓前期數(shù)值均下降較快,且1,3 m的孔壓在處理中期出現(xiàn)負壓,說明地基中的水位持續(xù)下降。由圖5可知,累積沉降量在一定程度上反映了軟土的固結(jié)速度。沉降標1～5累積沉降量為300～354 mm,均值為325.8 mm,前30 d的累積沉降量為263～333 mm,均值為289.2 mm,占最終沉降量的88.8%。這說明前期固結(jié)速率較快。由圖6可知,①3-1土層含水率從54.6%下降至28.1%,①3-2層含水率從45.7%下降至34.2%,含水率降低明顯。且經(jīng)過對①3-2層土樣檢測,其黏聚力從12 kPa提升至14 kPa,峰值內(nèi)摩擦角從19.0°提升至26.5°。這說明本次軟土地基處理效果良好。

3.2 實際效果分析

處理前基坑土體呈流塑狀,開挖邊坡無法成型,基坑承載力差,常規(guī)挖機、樁基等設(shè)備均無法在場地上作業(yè),如圖7所示。經(jīng)處理后,基坑土體全部固結(jié),開挖成硬塑,局部為軟塑狀,開挖邊坡可按1∶1至1∶3成型,邊坡穩(wěn)定性良好,挖機等設(shè)備在處理后基礎(chǔ)上可直接行走作業(yè),車轍深度約為10 cm,基礎(chǔ)承載力大幅提升,實際效果如圖8—圖9所示。

圖7 處理前基坑工況

圖8 處理后邊坡成型

圖9 取芯芯樣照片

4 結(jié) 論

1)電滲聯(lián)合真空預(yù)壓降排水對潮間帶淤泥質(zhì)軟黏土層極其發(fā)育的灘涂區(qū)域處理效果優(yōu)勢明顯,排水加固后軟土地基各項指標均得到較大提高。

2) 基坑降排水措施設(shè)計時應(yīng)緊密結(jié)合工程地質(zhì)勘查報告進行,且應(yīng)重點關(guān)注地下水存在形態(tài)。對于存在疑問或地勘資料與實地踏勘工況差異明顯時應(yīng)盡早提出,必要時,地勘單位應(yīng)進行補勘,提供更為詳細的地勘補充報告。

3) 電滲聯(lián)合真空預(yù)壓降排水工藝總體實施成本較高,僅適用于特殊的地質(zhì)與水文環(huán)境,且工期與施工作業(yè)面受限的施工工況;在工期、施工作業(yè)面均有足夠保障時應(yīng)優(yōu)先選擇成本更低的井點降水并結(jié)合放坡開挖工藝。