王旭峰,秦福華

(1.杭州市水利設(shè)施監(jiān)管中心,浙江 杭州 310016;2.杭州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310016)

1 工程慨況

青川縣竹園鎮(zhèn)位于青川縣南部地區(qū),與江油市、劍閣縣接壤,交通發(fā)達(dá),是青川縣的經(jīng)濟(jì)中心,區(qū)位優(yōu)勢明顯,寶成鐵路縱貫全境。青川縣境內(nèi)有集水面積50 km2以上的河流19條,其中青竹江、喬莊河、白龍江(白龍湖)為3大河流,均屬嘉陵江水系。青竹江屬于嘉陵江的2級支流,發(fā)源于青川縣清溪鎮(zhèn)西北摩天嶺南麓及龍門山北端的大草坪,河源海拔高程3 837m,河流長204 km,流域面積2 873 km2。青川縣境內(nèi)河流長154 km,河床平均比降5‰,流域面積1 768 km2,竹園鎮(zhèn)位于青竹江下游地區(qū)多雨區(qū),每遇暴雨容易產(chǎn)生峰高、量大的洪水,導(dǎo)致洪災(zāi),使竹園鎮(zhèn)歷年頻繁遭受洪災(zāi)之苦,給全鎮(zhèn)甚至全縣經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。2008年5月12日,四川省汶川縣發(fā)生8級特大地震,其烈度達(dá)到11°,是青川有史以來破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、救災(zāi)難度最大的毀滅性災(zāi)難,造成青川縣嚴(yán)重人員傷亡和巨大財(cái)產(chǎn)損失,青川縣是地震極重災(zāi)區(qū)之一。由于竹園鎮(zhèn)在這次大地震中遭到嚴(yán)重的破壞,恢復(fù)重建難度大,根據(jù)城鎮(zhèn)規(guī)劃方案,在竹園鎮(zhèn)下游梁沙壩建設(shè) “竹園新區(qū)”,與竹園老鎮(zhèn)一起作為未來青川的經(jīng)濟(jì)、政治、文化中心及全縣工業(yè)經(jīng)濟(jì)的主平臺,根據(jù)黨中央安排,青川縣由浙江省援建,竹園鎮(zhèn)由杭州市對口援建。為保障規(guī)劃區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全,為順利開展災(zāi)后新城重建提供良好的水利環(huán)境,保障地方經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展,國家批準(zhǔn)竹園鎮(zhèn)防洪堤援建項(xiàng)目,以提高城鎮(zhèn)防洪能力,保障重建新城鎮(zhèn)的防洪安全,并發(fā)揮交通、水景觀等綜合功能,營造城市沿江風(fēng)景線。竹園鎮(zhèn)防洪堤工程的任務(wù)以防洪為主,結(jié)合改善居住環(huán)境及交通條件等綜合利用。沿程保護(hù)對象主要為規(guī)劃新區(qū)居民及各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施、學(xué)校、行政機(jī)關(guān)、住宅、商業(yè)、公共建筑、道路等。防洪堤全長10.6 km,工程總投資1.8億元,防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為20 a一遇,50 a一遇不漫頂。

2 地質(zhì)地貌條件

竹園鎮(zhèn)屬于寬闊的U形谷地地貌,兩側(cè)為連綿山脈,青竹江自西南向東北穿越鎮(zhèn)區(qū),鎮(zhèn)區(qū)整體地勢西南高東北低,呈帶狀組團(tuán)走向,青竹江兩岸山脈海拔在1 000 m以上,相對河谷高差超過500 m,屬于中山區(qū)地形。竹園鎮(zhèn)附近河道呈“S”形轉(zhuǎn)折,組成山體的巖體巖性較軟弱,同時(shí)受斷層、褶皺影響,山體坡度較緩,物理地質(zhì)作用主要表現(xiàn)為巖體的風(fēng)化和河流沖刷。

竹園鎮(zhèn)防洪堤工程沿線土層為含漂石卵石,基巖面埋深約5.10～6.70 m。堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類屬粗粒土單一結(jié)構(gòu)。河漫灘上部為粉砂,厚度一般1.10 m。其下為雜色中密～密實(shí)的含漂石卵石,為現(xiàn)代河床沖洪積層,厚度一般在5.60～8.50 m以上,卵漂石成分主要為砂巖、變質(zhì)花崗巖等,含漂石卵石層以下為基巖。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,河漫灘曾進(jìn)行淘金,含漂石卵石層被開挖,淘金結(jié)束后含漂石卵石重新回填,范圍較大。原狀含漂石卵石屬中等～強(qiáng)透水性。在回填范圍內(nèi)的覆蓋層松散～稍密,透水性屬強(qiáng)～極強(qiáng)透水性。防洪堤持力層均為漂石卵石層,設(shè)計(jì)參數(shù):承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk=250 kPa,變形模量Eo=10～20 MPa,內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值 Φk=30～35°,允許水力坡降:J允=0.08,基底摩擦系數(shù)0.4～0.5。

3 基礎(chǔ)防沖結(jié)構(gòu)

3.1 防洪堤典型結(jié)構(gòu)

竹園鎮(zhèn)防洪堤采用的典型斷面為上部斜坡+下部平臺復(fù)合式斷面型式,堤頂“路堤結(jié)合”作為城鎮(zhèn)主干道,堤身下部設(shè)置親水平臺,高程位于堰壩頂高程0.7 m以上,寬3.0 m,局部寬度10.0～20.0 m,平臺以上邊坡為 1∶2.0。堤防護(hù)坡及平臺均采用灌砌卵石砌筑,厚度為40 cm,下設(shè)細(xì)卵石墊層,厚15 cm,墊層底鋪設(shè)400 g/m2土工布1層,護(hù)坡上部采用鋼筋C20混凝土預(yù)制六邊形空心框格,內(nèi)覆耕植土,種植攀藤植物,護(hù)坡頂部設(shè)置C20混凝土塊及青石欄桿。下部重力擋墻采用C20混凝土砌筑,面坡1∶0.2,背坡1∶0.45,底板厚度 0.5～0.8 m,擋墻設(shè)C20混凝土壓頂,厚20 cm。護(hù)坡、平臺及擋墻每隔10 m設(shè)1道伸縮縫,縫間嵌瀝青松木板,厚2 cm,砌體內(nèi)設(shè)φ 10PVC排水管,填土端采用土工布袋裝碎石壓口,按間距2.5 m布置。擋墻防沖基礎(chǔ)采用底板外側(cè)護(hù)坦+沉井防沖結(jié)構(gòu),深度為3.4 m,沉井外邊緣為1.0 m×1.0 m正方形,壁厚12 cm,C25鋼筋混凝土護(hù)坦厚度0.4 m。堤身回填采用工程區(qū)內(nèi)的砂礫料填筑,填筑相對密度要求不小于0.70。坡面平均每間隔200 m左右設(shè)置一寬3 m的踏步,以利行走并可至平臺。

由于青竹江為山區(qū)河流,河水平行岸坡的沖刷能力較強(qiáng),根據(jù)調(diào)查,現(xiàn)狀沖刷深度可達(dá)1～2 m左右,可能出現(xiàn)岸坡失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,堤腳防沖基礎(chǔ)是竹園鎮(zhèn)防洪堤自身安全的重點(diǎn),同時(shí)結(jié)合堤身對典型斷面進(jìn)行邊坡滑動穩(wěn)定分析。

3.2 防沖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案

防洪堤所在的青竹江屬于典型的山區(qū)型河流,洪水暴漲暴落,50 a一遇最大洪峰6890 m3/s,最大流速5.0m/s左右,根據(jù)現(xiàn)場踏勘,堤腳掏空為最主要的破壞形式。從堤防結(jié)構(gòu)布置斷面上來看,河床斷面大部分為典型的 “U”形河床,中間主河槽高程較低,兩側(cè)灘地高程較高,局部轉(zhuǎn)彎易沖段為深潭,竹園鎮(zhèn)防洪堤堤線位于河灘地上,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深深度均較大,根據(jù)現(xiàn)場踏勘,現(xiàn)狀河床局部沖刷深度可達(dá)2.0 m以上,并根據(jù)砂礫石允許不沖流速計(jì)算,設(shè)計(jì)河底以下岸坡最大沖刷深度為1.2 m?？紤]到此段河道挖砂采砂嚴(yán)重,當(dāng)?shù)靥越瓞F(xiàn)象普遍,設(shè)計(jì)中沖刷深度以理論計(jì)算為基礎(chǔ),并結(jié)合地質(zhì)勘探成果,現(xiàn)場實(shí)際沖刷情況及參考當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)部門經(jīng)驗(yàn),最后確定防沖總深度為3.4 m。防沖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)根據(jù)安全保證、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工工藝、工期進(jìn)度等方面進(jìn)行方案比選,選擇最典型的擋墻底板混凝土防沖墻及護(hù)坦沉井防沖2種方案進(jìn)行比較。

3.2.1 護(hù)坦+沉井防沖(方案1)

堤腳防沖采用護(hù)坦+沉井防沖結(jié)構(gòu)(見圖1)型式,沉井頂端回填C20混凝土,并梅花形布置插筋與護(hù)坦上層鋼筋綁扎,護(hù)坦外側(cè)采用“L”形肋結(jié)構(gòu)與沉井咬合,不僅可加強(qiáng)沉井及擋墻自身穩(wěn)定性,還可使沉井連接為整體結(jié)構(gòu),提高其抗沖刷整體性和安全性。沉井多應(yīng)用于我國沿海淤泥、粉質(zhì)黏土等軟性地基地區(qū),施工方法主要為沖沉或挖沉,可以同時(shí)解決地基承載力和地基滲透變形的問題,小型沉井一般應(yīng)用于江河堤防堤腳防沖,在浙江省內(nèi)的沿海海塘、堤防中應(yīng)用較為普遍。據(jù)了解,沉井結(jié)構(gòu)在青川縣為第1次應(yīng)用,作為防沖結(jié)構(gòu)在四川省也為首次應(yīng)用。護(hù)坦+沉井防沖型式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)牢固,安全性高,對堤防保護(hù)作用大,整體性強(qiáng),適合沖刷較嚴(yán)重的河道;缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,水下施工工藝要求高,防滲要求高。

圖1 護(hù)坦+沉井防沖結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 底板齒墻+水下混凝土防沖墻(方案2＜見圖2＞)

由于河床地下水位線較高,砂礫石強(qiáng)透水性,基坑開挖時(shí)無法通過強(qiáng)排等措施排水。設(shè)計(jì)過程中,堤腳防沖結(jié)合擋墻底板,在底板前端設(shè)置防沖齒墻,地下水位以下采用大體積水下混凝土施工,防沖齒墻結(jié)構(gòu)型式為應(yīng)用最常見的防沖結(jié)構(gòu)型式,齒墻增加擋墻抗滑能力同時(shí)起到防沖刷作用,在一般平原河道應(yīng)用極多。此種型式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單,施工方便,工藝簡單、基礎(chǔ)地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng);缺點(diǎn)是防沖深度較大時(shí)混凝土用量大,齒墻采用素混凝土較單薄,易折斷,地下水位較高時(shí)需采用水下混凝土施工,且質(zhì)量難以保證。

圖2 底板齒墻+水下混凝土防沖結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 方案選擇

以上2種防沖結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)均結(jié)合了青川縣竹園鎮(zhèn)青竹江防洪堤實(shí)際地質(zhì)、地形、水文等資料,達(dá)到3.4 m的防沖刷深度,做到方案可行,結(jié)構(gòu)安全,施工方便?？紤]到災(zāi)區(qū)援建項(xiàng)目政治影響大、質(zhì)量要求高、施工難度大、工期緊、現(xiàn)狀河道管理不到位等特點(diǎn),方案1安全性、整體性、質(zhì)量保證、工期進(jìn)度均較好(見表1),經(jīng)綜合分析,最終選擇方案1(護(hù)坦+沉井防沖結(jié)構(gòu))。

表1 防沖基礎(chǔ)方案比較表

3.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

護(hù)坦+沉井防沖結(jié)構(gòu)應(yīng)用在山區(qū)性河道具有十分顯著的社會效益,與傳統(tǒng)的砌石、混凝土材料底板防沖結(jié)構(gòu)相比安全性突出,可異地同步預(yù)制沉井,加快工期、施工快速、工藝簡單、基礎(chǔ)地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng),質(zhì)量能得到保證。基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)由擋墻、鋼筋護(hù)坦、沉井、沉井連接體和填土組成。其主要防沖結(jié)構(gòu)包括:“L”形C20鋼筋混凝土護(hù)坦,厚40 cm;C30鋼筋混凝土預(yù)制沉井,外緣為1.0 m×1.0 m矩形,長3.0 m。沉井下部回填砂礫石,上口采用C20混凝土封口,內(nèi)插梅花型布置的插筋,與護(hù)坦上層鋼筋綁扎。依靠 “L”形肋及插筋,沉井連接為整體,增加了抗傾安全及整體牢固度。沉井基坑回填料主要采用砂礫石土,并分層壓實(shí),層厚不超過50 cm。設(shè)計(jì)為防洪堤防沖結(jié)構(gòu)時(shí),由于砂礫石基礎(chǔ)地質(zhì)條件較好,沉井的主要作用是防沖、防掏空,因此必須考慮水流對堤身基礎(chǔ)的各種影響,主要表現(xiàn)在:①防沖深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求;②基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自身抗傾抗滑穩(wěn)定;③洪水期間,在洪水位作用下,水流沿基礎(chǔ)下部產(chǎn)生繞滲、潛蝕管涌破壞問題;④基坑開挖后地下水較高影響沉井安裝問題。這些即是沉井防沖結(jié)構(gòu)應(yīng)用于河道防洪堤工程的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)。因此,除了沉井結(jié)構(gòu)自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)外,水流狀態(tài)、河床地形對沉井防沖結(jié)構(gòu)的各種影響也就成了設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3.4 穩(wěn)定計(jì)算

沉井防沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要為確定沖刷深度及保證自身穩(wěn)定,鵝卵石基礎(chǔ)承載力較好,沉井及護(hù)坦垂直受力較小,一般不單獨(dú)計(jì)算沉井的承載力驗(yàn)算,而是進(jìn)行擋墻底板承載力驗(yàn)算。沉井內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算主要為沉井結(jié)構(gòu)安全計(jì)算;外部穩(wěn)定分析計(jì)算主要進(jìn)行抗滑動、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算,另外由于沉井基坑填料大多為中低液限礫類土、砂類土、砂礫石土等具有滲透性的材料,因此還需要進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析計(jì)算。

3.4.1 內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算

沉井結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定計(jì)算主要是確定沉井在受力狀態(tài)下,抗彎抗剪安全,目的是確定鋼筋型號、斷面長度及數(shù)量,以滿足自身結(jié)構(gòu)安全。

3.4.2 外部穩(wěn)定計(jì)算

外部穩(wěn)定計(jì)算包括沉井結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定、抗傾穩(wěn)定、整體穩(wěn)定。外部穩(wěn)定計(jì)算時(shí)必須考慮水荷載的作用。計(jì)算必須考慮2種最不利的設(shè)計(jì)工況(荷載組合),一種是完建期臨水側(cè)無水壓力,堤身填土壓力情況,另一種是有水壓力情況。通過對2種設(shè)計(jì)工況的計(jì)算以確定結(jié)構(gòu)外部穩(wěn)定計(jì)算的控制工況。主要措施有:①沉井外側(cè)灘地寬度不小于10m;②護(hù)坦采用“L”形肋構(gòu)造與沉井咬合;③沉井采用C20混凝土封口,內(nèi)布置梅花形插筋,增加基礎(chǔ)整體抗滑;內(nèi)壁鋪設(shè)雙層土工布,高度為沉井頂高程以下2.0 m以及回填料分層壓實(shí)相對密度不低于0.7。

3.4.3 滲透穩(wěn)定計(jì)算

沉井結(jié)構(gòu)滲透穩(wěn)定計(jì)算則是在地下水壓力作用下,計(jì)算沉井內(nèi)側(cè)滲透穩(wěn)定,防止內(nèi)側(cè)砂礫石流失而形成空洞等現(xiàn)象,并相應(yīng)采取措施。主要措施為沉井內(nèi)壁鋪設(shè)雙層土工布,高度為沉井頂高程以下2.0 m以及回填料分層壓實(shí)相對密度不低于0.7。

3.5 施工技術(shù)措施

青竹江河道為典型“U”形河床,兩側(cè)灘地地下水位較高,砂礫石透水性強(qiáng),防洪堤在基礎(chǔ)開挖過程中,遇到大量地下水涌出,無法采用排水措施抽水,因此在施工時(shí)采取機(jī)械吊裝,人工輔助安裝。設(shè)計(jì)也對沉井安裝標(biāo)準(zhǔn)有詳細(xì)要求,主要有:①沉井頂高程控制高差不大于10 cm;②沉井安裝傾斜度不大于5°;③沉井之間縫隙寬度不大于2 cm。另外,為防止沉井內(nèi)側(cè)回填料流失,沉井內(nèi)壁鋪設(shè)雙層土工布,高度為沉井頂高程以下2.0 m。

由于護(hù)坦沉井結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)各段地質(zhì)性狀不一,為防止基礎(chǔ)不均勻沉降,防洪堤擋墻及護(hù)坦須設(shè)置沉降縫,擋墻分縫間距為10 m,內(nèi)填2 cm厚瀝青松木板,護(hù)坦分縫間距為5 m,縫間采用二氈三油進(jìn)行止水處理,下部平臺擋墻沉降縫處還需敷設(shè)寬度為0.6 m的復(fù)合土工布,以起到反濾的作用。

由于沉井采取同步預(yù)制,機(jī)械化施工,且安裝工藝簡單,因此施工速度較快,施工期大為縮短,目前,竹園鎮(zhèn)防洪堤工程比合同工期提前3個(gè)月完工,加快了援建項(xiàng)目的總體進(jìn)度,也為后期堤頂?shù)缆返仍üこ虅?chuàng)造了良好的條件,為援建工作 “三年任務(wù)兩年完成”奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。由于施工、監(jiān)理單位為浙江省內(nèi)的一級水利企業(yè),多次參與了浙江省內(nèi)的千里海塘工程建設(shè),施工技術(shù)較為成熟,工程現(xiàn)場管理到位,整個(gè)防洪堤工程的建設(shè)較好地體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的意圖,也較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié) 語

(1)將沿海地區(qū)應(yīng)用較多的沉井技術(shù)應(yīng)用于四川砂礫石基礎(chǔ)水利工程防洪堤,可以大大節(jié)約工程投資,而且施工簡單、快速,大大縮短施工工期,具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)沉井加護(hù)坦防沖結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于水利工程時(shí)應(yīng)根據(jù)工程的特點(diǎn)和工程區(qū)的地質(zhì)、地形條件等具體情況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算和斷面型式設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì),以滿足工程自身的特點(diǎn)和要求。

(3)青川縣竹園鎮(zhèn)防洪堤的設(shè)計(jì)和建設(shè),是沉井加護(hù)坦基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于水利工程一個(gè)成功典范,可望為四川省砂礫石基礎(chǔ)的水利工程建設(shè)起到積極的推動作用。