潘國(guó)勇，匡 義，龐如月，周航凱，張志鵬，羊樟發(fā)

（1.杭州市富陽(yáng)區(qū)水利水電工程監(jiān)管中心，浙江 杭州 311400；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問(wèn)題的提出

圍堰是水利水電工程中重要的臨時(shí)建筑物，圍堰的防滲效果直接影響主體施工的安全及進(jìn)度。砂性土的滲透系數(shù)較大，易產(chǎn)生突發(fā)性管涌破壞[1]，在砂性基礎(chǔ)圍堰設(shè)計(jì)過(guò)程中，圍堰的防滲措施尤為關(guān)鍵[2]。目前應(yīng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)各類方法結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例開(kāi)展一系列研究。楊震等[3]通過(guò)試驗(yàn)研究高壓噴射注漿技術(shù)的適用地層范圍、在砂卵石透水層的擴(kuò)散范圍以及施工方法。章兆熊等[4]通過(guò)工程實(shí)例介紹三軸水泥攪拌樁的施工工藝、要點(diǎn)及在深基坑中的應(yīng)用情況。漆巨彬等[5]通過(guò)實(shí)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(guān)鍵技術(shù)、方法及防滲效果，提出合理的施工方案及質(zhì)量控制方法。

上述各類防滲技術(shù)都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，在實(shí)際工程中，需要根據(jù)不同的地質(zhì)條件及工程內(nèi)容選擇合適的防滲措施[6-8]。本文結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例，通過(guò)計(jì)算及比較實(shí)際施工情況研究不同防滲技術(shù)的防滲效果，并且探討設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及施工要點(diǎn)。

2 工程概況

富陽(yáng)區(qū)東洲北支江位于錢塘江流域富陽(yáng)—聞家堰的富春江河段，北支江上游水閘船閘工程屬亞運(yùn)場(chǎng)館及北支江綜合整治工程子項(xiàng)之一，是2022年亞運(yùn)會(huì)賽艇、皮劃艇賽事重點(diǎn)保障項(xiàng)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(hù)坦組成，左岸與護(hù)坡親水平臺(tái)相接，右岸與船閘相鄰。主體工程施工導(dǎo)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(bǔ)水泵站向下游補(bǔ)水。上游水閘船閘工程效果見(jiàn)圖1，圍堰布置及施工面貌見(jiàn)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(zhì)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(xì)砂及含礫細(xì)砂（厚度5.00~13.00 m，滲透系數(shù)5.7×10-3cm/s）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、含礫粉質(zhì)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(xì)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(zhì)地較細(xì)的粉細(xì)砂，岸坡透水性較好。為防止基坑產(chǎn)生管涌破壞，需要對(duì)圍堰地基及基坑兩岸岸坡采取相應(yīng)防滲措施，形成封閉防滲體系。

3.2 圍堰防滲型式比選

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)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(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 各防滲型式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

由于混凝土防滲墻造價(jià)相對(duì)較高，施工速度相對(duì)較慢，本工程不予考慮。高壓旋噴施工設(shè)備輕，砂層基礎(chǔ)施工速度快，但是施工過(guò)程中質(zhì)量控制難度較大。工程實(shí)施階段進(jìn)行高壓旋噴生產(chǎn)試驗(yàn)，開(kāi)挖檢查其成樁效果發(fā)現(xiàn)，高壓旋噴樁在表層耕植土中成樁不均勻，粉細(xì)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(xiàn)針刺狀，質(zhì)量穩(wěn)定性不高（見(jiàn)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(yàn)情況圖

經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jiǎn)單，形成的防滲體連續(xù)性好，但是設(shè)備尺寸較大，對(duì)施工作業(yè)面和基礎(chǔ)承載力有較高要求；鋼板樁施工工藝簡(jiǎn)單，施工速度快，但是對(duì)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(shè)備進(jìn)行施工。上游圍堰堵壩段采用充砂管袋填筑施工平臺(tái)，并采用鋼板樁防滲，設(shè)計(jì)深度穿過(guò)粉細(xì)砂層，打入相對(duì)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(shè)計(jì)深度穿過(guò)粉細(xì)砂層，打入相對(duì)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(jiàn)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(jiàn)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(jù)工程布置特點(diǎn)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(jì)算評(píng)價(jià)

本工程透水層主要為粉細(xì)砂層，屬易產(chǎn)生管涌破壞的地層。圍堰的防滲方案對(duì)工程建設(shè)至關(guān)重要，直接關(guān)乎工程成敗。圍堰及地基的滲流及滲透比降計(jì)算分析亦極為必要。

4.1 基坑滲流理論計(jì)算

本工程透水層主要為粉細(xì)砂層，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，滲透系數(shù)取值為5.7×10-3cm/s。基坑滲流主要分為3部分，主要有沿基坑圍堰的滲流、沿基坑基礎(chǔ)的滲流及兩側(cè)繞滲[13-15]。

沿圍堰體的滲流量根據(jù)公式（1）計(jì)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(shù)；i為水力坡降。

沿基坑基礎(chǔ)的滲流及繞滲計(jì)算可根據(jù)公式（2）計(jì)算可得：

式中：k為堰基的滲透系數(shù)，cm/s；L為滲透途徑長(zhǎng)度，m；H為水頭，m；T為基礎(chǔ)滲水深度，m；n可根據(jù)表2確定取值。

表2 n值確定表

根據(jù)上述計(jì)算方法，考慮基坑圍堰滲水情況、堰基情況，以及地質(zhì)資料、滲流水頭等因素，計(jì)算整個(gè)基坑工程的滲流總量為390 m3/h。

4.2 基坑滲流數(shù)值模擬計(jì)算

采用Slide滲流計(jì)算軟件分別計(jì)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(jì)算參數(shù)及滲透系數(shù)參考取值見(jiàn)表3；計(jì)算模型見(jiàn)圖6；上下游圍堰及兩岸邊坡計(jì)算工況見(jiàn)表4。

表4 上下游圍堰及兩岸邊坡計(jì)算工況表 m

圖6 滲流數(shù)值計(jì)算典型斷面圖

表3 主要土層計(jì)算參數(shù)表

計(jì)算得到的滲流量見(jiàn)表5。結(jié)果表明，在上下游圍堰及岸坡處設(shè)置防滲措施后，基坑的滲流量比不設(shè)置防滲措施時(shí)減少約60%。說(shuō)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(tái)班的使用。

表5 基坑滲流量計(jì)算結(jié)果表 m3/h

粉細(xì)砂層是本工程地質(zhì)條件中的主要地層，具有較強(qiáng)的透水性。是否會(huì)發(fā)生管涌與粉細(xì)砂的滲透比降息息相關(guān)。圍堰地基粉細(xì)砂層以及管袋圍堰中的壓密細(xì)砂水力坡降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 滲透比降計(jì)算結(jié)果圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，設(shè)置防滲結(jié)構(gòu)后，粉細(xì)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(nèi)（粉細(xì)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(xiàn)象。

目前北支江上游水閘船閘工程已開(kāi)工建設(shè)約2 a，基坑施工條件良好，未發(fā)生管涌破壞現(xiàn)象，形象面貌見(jiàn)圖2。根據(jù)施工統(tǒng)計(jì)情況，基坑經(jīng)常性抽水量為210~300 m3/h，與理論計(jì)算、數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本相吻合，圍堰防滲方案合理、可靠。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)理論分析與實(shí)際施工統(tǒng)計(jì)，對(duì)北支江上游水閘船閘工程砂性地基圍堰滲流進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論：

（1）采用鋼板樁、三軸水泥攪拌樁作為砂性基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)連續(xù)性較好。

（2）采用理論方法、數(shù)值計(jì)算對(duì)圍堰的滲流、砂性地基滲透比降進(jìn)行分析，并與實(shí)際施工統(tǒng)計(jì)情況進(jìn)行對(duì)比，表明在設(shè)置防滲結(jié)構(gòu)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(shè)，同時(shí)為類似工程設(shè)計(jì)、施工提供有益借鑒。