淤泥地質下模袋砂水閘圍堰施工技術的應用

于建星

（南水北調中線干線保定管理處，河北 保定 071000）

1 問題的提出

唐河灌區總干渠位于保定市西南部，灌溉水源為西大洋水庫，總干渠全長43 km。總干渠渠首樞紐地處太行山東麓沖積扇平原，設計流量68 m3/s，主要有溢流閘、引水隧洞、沖砂閘等建筑物，引水渠首以上控制流域面積12547 km2，渠首以下測站年平均來水量78139萬m3。引水樞紐水閘近年來出現不均勻沉降問題及防洪標準逐年降低，對水閘防洪排澇作用的發揮十分不利。為此必須按照區域城鄉水利防災減損應急工程建設50年一遇防洪標準進行閘壩重建。聯合閘圍堰基礎長度867.65 m，重建工期緊、工序復雜，淤泥質地基軟弱，所以圍堰結構型式確定及地基加固方案的合理選擇是保證圍堰填筑及施工的關鍵。

工程圍堰基礎層淤泥質厚23.5 m，淤泥質層含水量較高、孔隙比大，承壓力弱，圍巖沉降大，淤泥擾動、滑塌普遍，物理力學性能指標見表1。為保證淤泥質地基良好的排水性，防止其可能出現的塑性流動及局部性剪切破壞的發生，工程水閘圍堰填筑高度不能超出天然地基臨界點高度。

表1 工程圍堰基礎淤泥質地層物理力學性能指標

淤泥地質下淤泥層圍堰地基堆載高度臨界值按下式計算：

式中：hcr為淤泥層圍堰地基堆載高度臨界值，m；Cu為淤泥層剪切強度，kPa；γ 為填料容重，kN/m3，本工程取 γ=15.8 kN/m3；F為安全系數，本工程取F=1.2。

設計水位以地面高程-2.5 m為基準確定的平均潮位0.58 m計算，淤泥層剪切強度12.43 kPa，則根據式（1），工程圍堰地基臨界堆載高度按3.62 m確定，高于天然地基臨界堆載高度，為此必須加強淤泥質地基處理，保證圍堰邊坡填筑、基坑開挖等施工穩定。

2 淤泥地質條件下水閘圍堰施工技術的比選

水閘在水利樞紐工程防洪攔水、泄洪排水等過程中發揮著重要作用，水閘建設與工程地質密切相關，尤其在淤泥質地質條件下，必須重視水閘施工技術的選擇與優化。目前，水利樞紐工程中常見的水閘圍堰施工技術包括土石圍堰、砼圍堰、鋼板樁圍堰、模袋砂圍堰及爆破擠淤圍堰等。模袋砂水閘圍堰施工技術施工速度快、機械化水平高、造價低廉、灌砂效果良好，護岸效果明顯，抗沖刷性能穩定，模袋砂的選擇有利于砂石材料的就地取材，所以，本工程優先選用模袋砂水閘圍堰施工，并根據工程淤泥質地質條件實際進行模袋砂圍堰施工技術優化，提出充填模袋砂、砂包壓腳，塊石壓腳加固的圍堰工藝[1]，能有效解決工程淤泥質軟土地基所面臨的圍堰施工沉降[2]顯著、穩定性差等施工問題。

3 模袋砂水閘圍堰施工工藝及操作要點

3.1 模袋砂水閘圍堰施工工藝

本渠首引水樞紐水閘圍堰通過將深木樁打入圍堰基礎，將其重力及所承受水壓力傳遞至深層基礎，也可以提升圍堰承載力。這一方案在高水位時不會引起圍堰水平位移，深木樁常設置于圍堰坡腳處，用模袋砂填筑圍堰基礎。這種處理方法能有效提升圍堰基礎承載力，圍墩設置于坡腳，抗滑穩定性也能有效提高，但是水上打樁必將增大施工難度和施工成本[3]。

考慮到本渠首引水樞紐水閘圍堰的特殊性，其承載力提升模袋砂水閘圍堰施工基礎設計方案如下：充分利用牛皮砂材料所具有的不透水性和良好的彈塑性特征，進行水閘圍堰大面積牛皮砂換填，從而增加水閘圍堰受力面積，提升圍堰整體性及基礎承載力。水閘圍堰岸坡處5 m以內填筑土工膜袋裝砂+黏土心墻，并設置反壓平臺，保證水位升高工況下水閘圍堰的抗傾覆性能。本工程水閘圍堰施工以砂為基礎性筑堰材料，在有效控制圍堰自重的基礎上有利于圍堰荷載自身沉降控制，加強防滲，與此同時，模袋所具有的強度能擴展堰體受力面積，增強圍堰剛度，相對縮小堰體反壓承臺壓力。為此，本工程水閘圍堰設計施工采用并形成了“模袋砂圍堰，砂包壓腳，塊石壓腳”的圍堰施工工藝，見圖1。

圖1 水閘圍堰典型斷面

3.2 操作要點

3.2.1 模袋砂材料的選用

工程水閘圍堰基礎填筑及模袋砂充填均選用粒徑0.1 mm以上顆粒含量≥上顆粒的牛皮砂，模袋砂材料黏粒含量≤牛皮砂。規格200 g/m2、斷裂強度和撕裂強度不小于28kN/m、1.0 kN/m，伸縮率至少32%的腈綸紡織布充當土工膜。考慮到本水利工程水閘圍堰防洪防滲等要求，應采用兩布一膜的土工膜防滲結構，并確保結構抗拉強度不小于25 kN/m，厚度至少0.5 cm，滲透系數 1.2×10-6cm/s～1.5×10-6cm/s。

3.2.2 基礎充填牛皮砂

先通過絞吸船對河床表面雜物進行清基處理，處理完畢后采用100 m吸抽砂船充填牛皮砂至1.5 m厚度，于圍堰背水面設置10 m厚度的反壓平臺，并將牛皮砂充填層厚度保持在50 cm以內。各層牛皮砂充填結束后設置基礎沉降點，進行持續1 d～3 d的沉降觀測，無明顯表面沉降后再充填下層。為加強模袋砂鋪設及質量控制，充填牛皮砂的高度應為水面高度±沉降觀測。

3.2.3 模袋砂充填

牛皮砂基礎充填結束后便開始模袋砂充填施工，按照“基礎清理、邊坡整頓→模袋鋪設→張拉定位→模袋砂充填→鋪設防滲膜→袋縫內填土并加高”的工藝流程填充，單位模袋實際長度基礎上，寬度保持在4 m左右，充填厚度不超過0.45 m，分層交錯鋪設。充填完2層模袋砂后停工2 d，待其沉降性能穩定后繼續充填。

3.2.4 充灌填料

本工程模袋砂圍堰水閘施工充填砂料從砂場開采后直接運至施工場地，到達后先接入充填管并向砂料中灌水從而形成1∶4固定配比的水砂混合物，同時借助高壓泵與充填管將混合物填入模袋。充填結束后留足泌水迸漿時間，待模袋內牛皮砂充分凝固后二次填充。為保證整個充填過程中模袋內充填物的平整性與模袋的飽和度，必須不斷調整和更換充填管，同時由專人在模袋上連續均勻踩踏[4]。若高壓泵過高的泵壓（≥20 MPa）導致模袋無法填實，應換人工進行水砂混合物灌充。為保證模袋砂水閘圍堰結構的整體性與抗滲性，模袋砂之間的接縫材料其防滲性能與伸縮性能必須與模袋砂相同，所以填縫材料還應選用牛皮砂。

3.2.5 圍堰沉降位移觀測

為繼續進行模袋觀測，單層模袋砂填充結束后必須在上下層模袋邊線間設置沉降點，在上下游每隔5 m設置一個沉降觀測點，各一排，共設347個觀測點，同時通過全站儀進行沉降位移定期觀測。結果表明，在本工程水閘圍堰建成至拆除的時段內，圍堰沉降偏移均勻，最大累計沉降量（見表2）與位移量分別為18.61 cm和6.9 cm，符合《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》（GB 50202-2018）要求。

表2 圍堰沉降值統計

4 結論

本引水樞紐工程采用拋填牛皮砂、砂包包腳，塊石壓腳加固的水閘圍堰施工工藝，基礎處理過程大大簡化，但是圍堰基礎承載力卻并未降低，在工程質量與工期得以保障的情況下，施工成本降低。模袋砂的充填使圍堰整體性、防滲性得以強化，通過圍堰的水壓傳遞至兩岸岸坡，有效緩解了水壓對引水樞紐水閘圍堰的不利沖擊。對引水樞紐工程水閘圍堰沉降位移觀測及防滲觀測結果表明，水閘圍堰施工期內，圍堰沉降位移偏移均勻，淤泥地質下模袋砂圍堰水閘施工圍巖沉降偏移及防滲均取得了預期效果。