深厚軟土地基上某船閘圍堰設計

汪濤

（上海友為工程設計有限公司，上海市200093）

0 引言

圍堰作為典型的水利工程臨時建筑物，其作用主要為施工期的臨時擋水，在特殊情況下也會要求自身能夠過水，參與聯合泄洪[1]，主體結構建成后即被拆除。圍堰是船閘施工過程中重要的環節，是船閘工程安全施工的前提和保障，也是確保船閘主體順利施工的關鍵。復雜的地質條件，惡劣的自然環境往往會給圍堰的設計者帶來一定的困難。

當前，國內水利工程施工圍堰主要有土石圍堰、袋裝砂圍堰、鋼板樁圍堰等基本結構。涉及船閘工程，包括船閘改擴建、新建項目，出現了一批形式多樣的圍堰型式，例如半封閉式的樁土圍堰[2]、“黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺”圍堰[3]、單排鋼板樁+鋼支撐圍堰[4]等，在某些項目中還將陸域基坑和水域圍堰進行有機結合，形成一個整體[5]。

雙魚島游艇別墅項目的船閘圍堰處于深厚淤泥中，淤泥層厚度達10 m，呈流塑～軟塑狀，力學強度差，給圍堰的設計帶來較大困難；同時，船閘閘位處于已建外護岸之間，外護岸采用拋石爆破擠淤堤，堤身及地基均為強透水結構，如何在塊石堤中設置安全可靠、經濟合理、施工便利的防滲止水墻是工程的另一難點。本文將圍堰的堤型、地基處理方式選擇與防滲結構一同考慮，并通過對比不同方案選擇了拋石爆破擠淤堤+堤后防滲墻的圍堰斷面型式，避免了直接在大塊石中施工防滲止水墻帶來的困難及風險，具有結構可靠、經濟合理、施工便利的特點，為類似工程提供借鑒。

1 項目概況

雙魚島(招商局漳州開發區人工島)中心地理坐標位置：118°04′10″E，24°22′45″N，游艇別墅項目位于雙魚島南側港區。以內河道為界，分為西側港池和東側港池二部分，西側港池水域總面積約356 73.2 m2，共布置游艇泊位47個；東側港池水域總面積約34 668.5 m2，共布置游艇泊位54個。內河道出海口設置雙向通航的船閘。船閘按照7級通航標準設計，規模8.0 m×30 m×2.9 m（口門寬×閘室長×門檻水深）。設計船型為游艇，最大船長24 m，船寬6.5 m，吃水深度1.8 m。船閘年設計通過能力7 680艘。工程位置見圖1，總平面布置見圖2。

圖1 工程位置

圖2 工程總平面布置圖

2 工程地質

船閘圍堰填筑區主要土層的特征自上而下分述如下：

（1）淤泥（1 a）（Q4m）：厚0.40～23.50 m，飽和，呈流塑～軟塑狀，力學強度差；

（2）粉質黏土②（Q4al-pl）：厚1.70～17.10 m，干強度較高，呈可塑～硬塑狀，力學強度一般；

（3）淤泥質黏土（3 a）（Q4m）：厚2.20～15.20 m，干強度中等，黏性較強，飽和，呈軟塑狀，力學強度差；

（4）殘積砂質黏性土④（Qel）：厚0.90～10.90 m；干強度中等,呈硬塑狀，力學強度中等;

（5）全風化花崗巖⑤（γ53（1）b）：厚0.75～10.10 m，巖石風化劇烈，散體狀結構，力學強度較好。

同時，船閘閘位處于已建外護岸之間，外護岸采用拋石爆破擠淤堤，堤身及地基均為強透水結構。已建外護岸斷面見圖3。

圖3 已建外護岸斷面圖

3 圍堰設計

3.1 圍堰建設標準

根據規范[6]規定，本工程臨時圍堰水工建筑物等級為5級。波浪、潮位重現期取5 a一遇。

3.2 圍堰的平面布置

本船閘工程位于雙魚島南端已建內河入海口，地基為深厚淤泥，遠離陸地，受風浪影響顯著，施工條件差。為保證船閘水工結構干地施工條件，需修建圍堰，形成基坑。圍堰項目包括南側攔海圍堰一道（西端與已建雙魚島西護岸相接，東端與已建雙魚島東護岸相接）、基坑北側攔河圍堰一道。除此之外，由于船閘閘位兩側的外護岸均為強透水塊石結構，為了解決止水的難題，在東西護岸后方回填土中設置止水墻（包括局部與護岸交叉處），最終與南側攔海圍堰、北側攔河圍堰形成一個封閉的止水圈。圍堰的平面布置見圖4。

圖4 圍堰平面布置圖

3.3 圍堰的結構設計

（1）堰頂高程的確定

根據規范[7]，堰頂（防浪墻頂）高程計算式為：Zp=Hp+Rp+ΔH，即設計頻率高潮位+波浪爬高+安全超高。防浪墻頂高程計算成果見表1。

表1 防浪墻頂高程計算成果表

堤身高度越高，建堤難度越大，堤身斷面也隨之增大。因此，在滿足圍堰建設標準的前提下，堤身高度不宜過高。通過在堤身后方設置良好的防護措施和排水措施，堤身按允許越浪設計，從而降低堤身高度，是經濟合理的建堤方式。

根據斜坡堤堤頂有胸墻時的越浪量復核計算，當胸墻頂高程為6.5 m時，越浪量為Q=0.000 2 m3/m·s，小于越浪量限值0.05 m3/m·s，因此防浪墻頂高程按6.50 m滿足要求。

（2）地基處理方案選擇

根據本工程地質報告資料及雙魚島填海工程竣工資料，本圍堰工程南側攔海圍堰基底除接近已建護岸區域已有爆破擠淤石塊外，其余段為深度約為10 m的淤泥土層，該土層為高壓縮性土，抗剪強度低，靈敏度高，工程地質條件差，一般情況下，該地質條件需要處理后堤身可維持穩定，常規方法有塑料排水板法、拋石爆破擠淤法等。塑料排水插板法通過縮短排水途徑，加速地基土排水固結，提高地基強度；拋石爆破擠淤法是在淤泥質軟基中埋放藥包群，起爆瞬間在淤泥中形成空腔，拋石體隨即坍塌充填空腔，達到置換淤泥的目的。考慮到本工程圍堰為臨時工程，對沉降要求不高，只需要堤身足夠穩定安全即可。若采用土石圍堰，雙排板樁圍堰結構等，地基不采用打設塑料排水板處理，而直接加載，雖減少一道施工工序，但總工序還是較多，加載速率也較慢，施工進度還是不允許。若直接采用拋石爆破擠淤法，圍堰的沉降、穩定與工期均不存在問題，且遠離陸地，具備施工條件。綜上情況，為保證船閘主體項目施工進度及克服技術上的難點，南側攔海圍堰地基處理采用拋石爆破擠淤法。

（3）止水方案選擇

采用拋石爆破擠淤法，給止水帶來新的困難。目前常用的止水方案包括鋼板樁、高壓旋噴樁、鉆孔（沖孔）灌注樁及水泥土攪拌樁等。為此,為確保止水可靠又經濟，本工程止水方案選擇如下2種方式：

a.基坑北側攔河圍堰拋石基礎較淺，基礎范圍內直接選用φ1 200沖孔灌注咬合樁止水；

b.基坑南側攔海圍堰因爆破擠淤塊石深厚，直接做止水難度較大，考慮可在拋石堤外近基坑側再做止水，即在回填土中做止水，采用高壓旋噴樁方法。

（4）結構設計

圍堰堤身結構型式的選擇應按照因地制宜、就地取材、既安全又經濟的原則，根據圍堤所處地理位置、地形地質條件、筑堤材料、潮汐、水流、風浪特性、施工條件及工程造價等因素，經技術經濟比較，綜合選定。結合本工程的實際情況，圍堰結構型式的選擇應滿足如下要求：

應當具有足夠的整體穩定性和防滲性，抗海水沖刷能力較強；

造價合理，方便施工，便于拆除；

南側攔海圍堰與船閘兩側已建外護岸的止水連接必須安全可靠，防止因集中滲漏造成安全事故[8]。

a.南側攔海圍堰結構

結合臨時圍堰工程特性以及地質條件，南側圍堰考慮采用兩個結構方案進行技術經濟綜合比較，結構方案描述如下：

方案一：采用拋石爆破擠淤堤加止水結構的建設方案。堤平面軸線布置見圖5，爆破擠淤成堤，堤頂標高4.50 m，設C30現澆鋼筋混凝土防浪墻，墻頂標高6.50 m，海側邊坡坡比1∶1.5，護面采用200～300 kg拋理塊石，坡腳設8 m寬護底塊石；背水側布置拋石棱體及土方回填，內邊坡坡比1∶2。為減少筑堰斷面寬度、土石方量和確保邊坡整體穩定，背水側堤基采用水泥土攪拌樁加固。為了節省投資，方便施工，在堤軸線靠內回填土上布置防滲墻，防滲墻結構采用φ800@600高壓旋噴樁防滲止水墻。

圖5 南側攔海圍堰斷面圖（方案一）（單位：mm）

方案二：采用斜坡堤加止水結構的建設方案（見圖6）。堰頂標高4.0 m，堰頂寬6.10 m，堰頂設C30現澆鋼筋混凝土防浪墻，墻頂標高6.50 m，0.80 m標高堤身兩側設拋石棱體，堤心回填山皮土。海側邊坡坡比1∶2.5，設10m寬平臺及25 m寬鎮壓層，護面采用200～300 kg拋理塊石，堤腳設5 m寬護底塊石；背水側邊坡坡比1∶3，設10 m寬平臺，相應布置排水設施。同理，為減少筑堰斷面寬度、土石方量和確保邊坡的整體穩定，背水側堤基采用水泥土攪拌樁加固。堤兩端與雙魚島填海工程已建護岸相接，防滲墻布置于堤中心，防滲墻結構采用φ800@600高壓旋噴樁防滲止水墻。

圖6 南側攔海圍堰斷面圖（方案二）（單位：mm）

兩個方案優缺點分析見表2，經上述綜合比選，兩個結構方案在技術上均合理可行，能滿足工程使用。但考慮到施工方便、速度快，且爆破擠淤技術在該工程區域應用技術成熟，對環境影響小，本次南側海堤設計推薦方案一。

表2 南側圍堰結構方案優缺點比較表

b.基坑北側攔河圍堰結構由于雙魚島內河兩岸為已建爆破擠淤護岸，河道下淤泥幾乎都被爆填置換，水深相對較淺，圍堰結構采用斜坡堤斷面形式，堤身外側壩腳設拋石棱體，堤心采用回填袋裝土，堰頂標高4.00 m，在堤中心軸線布置防滲墻，由于堤基為塊石，防滲墻采用φ1 200沖孔灌注咬合樁，見圖7。

圖7 北側攔河圍堰斷面圖（單位：mm）

c.防滲止水墻設計：根據平面布置，止水封閉圈由南北圍堰止水墻、已建護岸止水墻及已建護岸后沿止水墻組成。其中，南北圍堰自身已經設有止水，因此，在穿越護岸石塊中采用φ1 200沖孔灌注咬合樁，其余回填土中采用φ800@600高壓旋噴樁。

（5）圍堰整體穩定分析

對南側攔海圍堰選定的方案一，進行整體穩定驗算，按平面問題考慮，采用圓弧滑動面計算。根據規范[9]，采用瑞典條分法計算，臨時圍堰整體穩定抗力分項系數允許值根據經驗取值，本工程γR達到1.1以上即可。

圍堰穩定計算采用直剪快剪指標，計算圖示見圖8、圖9。

圖8 圍堰海側整體穩定計算結果

圖9 圍堰基坑側整體穩定計算結果

斷面計算結果見表3。

表3 斷面穩定計算結果一覽表

由以上計算結果可知，圍堰整體穩定滿足規范要求。

（6）圍堰的維護

本工程船閘地處沿海軟基，工程環境差，條件惡劣，需引起高度重視，并采取有效的技術措施，減少圍堰的損壞，確保施工安全。具體要求有：

a.圍堰施工完畢后基坑內開始降水，應該緩慢降低坑內水位，防止由于水位驟降引起圍堰內外側水位差過大，導致圍堰向坑內滑動[10]；

b.船閘基坑開挖要及早回填，開挖期間需加強對圍堰（特別是南側攔海圍堰）的安全監測，如遇外海側大風浪有異常情況應及時采取措施；

c.圍堰需設置位移沉降觀測點，對其進行觀測。若局部有滲流發生，在外海低潮期及時補壓土方；

d.南側攔海圍堰正面承受外海風浪沖擊，如遇強臺風襲擊，應對是否采取基坑內預充水的度汛方案進行專門研究，盡量減少圍堰損失。

4 結語

（1）由本文可知，圍堰的設計，不僅僅涉及水文、巖土、結構等多學科的專業知識，而且涉及成本控制等經濟專業知識，是一項綜合性很強的工程。同時，其占投資比重往往非常大，各方應予以重視和關注；

（2）本文從工程、安全、可靠、經濟等方面綜合考慮，最終推薦采用了非傳統的拋石擠淤堤+堤后防滲墻的新型圍堰結構，極大的豐富了圍堰結構設計類型；

（3）對于在復雜的止水條件下，運用高壓旋噴樁、沖孔灌注咬合樁等組合方式止水，能夠經濟、可靠、有效解決設計中止水技術難題，為今后類似工程提供借鑒。