永定新河河口防潮闸水力冲填砂袋围堰固结分析

□丁学赏 □李永鑫（南水北调中线干线工程建设管理局）

□何丽丽（天津市水利勘测设计院）

永定新河位于天津市的北侧，是天津市北部的防洪屏障，对天津市防洪、河沿岸及支系河道的排涝等均起到十分重要的作用。但由于受海潮输沙作用，永定新河河道淤积严重，河道行洪能力受到极大的影响。永定新河治理采用的是建闸清淤方案，施工围堰由水力冲填砂袋棱体堆筑而成。由于围堰地处河口，泥沙淤积较严重，地基软弱，且受潮水及风浪冲涮作用的影响，同时因当地土源匮乏，而导流明渠开挖的淤泥质壤土含水量高，粘粒含量大，不适宜直接用于修筑土围堰。为确保围堰工程安全可靠并按期完成，尽量降低围堰工程造价，决定永定新河防潮闸围堰采用吹填泥砂坝技术。即将导流明渠开挖出的淤泥质壤土掺入一定比例的砂制成混合土料，用高压水枪将该混合土料搅成泥浆，再用泥浆泵将其吹入水下的土工布纺织袋内。充填袋中泥浆经过一定时间滤水后，袋中水和部分粘粒土由袋的孔隙排出，而大部分土粒在重力的作用下沉淀下来，逐渐形成砂土袋体。砂土袋体按设计要求分层堆筑，形成砂土袋围堰。以下以上游围堰为例进行分析。

一、围堰设计断面

围堰堰顶高程主要受潮水位控制，永定新河河口历史最高潮水位是3.43m，堰顶高程按10年一遇潮水位2.78m加1.0m风浪安全超高确定为3.8m，底部最低高程-5.0m。在高程2.0m处设马道。上游围堰长度为380m，围堰顶宽4.5m，其上游坡率为1:4，下游坡率为1:3，围堰轴线距闸轴线为180m。

二、围堰固结基本规律

水利冲填围堰土体的脱水固结过程是一个含水量降低，密度增加，孔隙水压力消散，强度增长的过程。泥浆刚进入堰体充填袋时，具有较高的含水量，远超过流限，而且有很大的流动性。此时形成的冲填体中具有大量的自由水，土骨架尚未形成。随着堰体的升高，下层土体在上层土体的重量作用下，固体之间的孔隙水将引起压力水头，即为孔隙水压力，而在透水地基、边界等处，孔隙水压力为零或很小。所以对整个堰体来讲，不同部位的孔隙水压力是不同的，这样就产生压差，由压差引起渗透作用。由于渗透作用，孔隙中的一部分水被排走，从而使堰体含水量逐渐降低，孔隙水压力逐渐消散，密度相应增加，强度逐渐增长，从而提高了堰体的稳定性，这就是水力冲填围堰脱水固结的基本规律。

由此可见水力冲填围堰脱水固结的快慢，主要决定于冲填土的透水性及堰体的排水边界条件，同时也与上堰泥浆浓度、冲填速度、冲填方式和气候条件等有关。冲填围堰固结计算的目的，就是提出在堰体自重作用下不稳定渗流引起的孔隙水压力或孔隙比（含水量）随时间的变化规律。

三、计算模型

由于围堰底部铺设1m厚的砂垫层，可以认为围堰底部为完全排水，即围堰底部的孔隙水压力保持为0。根据已有的施工经验可知，每一个冲填袋冲填后的高度约为0.3～0.5m，因此在冲填时每一层冲填高度约为0.3～0.5m。为了模拟实际施工条件，本次计算模型中，围堰在高程为2m以下断面每一层冲填高度取为0.5m，在高程为2m以上断面每一层冲填高度取为0.45m。总冲填层数为18层。

施工采用全断面分层施工。根据施工进度安排，水力冲填时间为3个月，因此每一层施工周期约为4d左右。因此在本计算中，取每一层施工时间间隔为4d，并假设每一层冲填袋是一次瞬时冲填完成的。

冲填袋围堰是由冲填袋堆砌而成，即围堰是由土体和包裹土体的袋组成。一般条件下，袋的渗透系数远大于冲填土体的渗透系数。但是由于袋和袋之间接触非常紧密，而在施工过程中不可避免地会使冲填袋之间产生泥浆，这些泥浆会阻碍冲填袋之间渗透通道作用的充分发挥；同时，由于冲填土体的淤堵作用会降低冲填袋的渗透性，为了安全起见，本次固结计算中不考虑冲填袋渗透性的影响，即认为围堰是由冲填土体均质冲填形成的。

四、参数选取

在试验研究过程中，通过固结试验得到了试验参数。从试验得到的固结曲线可以发现，土体的有效应力的对数、渗透系数的对数和孔隙比之间的关系可近似用两条直线来模拟。土体的有效应力σ′和孔隙比之e间的关系为：

σ′=A2 exp(B2e) （1）

土体的渗透系数和孔隙比之间的关系为：

k=A1 exp(B1e) （2）

由此可以得到

B1 ln（σ′/A2）=B2ln k-B2ln A1 （3）

大量的资料表明，现场的渗透试验结果比室内试验结果要高1个量级，为此，在实际计算时所采用的渗透系数比试验结果要大1个量级。根据试验分析报告，本次计算中所采用的计算参数如表。

五、结论

随着掺砂比的增加，土体的孔隙比逐渐变小，即密实度有进一步的增加，这说明掺砂对土体的固结特性有一定的改善。根据冲填土特性试验报告可知，当土体饱和且处于液限状态时，纯土、掺20%砂、掺35%砂和掺50%砂的土所对应的孔隙比分别为0.76、0.67、0.6和0.55。在施工期间，围堰的绝大部分土体的孔隙比都比液限所对应的孔隙比大，即绝大部分土体处于流动状态。这主要是由于土体的渗透系数比较小，在这些短短的时间内土体内部的超孔隙水压力无法得到充分的消散。

计算参数表

竣工后围堰中心位置孔隙比沿深度的变化：随孔隙比沿深度的增加而减小，这是由于土体的孔隙比接近其最终孔隙比，而最终孔隙比只和该位置处的固结压力有关，而随深度的增加固结压力增大，因此最终孔隙比随深度的增加而降低；对于不同掺砂比的土体固结速度不同，其中纯土的固结速度最慢，将近在竣工后12个月左右才初步固结完成，掺20%砂的土体在9个月左右初步固结完成，而掺35%和50%砂的土体在竣工后半年即基本固结完成，这进一步说明掺砂能改善土体的固结特性。