沉井基础防冲在青竹江防洪堤工程中的应用

王旭峰,秦福华

(1.杭州市水利设施监管中心,浙江 杭州 310016;2.杭州市水利规划设计研究院,浙江 杭州 310016)

1 工程慨况

青川县竹园镇位于青川县南部地区,与江油市、剑阁县接壤,交通发达,是青川县的经济中心,区位优势明显,宝成铁路纵贯全境。青川县境内有集水面积50 km2以上的河流19条,其中青竹江、乔庄河、白龙江(白龙湖)为3大河流,均属嘉陵江水系。青竹江属于嘉陵江的2级支流,发源于青川县清溪镇西北摩天岭南麓及龙门山北端的大草坪,河源海拔高程3 837m,河流长204 km,流域面积2 873 km2。青川县境内河流长154 km,河床平均比降5‰,流域面积1 768 km2,竹园镇位于青竹江下游地区多雨区,每遇暴雨容易产生峰高、量大的洪水,导致洪灾,使竹园镇历年频繁遭受洪灾之苦,给全镇甚至全县经济和人民生命财产造成重大损失。2008年5月12日,四川省汶川县发生8级特大地震,其烈度达到11°,是青川有史以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的毁灭性灾难,造成青川县严重人员伤亡和巨大财产损失,青川县是地震极重灾区之一。由于竹园镇在这次大地震中遭到严重的破坏,恢复重建难度大,根据城镇规划方案,在竹园镇下游梁沙坝建设 “竹园新区”,与竹园老镇一起作为未来青川的经济、政治、文化中心及全县工业经济的主平台,根据党中央安排,青川县由浙江省援建,竹园镇由杭州市对口援建。为保障规划区人民生命财产安全,为顺利开展灾后新城重建提供良好的水利环境,保障地方经济持续、稳定发展,国家批准竹园镇防洪堤援建项目,以提高城镇防洪能力,保障重建新城镇的防洪安全,并发挥交通、水景观等综合功能,营造城市沿江风景线。竹园镇防洪堤工程的任务以防洪为主,结合改善居住环境及交通条件等综合利用。沿程保护对象主要为规划新区居民及各项基础设施、学校、行政机关、住宅、商业、公共建筑、道路等。防洪堤全长10.6 km,工程总投资1.8亿元,防洪标准设计为20 a一遇,50 a一遇不漫顶。

2 地质地貌条件

竹园镇属于宽阔的U形谷地地貌,两侧为连绵山脉,青竹江自西南向东北穿越镇区,镇区整体地势西南高东北低,呈带状组团走向,青竹江两岸山脉海拔在1 000 m以上,相对河谷高差超过500 m,属于中山区地形。竹园镇附近河道呈“S”形转折,组成山体的岩体岩性较软弱,同时受断层、褶皱影响,山体坡度较缓,物理地质作用主要表现为岩体的风化和河流冲刷。

竹园镇防洪堤工程沿线土层为含漂石卵石,基岩面埋深约5.10～6.70 m。堤基地质结构分类属粗粒土单一结构。河漫滩上部为粉砂,厚度一般1.10 m。其下为杂色中密～密实的含漂石卵石,为现代河床冲洪积层,厚度一般在5.60～8.50 m以上,卵漂石成分主要为砂岩、变质花岗岩等,含漂石卵石层以下为基岩。根据现场调查,河漫滩曾进行淘金,含漂石卵石层被开挖,淘金结束后含漂石卵石重新回填,范围较大。原状含漂石卵石属中等～强透水性。在回填范围内的覆盖层松散～稍密,透水性属强～极强透水性。防洪堤持力层均为漂石卵石层,设计参数:承载力标准值fk=250 kPa,变形模量Eo=10～20 MPa,内摩擦角标准值 Φk=30～35°,允许水力坡降:J允=0.08,基底摩擦系数0.4～0.5。

3 基础防冲结构

3.1 防洪堤典型结构

竹园镇防洪堤采用的典型断面为上部斜坡+下部平台复合式断面型式,堤顶“路堤结合”作为城镇主干道,堤身下部设置亲水平台,高程位于堰坝顶高程0.7 m以上,宽3.0 m,局部宽度10.0～20.0 m,平台以上边坡为 1∶2.0。堤防护坡及平台均采用灌砌卵石砌筑,厚度为40 cm,下设细卵石垫层,厚15 cm,垫层底铺设400 g/m2土工布1层,护坡上部采用钢筋C20混凝土预制六边形空心框格,内覆耕植土,种植攀藤植物,护坡顶部设置C20混凝土块及青石栏杆。下部重力挡墙采用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,挡墙设C20混凝土压顶,厚20 cm。护坡、平台及挡墙每隔10 m设1道伸缩缝,缝间嵌沥青松木板,厚2 cm,砌体内设φ 10PVC排水管,填土端采用土工布袋装碎石压口,按间距2.5 m布置。挡墙防冲基础采用底板外侧护坦+沉井防冲结构,深度为3.4 m,沉井外边缘为1.0 m×1.0 m正方形,壁厚12 cm,C25钢筋混凝土护坦厚度0.4 m。堤身回填采用工程区内的砂砾料填筑,填筑相对密度要求不小于0.70。坡面平均每间隔200 m左右设置一宽3 m的踏步,以利行走并可至平台。

由于青竹江为山区河流,河水平行岸坡的冲刷能力较强,根据调查,现状冲刷深度可达1～2 m左右,可能出现岸坡失稳现象。因此,堤脚防冲基础是竹园镇防洪堤自身安全的重点,同时结合堤身对典型断面进行边坡滑动稳定分析。

3.2 防冲基础结构方案

防洪堤所在的青竹江属于典型的山区型河流,洪水暴涨暴落,50 a一遇最大洪峰6890 m3/s,最大流速5.0m/s左右,根据现场踏勘,堤脚掏空为最主要的破坏形式。从堤防结构布置断面上来看,河床断面大部分为典型的 “U”形河床,中间主河槽高程较低,两侧滩地高程较高,局部转弯易冲段为深潭,竹园镇防洪堤堤线位于河滩地上,设计基础埋深深度均较大,根据现场踏勘,现状河床局部冲刷深度可达2.0 m以上,并根据砂砾石允许不冲流速计算,设计河底以下岸坡最大冲刷深度为1.2 m。考虑到此段河道挖砂采砂严重,当地淘金现象普遍,设计中冲刷深度以理论计算为基础,并结合地质勘探成果,现场实际冲刷情况及参考当地设计部门经验,最后确定防冲总深度为3.4 m。防冲基础结构根据安全保证、经济实用、施工工艺、工期进度等方面进行方案比选,选择最典型的挡墙底板混凝土防冲墙及护坦沉井防冲2种方案进行比较。

3.2.1 护坦+沉井防冲(方案1)

堤脚防冲采用护坦+沉井防冲结构(见图1)型式,沉井顶端回填C20混凝土,并梅花形布置插筋与护坦上层钢筋绑扎,护坦外侧采用“L”形肋结构与沉井咬合,不仅可加强沉井及挡墙自身稳定性,还可使沉井连接为整体结构,提高其抗冲刷整体性和安全性。沉井多应用于我国沿海淤泥、粉质黏土等软性地基地区,施工方法主要为冲沉或挖沉,可以同时解决地基承载力和地基渗透变形的问题,小型沉井一般应用于江河堤防堤脚防冲,在浙江省内的沿海海塘、堤防中应用较为普遍。据了解,沉井结构在青川县为第1次应用,作为防冲结构在四川省也为首次应用。护坦+沉井防冲型式的优点是结构牢固,安全性高,对堤防保护作用大,整体性强,适合冲刷较严重的河道;缺点是结构复杂,水下施工工艺要求高,防渗要求高。

图1 护坦+沉井防冲结构图

3.2.2 底板齿墙+水下混凝土防冲墙(方案2＜见图2＞)

由于河床地下水位线较高,砂砾石强透水性,基坑开挖时无法通过强排等措施排水。设计过程中,堤脚防冲结合挡墙底板,在底板前端设置防冲齿墙,地下水位以下采用大体积水下混凝土施工,防冲齿墙结构型式为应用最常见的防冲结构型式,齿墙增加挡墙抗滑能力同时起到防冲刷作用,在一般平原河道应用极多。此种型式的优点是设计简单,施工方便,工艺简单、基础地质条件适应性强;缺点是防冲深度较大时混凝土用量大,齿墙采用素混凝土较单薄,易折断,地下水位较高时需采用水下混凝土施工,且质量难以保证。

图2 底板齿墙+水下混凝土防冲结构图

3.2.3 方案选择

以上2种防冲结构型式设计均结合了青川县竹园镇青竹江防洪堤实际地质、地形、水文等资料,达到3.4 m的防冲刷深度,做到方案可行,结构安全,施工方便。考虑到灾区援建项目政治影响大、质量要求高、施工难度大、工期紧、现状河道管理不到位等特点,方案1安全性、整体性、质量保证、工期进度均较好(见表1),经综合分析,最终选择方案1(护坦+沉井防冲结构)。

表1 防冲基础方案比较表

3.3 设计特点

护坦+沉井防冲结构应用在山区性河道具有十分显著的社会效益,与传统的砌石、混凝土材料底板防冲结构相比安全性突出,可异地同步预制沉井,加快工期、施工快速、工艺简单、基础地质条件适应性强,质量能得到保证。基础整体结构由挡墙、钢筋护坦、沉井、沉井连接体和填土组成。其主要防冲结构包括:“L”形C20钢筋混凝土护坦,厚40 cm;C30钢筋混凝土预制沉井,外缘为1.0 m×1.0 m矩形,长3.0 m。沉井下部回填砂砾石,上口采用C20混凝土封口,内插梅花型布置的插筋,与护坦上层钢筋绑扎。依靠 “L”形肋及插筋,沉井连接为整体,增加了抗倾安全及整体牢固度。沉井基坑回填料主要采用砂砾石土,并分层压实,层厚不超过50 cm。设计为防洪堤防冲结构时,由于砂砾石基础地质条件较好,沉井的主要作用是防冲、防掏空,因此必须考虑水流对堤身基础的各种影响,主要表现在:①防冲深度达到设计要求;②基础结构自身抗倾抗滑稳定;③洪水期间,在洪水位作用下,水流沿基础下部产生绕渗、潜蚀管涌破坏问题;④基坑开挖后地下水较高影响沉井安装问题。这些即是沉井防冲结构应用于河道防洪堤工程的主要设计特点。因此,除了沉井结构自身的设计特点外,水流状态、河床地形对沉井防冲结构的各种影响也就成了设计要点。

3.4 稳定计算

沉井防冲结构的设计计算主要为确定冲刷深度及保证自身稳定,鹅卵石基础承载力较好,沉井及护坦垂直受力较小,一般不单独计算沉井的承载力验算,而是进行挡墙底板承载力验算。沉井内部稳定计算主要为沉井结构安全计算;外部稳定分析计算主要进行抗滑动、抗倾覆稳定验算,另外由于沉井基坑填料大多为中低液限砾类土、砂类土、砂砾石土等具有渗透性的材料,因此还需要进行渗透稳定分析计算。

3.4.1 内部稳定计算

沉井结构内部稳定计算主要是确定沉井在受力状态下,抗弯抗剪安全,目的是确定钢筋型号、断面长度及数量,以满足自身结构安全。

3.4.2 外部稳定计算

外部稳定计算包括沉井结构的抗滑稳定、抗倾稳定、整体稳定。外部稳定计算时必须考虑水荷载的作用。计算必须考虑2种最不利的设计工况(荷载组合),一种是完建期临水侧无水压力,堤身填土压力情况,另一种是有水压力情况。通过对2种设计工况的计算以确定结构外部稳定计算的控制工况。主要措施有:①沉井外侧滩地宽度不小于10m;②护坦采用“L”形肋构造与沉井咬合;③沉井采用C20混凝土封口,内布置梅花形插筋,增加基础整体抗滑;内壁铺设双层土工布,高度为沉井顶高程以下2.0 m以及回填料分层压实相对密度不低于0.7。

3.4.3 渗透稳定计算

沉井结构渗透稳定计算则是在地下水压力作用下,计算沉井内侧渗透稳定,防止内侧砂砾石流失而形成空洞等现象,并相应采取措施。主要措施为沉井内壁铺设双层土工布,高度为沉井顶高程以下2.0 m以及回填料分层压实相对密度不低于0.7。

3.5 施工技术措施

青竹江河道为典型“U”形河床,两侧滩地地下水位较高,砂砾石透水性强,防洪堤在基础开挖过程中,遇到大量地下水涌出,无法采用排水措施抽水,因此在施工时采取机械吊装,人工辅助安装。设计也对沉井安装标准有详细要求,主要有:①沉井顶高程控制高差不大于10 cm;②沉井安装倾斜度不大于5°;③沉井之间缝隙宽度不大于2 cm。另外,为防止沉井内侧回填料流失,沉井内壁铺设双层土工布,高度为沉井顶高程以下2.0 m。

由于护坦沉井结构基础各段地质性状不一,为防止基础不均匀沉降,防洪堤挡墙及护坦须设置沉降缝,挡墙分缝间距为10 m,内填2 cm厚沥青松木板,护坦分缝间距为5 m,缝间采用二毡三油进行止水处理,下部平台挡墙沉降缝处还需敷设宽度为0.6 m的复合土工布,以起到反滤的作用。

由于沉井采取同步预制,机械化施工,且安装工艺简单,因此施工速度较快,施工期大为缩短,目前,竹园镇防洪堤工程比合同工期提前3个月完工,加快了援建项目的总体进度,也为后期堤顶道路等援建工程创造了良好的条件,为援建工作 “三年任务两年完成”奠定了扎实基础。由于施工、监理单位为浙江省内的一级水利企业,多次参与了浙江省内的千里海塘工程建设,施工技术较为成熟,工程现场管理到位,整个防洪堤工程的建设较好地体现了设计的意图,也较好地达到了设计的要求。

4 结 语

(1)将沿海地区应用较多的沉井技术应用于四川砂砾石基础水利工程防洪堤,可以大大节约工程投资,而且施工简单、快速,大大缩短施工工期,具有十分显著的经济效益。

(2)沉井加护坦防冲结构技术应用于水利工程时应根据工程的特点和工程区的地质、地形条件等具体情况进行相应的设计计算和断面型式设计、构造设计,以满足工程自身的特点和要求。

(3)青川县竹园镇防洪堤的设计和建设,是沉井加护坦基础结构技术应用于水利工程一个成功典范,可望为四川省砂砾石基础的水利工程建设起到积极的推动作用。