机械戽水密实粉砂技术在绍兴县标准海塘工程中的应用

来移年,宋 波,周 烽

(绍兴县水利局,浙江 绍兴 312000)

1 工程概况

绍兴县口门丘北堤标准海塘工程位于钱塘江尖山河段南岸,全长5.85 km,工程位置平均高潮位3.48 m(1985国家高程基准,下同),多年平均低潮位-1.14 m,涨落潮垂线平均流速分别为2.97,3.35 m/s,涨落潮垂线平均含沙量为3.0～4.0 kg/m3。据实测资料,工程区涌潮流速可达6～8 m/s。根据对工程区近年来塘前冲刷高程的测量和分析,此工程塘前滩地冲刷高程在-5.0～-8.0 m,涌潮动力强劲,粉砂土松散易冲是工程区的主要特点。根据省定钱塘江治理规划线,至2007年该段海塘已完成圈围,具备了建设标准海塘的条件。口门丘北堤分为东、中、西3片,其中中、东2片于2003年完成圈围,西片于2007年完成圈围。围涂时,整个北堤均采用抛石促淤围成,堤基滩涂低,土壤松散,自2003年以来的6 a时间中东片北堤度汛断面堤顶下沉近1 m。同时,标准海塘施工以原围垦度汛断面为施工围堰,新堤轴线距离原度汛断面轴线30多米,减少新堤填筑后的沉降量成为标准海塘施工质量的关键 (根据初步设计,海堤计算沉降量东段为45 cm、中段为53 cm、西段为47 cm。)

2 工程地质

塘身地质勘探结果表明,海塘堤基可分为3个工程地质层:

(1)①-2层砂质粉土,灰黄色,湿,稍密～中密,具微层理,鳞片状结构,中等压缩性,低液限,黏粒含量一般小于10%,具摇振反应,层顶高程5.25～4.15 m,标准贯入击数试验平均锤击数9.0击。

(2)②-1层黏质粉土,深灰～灰黄色,湿,松散～稍密,中等至高压缩性,黏粒含量一般为10%～15%,具摇振反应,标准贯入试验平均击数6.3击,层顶高程3.40～2.23m。②-2层砂质黏土,灰黄色,湿,稍密～中密,中等压缩性,黏粒含量一般小于10%,具摇振反应,层顶高程1.24～-0.27 m,标准贯入试验平均锤击数9.8击。②-3层砂质粉土,中等至密实,中等至低压缩性,低液限,黏粒含量一般小于10%,层顶高程-0.75～-2.07 m,层厚13.7～18.6 m,标准贯入试验平均锤击数13.5击。

(3)③层为淤泥质粉质黏土,灰色,流塑,高压缩性,层顶高程-15.05～-20.05 m,层厚6.20～9.30 m。

根据对标准堤沉降变形的分析,堤顶沉降的原因一方面是堤基整体沉降所致,即-15.0 m以下高压缩性软黏土层的压缩变形,另一方面大的沉降来自于堤基②-1～②-2层稍密的粉砂层以及新填筑的堤身土,如能使②-1层和②-2层通过地基处理达到中密 (标贯15击)以上,而新填筑土亦达到中密(标贯15击)以上,则不仅堤顶的沉降变形可以得到控制,而且堤身外护坡的变形值亦将大幅减小,从而达到确保标准塘建设质量的目的。

3 挖掘机机械戽水密实的原理、方法及效果

3.1 戽水密实的原理

粉砂土是一种介于砂性土和黏性土之间的中间土,粉砂土虽然松散易冲而且易液化,然而,它同时亦具有承载力高,排水固结快的特性。20世纪70年代,蒋纬等[1]曾试验采用人工开沟戽水密实来提高人工筑堤的防渗性能,效果良好。其方法就是通过粉砂土开沟灌水和人工扰动促其液化并排水固结,达到密实粉砂的效果。随着施工机械的大量应用,考虑对堤基和新填筑土,通过灌水和用挖掘机扰动粉砂土层使其液化,使液化土体内颗粒重新组合并产生超静水孔隙水压力[2],自土体内向上冒起,通过反复扰动液化使土体中孔隙率和含水率显著降低,达到密实粉砂土堤基和堤身的目的。

3.2 堤基戽水密实处理

根据堤基状况,确定堤基处理深度为-0.5 m。根据挖掘机在类似地基戽水密实处理的实践,有效的处理深度为3 m,首先将堤基土1.5 m(耕作土层不易扰动)用泥浆泵挖除,堆放至堤身内侧,然后,划分每400 m一段,用水泵将水灌入粉砂层浸泡,从第2天开始,采用PC200挖掘机进行戽水作业,作业方式就是将挖掘机抓斗插入土中,前后摇动,使土体逐渐液化成水样,5 min后 (要求达到液化深度3 m以上)移动位置进行异地作业,直到将处理地块全部液化。

液化后的土体,约10 min后开始冒气泡,约20 min后冒水并出现砂粒流出且出水量相当大,排出的水体,经排水沟汇集后抽排或引出。第1次戽水后,土体并未达到处理效果,故间隔12 h后进行第2次,直至土体中的水大部分排出,土体难以液化为止。一般处理次数为7～10次,时间5～7 d。

3.3 堤身密实处理

堤身土采用泥浆泵吹填粉砂土而成,历次围涂吹填实践表明,粉砂土吹填后的干密度为1.18～1.61 g/cm3,差异非常大,这种差异将导致堤身沉降变形。为此,根据堤身较宽的实际,将挖掘机直接开进吹填区,边吹填边戽土。一般在吹填土厚度达到1.0～1.5 m后进行挖掘机戽土,挖掘机在吹填区来回走动,并利用挖掘机进行吹填区域筑小子堤等辅助吹填作业,边吹填边戽水虽然影响吹填进度,但可达到节省人力和密实土堤的目的。一般每400 m安排1台PC200挖掘机。

3.4 土堤戽水密实的效果

为检测堤基和堤身戽水密实的效果,委托浙江省水利水电工程质量监督检验站对口门丘东片标准海塘堤基和堤身质量进行检测,成果见表1。经过挖掘机机械戽水密实处理,粉砂土层全部达到标贯15击以上,即中密以上,平均干密度达到1.52 g/cm3,最小干密度达到1.44 g/cm3,相对密实度堤基达到0.72以上,堤身达到0.79以上,平均相对密实度达到0.885,远高于设计指标0.67。

表1 机械戽水密实前后土体指标对照表

经对东、中堤完工(东堤完工期为2010年11月30日,中堤完工期为2010年12月31日)后的6次堤顶实测,东堤10个月总沉降量为3.4～4.5 cm,中堤9个月总沉降量为3.0～3.6 cm(见表2)。由于处理方式仅消耗机械台班而不消耗物力,因此,堤身和堤基戽水密实成本仅为1.0元/m3左右。

表2 东、中片标准海塘完工后堤身沉降实测成果表

4 结 语

在钱塘江强潮河口粉砂土地基筑堤施工中,采用挖掘机戽水密实施工,具有成本低、时间短、不消耗物料等优点,经处理后的堤身堤基密实度高,工后沉降变形小,提高了标准塘的施工质量。

由于钱塘江沿岸粉砂土的颗粒组成不尽相同,戽水密实的处理时间、工艺和处理效果还需进一步深化研究。

[1]蒋纬.土堤戽水密实实验[R].杭州:浙江省河口海岸研究所,1979.

[2]来移年.闸基测压管水位异常分析 [J].水利管理技术,1996(1):51-52.