钢筋预制混凝土沉井在海塘防冲设计中的应用

吴国芳 罗林峰

(1.绍兴市水利水电勘测设计院， 浙江 绍兴 312000；2.浙江省水利科技推广与发展中心， 浙江 杭州 310012)

钢筋预制混凝土沉井在海塘防冲设计中的应用

吴国芳1罗林峰2

(1.绍兴市水利水电勘测设计院， 浙江 绍兴 312000；2.浙江省水利科技推广与发展中心， 浙江 杭州 310012)

曹娥江河口大闸建成后，江道的演变发生变化。平时关闸挡潮，阻挡外海泥沙入江，洪水期开闸放水，河床呈单向冲刷状态，使海塘堤脚出现抛石体失稳、冲毁等险情，严重影响河口平原居民人身安全。钢筋混凝土预制沉井+护坦的直接保护方案，具有永久性好、后期维护少等优点，值得在今后的海塘防冲设计中推广应用。

钢筋预制混凝土沉井；海塘 ；防冲设计；应用

1 项目概况

曹娥江河口大闸建成前，曹娥江出口河道受钱塘江径流、杭州湾潮流和曹娥江径流的综合影响，河床摆动无常，时冲时淤；曹娥江大闸建成后，江道的演变发生变化，平时关闸挡潮，阻挡外海泥沙入江，洪水期开闸放水，河床呈单向冲刷状态，将建闸前淤积在河道中的泥沙逐步带出，从而形成建闸后新的河床平衡剖面。这种“单向冲刷”加剧了曹娥江河口两岸海塘堤脚的冲刷，特别是绍兴境内的马山、马海海塘，左岸最大冲淤幅度达4.1m，不断出现塘脚抛石体失稳、冲毁等险情，被鉴定为“二类塘”，严重影响了萧绍平原流域百万人口的生命财产安全，海塘防冲除险加固显得十分迫切。

2 项目地质条件

海塘地基主要分为三个工程地质层，现从上至下分述如下：1-1层素填土，稍密状，主要由黏质粉土组成，局部含有抛石；2-1层黏质粉土，稍密状，偶夹淤泥质团块，工程性质较差，厚度较薄；2-2层黏质粉土，稍密～中密状，土质均匀性差，性质较好，厚度一般；2-3层砂质粉土，中密～密实，土质均匀性差，工程性质好，厚度大；3层淤泥质粉质黏土，流塑，高压缩性，工程性质差，厚度较大。根据地勘报告，地质物理力学指标见下表1。

表1 海塘地基地质物理力学指标

注 护坦基础混凝土与地基土之间摩擦系数：护坦基础混凝土/2-3层砂质粉土f=0.30～0.35。

3 海塘堤脚防冲方案必选

海塘堤脚防冲保护主要有保滩护塘的间接保护方案和采用堤脚设防冲设施的直接保护方案两种。间接保护主要通过设置短丁坝群促淤，同时减弱滩地附近洪水流速，减少近塘滩地淘刷，防止出现堤脚裸露后冲刷破坏，从而保护海塘，丁坝与堤脚采用斜坡护坦相连。直接保护主要通过设置垂直和水平防冲设施，防止堤脚冲刷破坏，具体可设置板桩、沉井等+护坦+外侧抛石防冲的组合方式。间接保护方案对滩地基本无影响，但也存在着管理任务重、后期维护费高等缺点；直接保护方案虽然对滩地有一定的破坏，但通过保留现有丁坝、滩地复平及撒播草籽固滩等措施，尽可能保留现有滩地，可进一步增加防冲富余度。防冲方案比选见表2。

表2 海塘堤脚防冲保护方案比较

4 沉井防冲方案设计

比较常用的直接防冲加固方案主要有沉井+钢筋混凝土护坦、地下连续墙+钢筋混凝土护坦，根据该河段冲淤变化特点和曹娥江类似工程经验，从措施的可行性、经济性及施工可行性角度进行初步评选，拟采用沉井+钢筋混凝土护坦防冲加固方案。两种防冲方案技术经济比较见表3。

表3 防冲方案技术经济比较

沉井+护坦防冲方案的具体设计如下：在堤脚处设置C25钢筋混凝土沉井，尺寸1m×1m×5.5m(壁厚12cm)，井底高程-2.80m。下沉分区段进行，每个区段为4～5只沉井。下沉方法采用高压水枪冲泥、泥浆泵吸泥。预制沉井下沉至设计深度后回填C25素混凝土和石渣。为防止井后土颗粒流失，在0.5m高程以上浇筑40cm厚C25素混凝土封缝。沉井上部嵌入钢筋混凝土护坦0.20m，护坦宽6.00m，厚0.4m，高程4.0m，内侧设置齿墙，1∶1.0倒坡，护坦设置排水孔，以减小底部扬压力，纵向分缝间距8m，低发泡塑料板嵌缝。沉井外侧同样需要结合围堤整体稳定和防冲需要，设置底宽4m的抛石防冲保护。详见图1。

图1 沉井+钢筋混凝土护坦堤脚防冲方案设计

5 沉井抗倾稳定计算

沉井施工采用高压水泵水力反冲，结合反铲挖掘机外力强压冲沉沉放，同时采用井点降水，因此施工期沉井下沉和稳定均能满足要求。但在运行期间，曹娥江侧江底可能产生冲刷，沉井存在倾覆可能，影响沉井的稳定，本次计算主要进行运行期稳定计算(受力见图2)。

5.1 计算方法

沉井抗倾稳定计算采用静力平衡方法，应符合下式要求：

式中G1——沉井自重，kN；

B——地下水浮力，kN；

Kq——抗倾稳定安全系数，取Kq=1.5；

G2、G3——护坦重力，护坦长6m；

L1、L2、L3——力臂，m；

∑Mq——由水平力引起的倾覆力矩总和，计算倾覆力矩时，力臂为水平力作用点至基底下表面的距离。

γ——土的容重，地下水以下取浮容重，kN/m3；

H1——海塘侧填土高度，取H1=2.7+2.8-0.1=5.4m；

Ka——主动土压力系数，Ka=tg2(45°-φ/2)；

φ——土的内摩擦角，取φ=25°；

L——沉井垂直水流向长度,m，取L=1m；

P2——曹娥江侧土压力,kN；

H2——曹娥江侧填土高度，取H2=2.8-1.14=1.66m。

图2 沉井受力简图

5.2 计算工况

沉井运行期稳定按不利工况设计：即曹娥江侧土冲刷至-1.14m高程，低水位为3.0m高程，此时主要进行抗倾稳定验算。

5.3 计算成果

计算结果为：

结果表明，沉井在运行阶段满足抗倾稳定要求。

6 沉井施工工艺

本次海塘堤脚防冲加固施工中，沉井下沉至设计高程为关键施工难点，钢筋混凝土预制沉井先在预制场浇筑养护后，平板车运至施工点附近。沉井下沉方法采用高压水枪冲刷，泥浆泵吸泥，结合250反铲挖掘机外力强压冲沉沉放，长臂挖机配合。冲泥时，应以集泥坑为圆心逐渐向四周冲射，均衡对称地、自上而下一层层冲去，然后泥浆泵开始排吸泥浆，水枪与泥浆泵应密切配合，使四周均匀扩大。严禁用水枪掏挖刃脚踏面以下的土层。当沉井下沉到离设计标高10cm左右时，停止水冲，然后进行下一只沉井的沉放。高出部分最后利用挖掘机压沉到设计高程。沉井下沉至设计深度后采用C25素混凝土封底、封头和块石混合料回填，内侧C25素混凝土封缝。石渣填筑料在料场采购，由2m3挖掘机装，10t自卸汽车运送倒入井中。沉井施工中，若土中块石较多，难以冲沉，则采用大开挖、直接摆放的方式。

7 结 语

绍兴马海、马山标准海塘除险加固工程自2012年11月开始招标施工，于2015年1月完成竣工验收。项目中采用的钢筋混凝土沉井+护坦+抛石护坦海塘堤脚防冲直接保护方案，得到了实际应用，取得了大流量、大冲刷河道采用预制钢筋混凝土沉井防冲处理的宝贵经验，有效保护了高冲淤幅度的海塘堤脚，且具有永久性好、后期维护少等特点，值得在今后的海塘防冲除险加固中推广应用。

[1] 戚久鸿，等.海塘底脚防冲工程中小沉井群的设计与施工[J].浙江水利科技，1997(4)：30-32.

[2] 张玉萍.轻型连续沉井在护岸工程中的应用[J].海岸工程，2003，22(3)：25-30.

Application of reinforced pre-cast concrete caisson in seawall erosion prevention design

WU Guofang1,LUO Linfeng2

(1.ShaoxingWaterConservancyandHydropowerSurveyandDesignInstitute,Shaoxing312000,China;2.ZhejiangWaterConservancyScienceandTechnologyPromotionandDevelopmentCenter,Hangzhou

310012,China)

After the buiding of Cao’e River Estuary sluice,river evolution is changed.The sluice is closed at ordinary times for preventing tide and blocking off sediment into river.Sluice is opened for releasing water during flood season,and the riverbed shows one-way erosion state,thereby making seawall toe incline to stone riprap instability,wash-out and other risks,which seriously affect personal safety of estuarine plain residents.Direct protection plan of reinforced concrete pre-cast caisson + apron has the advantages of good permanence,less post maintenance,etc.It is worthy of popularization and application in seawall erosion prevention design in the future.

reinforced pre-cast concrete caisson;seawall;erosion prevention design;application

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.09.012

TV86

A

1005-4774(2015)09-0038-03