浅谈拦河围堰填筑新工艺的应用

2021-04-02

治淮 2021年1期

一、概述

水工建筑物施工需进行先筑堰围水的前期工作，通常就地取土填入选择的堰址上，逐步堆积形成拦河围堰。由于筑堰土料的性质不同，堰基堆积的淤土厚度不同，再加之水情与工况的不同，随着填土高度的增高，一旦上下游形成一定的水头差，且堰址淤泥土又不能承受上部堰体的重量，就会在交界面形成较大的滑动面，导致沉陷和坡面滑动的产生。

一般河床中积淤厚度可达到2m 左右，由于土料直接倒入淤泥中，淤泥的含水量达到40%以上，其可塑性和流动性较大，土料入淤后，会形成“淤抱土”。随着堰体的增高，此时淤抱土受到了重压力的作用，形成了液化，就会导致淤泥土量的增加。随着堰体断面的加大，滑动面上移，从而形成较大的沉陷和滑动，就会将原来堰基的部分淤泥挤出，同时拉动部分液化的填筑土料，一起滑向堰外。根据对填筑堰滑动情况进行分析，由于堰基内的滑动挤淤并不是一次性完成的，一般会历经数次滑动，当堰基承载力达到或大于堰身载荷后，才会逐步使堰体趋向稳定，其稳定过程必然诱发一系列工程安全方面的问题。

如何解决筑堤土料和堰基淤泥的隔绝，使填筑土料形成有机的整体，减小滑动面的上移，是必须重点研究解决的问题。在堰基未填筑前，利用土工布作为隔绝铺垫材料，使筑堰土料与基面淤土隔离，随着高度增加，堰体通过自身的重力，可将堰基淤泥挤出。采用沉排的施工工艺，不仅能保证堰体的整体安全，也可确保前期工程进度，有效控制工程投资，也有利于节约土地资源，避免因筑堰损失造成的土地无故开挖而荒废的情况。从某种意义上讲，这对保护工程所在地的生态环境也有着积极的意义。

二、土堰填筑出现的问题

土堰填筑常用于大中型水利工程的施工过程中。以山东省境内两个老闸加固工程为例（A、B二闸），这两个闸均属于大型水利一类工程。工程位于湖区蓄水高水位与下游输水河道低水位交界处，其河底的宽度在70m 左右，水面宽度在100m左右，围堰填筑深度为6.0m（38～44m），堰前水位5m，堰址淤泥厚度达到2m 左右。填筑过程中采用了征地取土筑堰的施工方法，就地取土并直接倒入堰址上，当堰体形成后受到堰体重量和堰前水压力的作用，发生了不同程度的堰体滑动。根据施工记录，A 河节制闸施工堰填筑期间，发生了4 次较大的变形，堰内外水位差在1.5～2.0m，堰基向背水面位移了5m，垂直位移达到了2.5m 左右，依据施工前闸身引水段测量图，清淤量为1.5 万m3。而当堰体填筑验收后，由于坡面的滑动，淤积量增加到6.5万m3。围堰未筑之前河床淤积高度为20cm 左右，且闸门启闭基本自如。由于在填筑过程中出现挤淤滑动，造成河床淤积量增加，闸门处淤泥淤至胸墙，导致闸门无法启动。B 河节制闸由于原有的堰址淤泥厚度为1～1.5m，当基本达到堰体填筑要求后，堰体初步形成后进行区内抽水，内外水位差为1.8m，前后发生了3 次较大的变形，原有堰体设计的土方为6.0 万m3，由于堰身发生滑动，向背水面产生的水平位移达到2.0m，垂直位移为1.8m，最后整个堰体形成后的土方量为9 万m3左右，堰体实际变形土方3.0 万m3。通过以上两个拦河围堰施工发生的状况进行分析，均是由于堰基与堰体交界面产生了滑动面，而形成较大的堰体失稳，淤基在产生第一次滑动后不久，堰体内裂缝深度的展开，堰基原有淤泥层面连带动着筑堰土料，受浸蚀后产生扰动影响，填料土被液化为类似淤泥土，滑动面上移，形成滑动向外挤压。根据以上两个实例，可见利用土堰自身重力挤淤（堰基），这种方法损失太大，一般会使堰体的三分之一土料变为淤泥被挤出堰体外，尤其在堰体施工期间，经常会造成堰体失稳。在工程初期不仅影响工程的顺利开工，甚至会造成安全事故。因此对拦河堰围堰填筑进行安全性专家认证，以及围堰竣工后进行验收十分必要。

三、新工艺的推广模式——软体沉排

1.淤泥层较厚排体布置形式

淤泥层超过3m，可采用复合体沉排。对排体进行局部段加筋，并布设一定的拉扣套置在岸边的桩位上。由于围堰填筑发生在冬天，且河床水深达到5m 以上，为便于施工，将装好的织袋土放置在堰体的囊中，囊口深度为1.5～2m，当堰体形成一定的重量后，逐步放置两侧的拉绳沉入水中。囊口一方面起到使堰体均匀下沉作用，另一方面可以随着堰体重量的增加，使囊口内填充物逐步插入淤泥中，在软体沉排与淤泥交界面形成滑动时，囊口内填充物可以起到一定的阻滑作用，从而使滑动面在垂直向下的作用力与侧向力作用下，提高软排与淤层交界面摩阻系数，有效地减小较大滑动面的产生，使土料得到充分有效的使用。

2.淤泥层较浅的软体沉排布置形式

一般淤泥层在2m 左右，沉排相对简单。某翻水站拦河堰堰前水深为4.84m，堰基宽度为61.68m；下游堰前水深6.5m，堰基宽度为73.68m。堰基填筑前，采用土工格栅作为堰基铺垫材料，在堰左右岸的格栅上倒土，两道土堰共6 万m3，从施工到堰的成形，均未发生较大的沉降变形，尤其在进行站塘区间内排水到位后，发现二道堰挤淤较为理想。堰体在自重作用下，被挤出的淤泥在左右岸两边较深，一般在1.5～2.0m 左右。施工运行期70 天内，对7个沉降观测点（上下游布置同数量测点）的监测成果汇总后发现，拦河堰体上游垂直与水平位移分别为7mm 和6mm，下游垂直与水平位移分别为6mm和4mm。沉排后，拦河堰处于安全状态，也有效地节约了工程成本。

四、效果分析

1.综合效益

采用土工布复合材料作为软体沉排排体，并根据施工的实际需求，对堰体进行设计改造，节省了筑堰土料的使用，对节约土地资源有一定的积极意义；更好地解决了堰体填筑后无规则的变形，形成了有序可控的变形；更好地解决了筑堤土料受淤土的包裹，造成堰体重量的增加，形成滑动面上移情况的发生，有力保障了堰体施工过程和运行后的安全稳定。

2.经济效益

以A、B 二闸实际发生的成本为例，进行经济效益分析。

B 河节制闸：从工程成本分析，采用排体的增加费用:D1=面积×单价费用=60m×50m×15 元/m2=45000 元；土堰施工由于堰体的滑动形成的土方增加费用：D2=土方量×单价。打拆堰费用30 元/m³（中标价），土地征用费用每亩为30000 元，则30000m³/2m=15000m2=22.50 亩，土地征用费为30000×22.50=675000 元，土方费用D2=30×30000+675000=1575000 元＞D1，D2∶D1=35∶1。

A 河节制闸：从工程成本分析，采用排体的增加费用:D1=面积×单价费用=70m×55m×15 元/m2=57750 元；土堰施工由于堰体的滑动形成的土方增加费用：D2=土方量×单价。打拆堰费用30元/m³（中标价），土地征用的费用每亩为30000元，则50000m³/2m=25000m2=37.5 亩，筑堤土方土地征用费用为30000×37.5=1125000 元，故整个土方费用D2=30×50000+1125000=2625000 元＞D1，D2∶D1=45.5∶1。