咬合桩在土石围堰防渗结构中的应用

2024-01-23徐超炎梁萌帆

交通企业管理 2024年1期

□徐超炎梁萌帆虞霏

围堰的结构设计需要综合围堰堰体填筑料源、水流条件、降排水条件及施工需求等因素综合考虑，是实现施工导流工程功能最重要的环节之一。尤其是围堰的防渗结构设计决定了基坑初期排水、经常性排水的降水难度及需要投入的降排水设备，直接影响主体工程的施工安全及施工进度。围堰技术应用的稳定性直接决定着工程建设质量。

国内咬合桩防渗技术的应用领域主要包括水利工程、基础工程和环境工程。在水利工程中，咬合桩广泛用于防洪堤坝、渠道、河道和水库等工程中，以提高抗渗性能。目前，国内学者在咬合桩防渗技术方面进行了大量研究，取得了显著的成果。主要体现在：通过数值模拟、试验研究和工程实践，不断改进咬合桩的设计方法，以提高其防渗性能和承载能力，并对咬合桩所使用材料进行深入研究，以提高咬合桩的抗渗性能和耐久性；积极探索咬合桩的施工技术，包括振动桩、压实桩、灌浆桩等不同施工方法，不断改进施工工艺，提高施工效率。

一、工程背景

1.工程概况

岷江龙溪口航电枢纽工程位于四川岷江干流下游河段，是岷江下游河段（乐山—宜宾）航电规划4 个航电梯级中的最末一级，其上游为犍为航电枢纽工程。龙溪口坝址位于乐山市犍为县新民镇上游约1 公里处，坝址距离距乐山市约84 公里，距成都市约214公里。龙溪口航电枢纽总库容约3.24 亿立方米，装机容量为480 兆瓦，为河床式电站，闸坝式挡水建筑物，III级船闸通航1 000 吨级船舶。工程开发任务为以航运为主，航电结合，兼顾防洪、供水、环保等综合利用。枢纽主要建筑物包括挡水建筑物、鱼道建筑物、泄水建筑物、通航建筑物及引水发电建筑物。

库区防护工程涉及下渡乡、黄旗坝、虎吼坝、机场坝、丁家坝、康家坝、孝姑镇、五一坝、铁炉乡、龙孔镇等共计10 个防护区，库区防护工程主要有防护堤、截洪沟、涵闸、土地抬填、排浸管、设置调洪区、泵站等措施，共需布置防洪堤47.41 公里，区内共布置12 座排涝泵站，排涝站总装机容量11 715 千瓦。该防护区城市的等级为Ⅳ级，防洪标准为20 年一遇洪水。

2.施工导流

龙溪口航电枢纽工程为二等大2 型，主要建筑物按2 级设计，次要建筑物按3 级设计；相应导流建筑物中混凝土结构导流建筑物按4 级设计。其中，除左岸纵向土石围堰按5 级设计外，其余土石结构导流建筑物按4 级设计。施工导流采取分三期导流的施工方案：一期完成上游防洪堤建设和工程区河道的疏浚施工，增加河道行洪宽度，确保在工程施工期上游城镇在遭遇10 年一遇及以下标准洪水时不发生洪涝灾害；二期完成通航建筑物和部分泄洪闸的施工，满足工程施工期通航要求；三期完成泄洪闸的施工，尽早实现发电目标。各期施工均要确保现有的通航能力。其中，二期一枯时段为施工期第2 年11 月至第3 年5 月。二期一枯导流利用二期一枯上、下游围堰与临时航道右导墙形成封闭基坑，主要保护右岸11 孔泄洪闸及消力池、船闸和船闸上下游全年土石围堰施工。

二、围堰结构设计

1.堰型选择

土石结构围堰具有以下优点：结构简单，堰体填筑料可就地取材，能够充分利用河床开挖料，后期易于拆除，对围堰基础要求不高，不用开挖河床覆盖层，施工时可使用大型机械设备，便于快速施工，不需要另外修筑子围堰，投资较省。结合工程地形地质条件，二期一枯围堰选择土石结构。

2.堰体防渗结构设计

（1）围堰防渗结构分析。围堰的防渗墙形式主要包含混凝土防渗墙和高压旋喷防渗墙2 大类。其中，混凝土防渗墙施工一般采用“钻劈法”进行成槽施工，分Ⅰ序、Ⅱ序分期分批进行开槽施工，施工工艺复杂，施工工期较长；高压旋喷防渗墙是利用钻车钻孔至岩石，再利用高喷台车，将水泥浆液按照一定的比例高压旋喷入钻孔。高压的浆液在高压下通过地下裂隙慢慢渗入，从而形成连续的防渗墙体，是一种高效、安全、节约投资的施工方法，尤其适用于水工建筑物的松散透水地基。高压旋喷防渗墙造价略高于混凝土防渗墙，因此，在工期较为紧急的情况下优先推荐高压旋喷防渗墙作为围堰防渗结构处理方式。

在实际施工过程中，虽然高压旋喷防渗墙具有防渗效果好、实施速度快的显著优势，但也可能由于一些不确定因素导致高压旋喷防渗墙成桩效果较差而达不到预期效果。如根据土石平衡规划，二期一枯围堰利用开山泥岩料施工，围堰实施过程中江水流速较大，可能导致围堰泥岩填料中细小骨料被浇水带走，围堰体孔隙较大，难以形成较完整的桩体，致使高压旋喷防渗墙防渗效果欠缺。枯期围堰防渗可利用施工时间较短，如果采取全线混凝土防渗墙施工，就会增加围堰施工工期，压缩主体工程施工时间。因此，在高压旋喷防渗墙方案部分不适用但工期紧张的情况下，参考房建工程中的咬合桩技术，提出上游围堰采取“咬合灌注桩+混凝土防渗墙”相结合的防渗方案，下游围堰采取“灌注桩+高压旋喷”相咬合的防渗方案。

（2）堰体防渗结构布置。考虑到施工交通及围堰维护的需要，围堰顶宽按10 米设计，堰体迎水面坡比为1:2.5，背水面坡比为1:2.0，二期一枯围堰上游底部河床高程为 294.00 ～296.00 米，堰顶高程308 米，最大堰高14 米；围堰下游底部河床高程为296.00~300.00 米，堰顶高程307 米，最大堰高11米。堤身采用石渣料填筑，堰体上游中部设风化泥岩过渡层，迎水面采取砂卵砾块石防冲保护。二期一枯围堰结构图如图1 所示。

图1 二期一枯厂房上游土石围堰结构设计图

（3）上游围堰采取“咬合灌注桩+混凝土防渗墙”相结合的防渗方案。二期一枯上游土石围堰防渗墙咬合灌注桩设计平面示意图如图2 所示。图中尺寸以毫米计。灌注桩桩径1 米，防渗墙轴线上咬合长度0.1 米，咬合连接处形成0.44 米厚度防渗结构。灌注桩采用二级配C20 混凝土。

图2 厂房上游土石围堰防渗结构优化图

（4）下游围堰采取“灌注桩+高压旋喷”相咬合的防渗方案。二期一枯下游土石围堰防渗墙设计平面示意图如图3 所示。图中尺寸以毫米计。灌注桩桩径1 米，高压旋喷防渗墙桩径0.80 米，与高压旋喷桩轴线上咬合长度0.10 米，咬合连接处形成0.39 米厚度防渗结构。灌注桩采用二级配C20 混凝土。

图3 厂房下游土石围堰防渗结构优化图

三、围堰结构计算

1.围堰边坡稳定计算

堰壳填筑料及堰基覆盖层包含粘性土和非粘性土，抗滑稳定计算，对于非粘性土采用平面滑动计算，并用圆弧滑动模型复核，对于涉及粘性土部位采用圆弧滑动模型。

（1）计算工况。围堰稳定计算根据围堰结构及防渗设计成果选取典型断面进行计算，断面位置与渗流计算断面位置相同。稳定计算主要考虑设计拦水位条件下的迎水面边坡和背水面边坡。

（2）计算方法及参数选取。计算工具采用“理正岩土计算5.11 版”，计算公式采用瑞典圆弧法，稳定渗流期水的作用考虑采用有效应力法，通过自动搜索最小安全系数和相应的滑裂面位置选取。

（3）计算结果。各断面抗滑稳定计算最不利滑弧如图4、图5 所示，计算抗滑稳定安全系数见表1所列。

图4 上游围堰抗滑稳定计算简图

图5 下游围堰抗滑稳定计算简图

2.围堰渗流分析计算

围堰渗流取1 米长度堰段按典型断面进行计算。计算渗流量为基坑经常性排水提供依据，计算渗流场及浸润线为稳定计算提供依据，计算渗透比降分布验证堰体渗透稳定性并为防治措施设置提供依据。

（1）计算方法及参数。围堰渗流分析工具采用“理正岩土计算5.11 版”，通过划分单元格采用有限元分析方法进行计算。

（2）计算工况。渗流计算主要考虑设计挡水位条件下的稳定渗流工况，围堰渗流计算如图6所示。

图6 二期一枯围堰渗流计算简图

（3）计算成果。①上游围堰。渗流量：单宽渗流量为4.31 立方米/天，堰段长度约357.5 米，渗流量1 541 立方米/天；渗透稳定分析：砂卵石填筑料基坑侧坡脚溢出点3 米范围内渗透比降大于0.02，可满足要求。如图7 所示。②下游围堰。渗流量：单宽渗流量为2.25 立方米/天，堰段长度约884米，渗流量1989立方米/天；渗透稳定分析：砂卵石填筑料基坑侧坡脚溢出点3 米范围内渗透比降大于0.27，可满足要求。如图8 所示。