淤泥地基上土石围堰的设计方案.doc

淤泥地基上土石围堰的设计方案2005年10月第5期跺观代救第127期淤泥地基上土石围堰的设计方案关春霞(江门市水利水电勘测设计有限公司,广东江门529100)摘要:探讨淤泥地基上围堰型式的选择及土石围堰设计.关键词:淤泥;地基;围堰;计算1工程概况江门市新会区金牛头水闸枢纽工程中的五孔闸每孔净宽为6.0m,闸底高程为一2.5m,闸顶高程为4.4m.外围堰底部高程为一3.5m.堰顶高程根据水文计算为2.3m.堰体总高为5.8m.围堰地基主要是淤泥层,呈灰黑色,流塑,含粉细砂,间有贝壳,属于软弱地基.其主要技术指标见表1.表1淤泥层主要技术指标2围堰型式选择针对外围堰地基淤泥层厚,水深较大的特点,围堰设计考虑了松桩围堰,管桩围堰,砂围堰及土石围堰四种方案.并从经济条件及施工技术条件作比较2.1经济条件取每延长米堰体进行经济比较松桩围堰采用尾径为120mm,长为4m的松桩,间距为0.5m,用西12的钢筋绑扎,两侧土体用硬竹围围护.管桩围堰采用300mm的预制管桩,间距为1m.两侧土体用硬竹围围护.砂围堰采用空底船进行施工,两侧土体用尼龙布围护土石围堰是清基后用空底船回填石粉.然后在石粉面层铺设土工布,最后回填土方.根据以上各围堰的做法,计算出每延长米(最大断面)的造价为:松桩围堰1757.60元.管桩围堰4524.16元(未含打桩船进退场费),砂围堰5639.67元,土石围堰4170.02元2.2施工技术条件a)松桩围堰由于堰体两侧均有松桩并用硬竹围围护.其设计断面多为矩形或梯形.可采用较小的断面尺寸松桩容易购买且所需费用不高,从经济上来说比较合理.但围堰总高度为5.8m.而一般的松桩只有45m.难以满足施工需要.且在水深较大的情况下进行打桩,绑扎钢筋和固定竹围等施工也比较困难.b)管桩围堰.其原理与松桩围堰相似,是用管桩代替松桩.适用于围堰较高的情况.围堰两面垂直,断面小,整体稳定性强,产生滑动的机会较小.但水路运输条件受到限制.大型打桩船无法进场.另外管桩费用也较高.c)砂围堰比较适用于工程附近河床有可利用的砂,能用吸泥船吸砂喷填的情况.但因砂比较松散.填筑围堰的边坡要求大(1:l0以上).所需基底范围广,受到地形条件的限制另外砂的粒径比较均匀,级配不良,容易渗漏.且本工程附近河床可利用的砂不7多.又受闸孑L尺寸的限制,吸砂船难以进人施工现场d)土石围堰.土石围堰适用范围大,材料来源广.机械化施工程度高.且施工场地附近有符合设计填土要求的土料场,可利用自卸汽车推进施工.其设备要求不高,施工方法简单.进度较快,经济合理.经综合比较.土石围堰造价较低.施工可行.因此最后选用此方案.3土石围堰的设计土石围堰的设计主要从稳定,变形和渗漏三个方面考虑.本围堰的地基为较厚的淤泥层.含水量大,压缩性强.承载力低.针对此.提出了以下的设计方案:3.1基础处理先在高程一5.5一3.5m之问大面积回填砂或石粉.对基础进行处理.以保证围堰稳定性.根据现有施工条件.若采用回填砂方案.砂粒的磨圆度较好,缺少棱角.粒径大小均匀.级配不良,难以冲填密实,必会产生渗水通道:细颗粒在水流作用下容易被带走,给工程安全埋下隐患.若采用回填石粉方案.因石粉粒径大小不.级配较均匀,且多呈棱角状.易于冲填密实:围堰建成后在水压作用下细颗粒容易将围堰内的孑L隙充填密实.减少了渗水通道,因此选用此方案.回填石粉作用主要有:石粉垫层作为上部填土的基床.围堰底部的应力先作用在石粉垫层上.然后传到淤泥层地基上去.起到应力扩散作用.从而改善了地基的受力状况:由于石粉垫层向两侧延伸的范围较宽,增加了水流的渗径长度.减少了堰体渗透变形的机会:回填石粉的范围相对于围堰底部大得多.从而起到反压平台的作用,增强了围堰的稳定性.3.2铺设土工布在石粉面上铺设高强机织土工布(230g/m2,抗拉强度58kN/m,顶破强度>5000N),再在土工布上填筑符合要求的土料.土工布与填土形成的混合建筑材料加筋土.8在荷载作用下.填土与土工布之问产生相对位移和剪切应力.增加了对土的横向变形的限制.使得处于受拉土工布下面的土中应力均匀.从而提高土体的强度和稳定性.3.3防渗措施因为水头差大.坝体出现渗漏的机会还是很多本设计从三个方面考虑堰坝体的防渗问题:首先是坝体土料的选择,要求土料中的粘土含量大于15%.粉土含量大于30%:其次是在堰体迎水坡铺设防水土工布:最后是施工方法.要求堰体采用双向推进的施工方法.减少堰体出现纵向变形的机会.增加施工机械碾压的次数.从而使堰体得到更好的压实.3.4填筑反压平台考虑到堰体较高.在既定的设计边坡条件下.若加上施工质量问题和雨水渗透的因素影响.堰体产生滑移的机会很大.因此设计在两侧坝脚填筑反压平台.以确保主体工程的施工能顺利进行3.5控制加荷载速度若采用一次加荷载或加荷载速度过快.均会对围堰的稳定性及密实性造成不利的影响,所以在施工过程中.要求先将围堰填筑到1.8m高程时合拢围堰,然后在迎水坡侧叠砂包至高程2.3m.并用高强机织防水土工布护住四周.这样可将加荷载时间拉长,使围堰下部土体得到更好的同结,保证围堰的稳定,减少渗水机会.因堰体较高.不宜预留沉降量.当围堰使用过程中沉降达200300mm时.先将堰顶的砂包拆除,然后在其上填筑与沉降量等厚的土料.最后在迎水坡侧叠砂包至设计高程.用高强机织防水土工布护住四周:以后若再发生沉降,重复此处理过程.4土石围堰的计算4.1坝身渗流计算计算方法采用水利水电工程微机通用程序集中的土坝渗流计算程序,即K一2.计算结果如下:坝体单宽总渗流量f=o.123cm2/s:逸出点到下游水面线距离ao=0.834m浸润线坐标见表2:表2浸润线坐标单位:m坐标浸洲线坐标值X024681012Z4.3414.0493.7343.3903.0072.5682.035逸出点坐标:X=13.391m:1.334m4.2地基强度验算计算水位:围堰内外高程均为一3.0m.a)围堰顶部对应的基底接触压力=2.21.796+3.6x1.8l=10.47t/m0b)地基强度计算淤泥地基强度.土工试验成果报告表提供该层土的天然状态下的含水量为38.09%73.22%,平均值(【)=50%,查简明建筑结构设计手册得R=7.0t/m2,R=10.47t/m,R<R,地基强度不满足要求,因此采用铺土工布的方法对地基进行处理加筋(铺土工布)地基强度.对于加筋地基承载力.目前尚无成熟的计算方法.现采用林宗元主编的岩土工程治理手册中的公式计算:即R,=C?Nc+2T?sin45/B(1)FR=2T?(0.5厶+L=)?h?tg/x;(2)式中地基凝聚力,C=1.0t/m2:c太沙基承载力系数,由=4o查表得Nc=7;B基础有效宽度.B5+5.8x2x2=28.2m;卜土工布中拉力,T=Fs/Fs;安全系数,Fs=2;填土容重,1.796t/m3:厂位于抗滑土体内的土工布长度,=0;广位于滑动土体内的土工布长度,=20m;f卜土工布与地基土间的摩擦角,=32o.贝0FB=2T?(0.5+k)?h?tg/x=2x1.796xf0+20)x5.8?tg32.=260.366Fs=260.366/2=130.183R2l=c?Nc+2T?sin45./B=1.07+2130.J83xsin45./28.2=l3.53t/m>R=10.47t/m所以地基强度满足要求.4.3坝身稳定验算坝身断面尺寸见图1.计算方法采用水利水电工程微机通用程图1坝身断面图序集中的土石坝边坡稳定分析程序,即K一1.计算结果如下:Cx=18.000;cy=11.000;d=15.000;1=1.141.因=1.141,=1.05,>K所以堰体满足稳定要求.以上为外围堰内坡的计算.外坡计算同理.计算结果均符合要求.表3围堰沉降量表(Tg-;g13页)9b)沉箱下沉困难主要是由于沉箱自身重量克服不了箱壁摩阻力.或刃脚下遇到大的障碍物所致.解决因摩阻力过大下沉困难的方法是增加沉箱自重和减小箱壁摩阻力两个方面来考虑的4组合沉箱实际应用4.1组合沉箱优点组合沉箱应用于条型基础连续性好.整体性好,稳定性好,防冲刷能力强,抗拉,抗压能力强:可当施工期的挡水,挡土的围堰:施工简单.能较好地解决因扩大基础施工困难问题4.2组合沉箱缺点施工期较长,挖土下沉时易产生挤压.增加下沉难度4.3组合沉箱适合条件上部荷载大,基层地基土体容许承载力不足.做扩大基础施工困难.且施工期和施工条件等允许的条型基础.山区河流中,虽然土质较好,但冲刷大的条型基础.用于建筑物防渗要求不高的条型基础.4.4设计要点组合沉箱设计与单个沉箱设计基本相同.应按基础要求进行验算和对沉箱本身进行结构设计和计算.单个沉箱规格一般为:短边B与长边L之比为1:3.即L=3B(短边按条型基础承载力计算B.加两倍壁厚L,即B=B+2L).壁高根据基础最大冲刷深度和地质情况确定.应计算沉箱施工过程的结构强度:(上接第9页)5结论金牛头水闸围堰在使用过程中.对最大断面沉降进行观测记录,具体数据见表3.分别在2000年11月12日及2000年12月05日及2000年12月16日测得沉降数据沉箱自重下沉验算.G>I.25F(沉箱自重,箱壁总摩阻力);沉箱竖向挠曲验算:箱壁竖向拉应力和横向受力计算;刃脚受力计算5结语感恩河防洪堤工程主要功能是疏改河道,填河造地,既可防洪.又可增加建房用地,有较高的经济价值.河堤工程造价237.5万元.于1990年动工.19911996年因资金紧缺停工,1997年才完工.增加建设用地13万m.新增土地用于修建沿河公路和街道,兴建文化中心.有偿安排200多户居民建住宅.感恩河畔的面貌大有改观.充分发挥了工程效益组合沉箱也称连续沉井.应用于建筑物较长的基础.尤其是软基上水工建筑物基础,特别是海堤,河堤和防渗透要求不高的河中建筑物基础.多年来,对软基上建筑物基础技术结构方案.工程技术人员有的采用施工围堰扩大基础方案.有的采用桩基混凝土方案,其基础施工非常