稻草沙水库工程建设中的建筑材料选择与施工作业

稻草沙水库工程建设中的建筑材料选择与施工作业

1．路—工程概况草地沙源水库（以下简称草地沙水库）位于长江口南支下段南北港旁的水域。如图1所示，它由兴县岛西部和北部的中央沙、草坪沙和北部的小蓬槽组成。环库堤坝总长约48.4km,水库总面积66.15km2,水库最高蓄水位7.00m(吴淞零点,下同),设计最低水位-1.50m,水库总库容5.27亿m3,有效库容4.38亿m3。水库堤坝工程主要包括:新建长约22km的青草沙库区堤坝(北堤、东堤),按水库标准改造中央沙库区围堤(南堤、西堤)约10.5km,加高加固库区范围的长兴岛老海塘约15.9km,以及临江侧的中央沙库区南堤、西堤和青草沙库区北堤、东堤的保滩护底等。水库环库堤坝为1级水工建筑物,临江侧的防洪(潮)标准采用100a一遇高潮位(6.13m)加同频率风浪设计,300a一遇高潮位(6.43m)加同频率风浪校核;库内侧的设防标准采用最高蓄水位(7.00m)加相应风浪高。长兴岛老海塘加高加固段按不允许越浪设计,其余堤段按允许部分越浪设计。2水库建设与河流潜力和海滩利用控制2.1合理设置河势堤线,保证河道植物的生长青草沙水域地处长江口南支的江心区域,水量充沛、水质良好,具备水源地建库条件。前期大量的研究成果表明:青草沙水域河势较为稳定,但南北港分流口河势已向不稳定发展过渡,是建库的较好时机;实施青草沙水库工程对长江口地区防洪排涝、南北港分流口河势、南北港河势、长江口深水航道、北港主通航孔及长兴岛南岸重大工程无明显不利影响;工程固定了新桥通道的下边界,阻止了中央沙头的后退,为南北港分流口整治工程的实施创造有利条件。拟建取水口设置在新桥通道中段南侧,在河势稳定性方面基本可行。堤线布置直接关系到南北港河势的稳定。通过水动力、泥沙、盐度、水质数学模型模拟,并结合河演分析和长江口整体大变率动床、定床物理模型试验研究,决定将新建堤坝布置在长兴岛西北侧离岸1.2~4.0km、顺流向长约30km的江心沙洲外缘的带状沙脊上,其走向基本与北港落潮流一致,堤线在沙尾横穿大型涨潮沟(北小泓)后与加高加固的长兴岛老海塘相接,上游侧与加高加固的中央沙圈围大堤相连,形成闭合的环库堤坝,详见图1。2.2施工总体思路青草沙库区滩地形态主要由南北两侧滩地和横贯东西的深泓构成,库区中心区域靠西为现状青草沙垦区。通过对工程区的地形地貌特点、水流条件、工程实施方式及总工期的分析,研究提出按两个阶段实施的方案。第一阶段基本框架是多堤段同时实施,但高滩、低滩港汊和深泓潜堤的控制高程应不相同。对数十种方案组合进行详细的数模计算分析后,得到如下主要结论:在全线堤段的堤身处实施护底的基础上,北堤的高滩部分可尽快出水,北堤的港汊部位(低滩段)应作为纳潮通道予以保护,东堤深泓段可先实施潜堤至-4.0m高程。高滩、港汊和深泓潜堤的堤坝填筑布局,可使工程区在较长时段内保持作为北港副槽的水流特征,涨潮流从横沙通道进入北小泓,继而从上游港汊入主泓,具有明显的顺应河势的优势。第二阶段,工程总体设计遵循在东堤深泓段和北堤港汊段设龙口的思路。龙口选址分为两大类,第一类是在北堤上设置龙口(多龙口和双龙口两种方案),第二类是在东堤深槽上设置龙口。北堤多龙口方案、双龙口方案具有龙口流速相对低、工艺常规等明显优势,但均存在两类主要问题:(1)若东堤不能按计划抬升出水,将会影响北堤龙口的按期合龙,从而造成整个工期的延期;(2)由于东堤位于涨潮沟上,涨潮时水动力强劲,东堤主槽流受阻后,极有可能造成纳潮口水流切滩或龙口护底范围形成冲槽,进一步发展后可能造成冲槽并与外侧深槽串通。因此,综合比较后推荐东堤深槽设主龙口,北堤两个高滩段之间设副龙口的方案。龙口方案明确后,第二阶段的施工顺序是尽快抬高上游第一纳潮口堤段,抬升北堤下段及东堤,进一步收缩合龙北堤副龙口和东堤深泓段主龙口,形成全线封闭。新建水库堤坝实施顺序详见图2。3砂袋质量与砂袋稳定性的关系根据目前国内水力充填筑堤的经验,在-6.0m以下深水吹填砂袋施工困难,质量也难以保证。东堤中段为北小泓涨潮沟深槽,天然条件下大潮涨落急流速达2.0m/s左右。根据水流、堤基、施工等条件的分析,东堤深泓段采用抛填砂袋双棱体斜坡堤。抛填砂袋双棱体斜坡堤结构的关键要点在于抛填砂袋的袋布设计、施工期砂袋在波浪水流作用下的稳定性,以及作为水库堤坝堤身的密实性。根据长江口地区多年工程实践经验,并通过大量的现场试验,800g/m2的机织布、500g/m2的机织布泌水性能不如260g/m2的机织布,在充灌砂的过程中,饱满度达不到设计要求,充灌效率也很低;410g/m2的复合布透水性较好,对减少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用,但成本相对较高;260g/m2的机织布通过在砂袋制作时增加排水袖口的措施可弥补透水性较差的缺点,充灌效率较高,因此被普遍采取。抛填砂袋施工以效率最高的大型翻板船侧翻抛袋为主(一次可抛放6~12个砂袋,日最大抛填量可达2000m3左右),抛填袋装砂尺寸一般采用4m×6m或6m×8m,砂袋厚度以0.6~0.8m为宜,充盈度控制在60%~70%,以利于控制砂袋密实性。单层袋装砂袋的抗滑稳定性主要取决于施工期顶部砂袋的稳定性。单层砂袋的临界稳定波高一般在1.5m以下。根据河海大学相关试验成果,在袋装砂顶部覆盖两层大砂袋,并对顶部两层砂袋作隔仓处理,可将临界稳定波高提高至2.8m。东堤在-4.0m高程需要度汛,因此,-6.0~-4.0m高程采用410g/m2的高强复合土工布大尺度管袋(内层为150g/m2无纺土工布,加强保砂性能,外层为260g/m2机织土工布,抗冲刷),兼作防冲和过渡层。施工中采用船载GPS和专用定位软件进行定位。受水流流速的影响,砂袋入水后会产生一定距离的漂移,这是影响水下堤身实际成型效果的一个重要因素。因此,通过砂袋漂移试验,测出相同水深条件下各种规格的砂袋在涨急、落急情况下的大致漂移距离,并据此对抛袋的施工参数进行相应调整;通过检测浮漂位置和潜摸的方法检测实际抛放位置和抛放质量,及时对堤身断面进行测量,决定是否需要补抛以及补抛位置,以提高水下堤身成型质量。4截流方案比选(1)青草沙库区分仓方案论证。库区分仓方案主要研究不分隔、设一道隔堤、设两道隔堤,即库区分为1仓、2仓、3仓三种分仓方案。2仓方案在青草沙垦区东端设置1条隔堤,将库区分成上下2仓;3仓方案是在2仓方案基础上,再增设置1条隔堤,形成上、中、下3仓,上库约1067hm2,中库约1933hm2,下库约1974hm2。利用DELFT3DFLOW模型和MIKE21模型进行水库分仓方案的论证。研究表明,分仓方案改变了水流流路,且不能有效降低龙口的水流流速;隔堤实施后,堤头内外侧的流态和流速都有较大幅度的改变,沙脊及河床形态也必将发生相应的调整,对水库堤坝建设不利;隔堤两侧存在较大水位差,应具有一定的防渗能力;隔堤位于深槽,本身施工难度很大,造价在1亿元以上。因此,从水流、施工、功能及经济方面对库区分隔方案进行综合比较,1仓方案对河势影响小,施工强度小,进度有保障,其龙口保护及合龙难度与2仓和3仓方案相比没有本质的变化,施工交通条件也无特别的劣势,工程费用可大幅降低。因此,推荐采取不分仓的方案,整个库区面积约49.8km2。(2)龙口规模研究。采用数学模型和物理模型手段,并考虑龙口结构布置和截流实施方案,针对推荐的东堤深槽主龙口方案,研究了保护期、收缩期及合龙期的水流特征,以及北堤副龙口对东堤主龙口的影响,上下游水闸参与排水对东堤龙口的影响,及东堤龙口加宽加深的分析比较等。经综合分析论证,确定东堤主龙口保护期规模为:宽800m、底高程-4.0m,龙口两端各设宽50m、高程为0m的平台。综合龙口保护期及合龙期过程的水流计算和试验研究成果,拟定龙口保护期设计流速为7.5m/s(位于龙口-4.0m高程平台与边坡交接处),框笼截流过程流速按不大于6.0m/s控制。4.2网中心带模型试验装置根据龙口设计流速及龙口基础构筑材料的保护要求,龙口保护结构由下往上设计为4层,具体见图3。第一层,大型土工织物充填砂袋尺寸为220m×35m,袋布规格为410g/m2复合土工布,采用大型铺排船赶潮施工。第二层,超强砂肋软体排顺水流方向通长约为200m,宽度35m左右(视铺排船规模而有增减),排布采用1300g/m2丙纶长丝机织土工布,其抗拉强度为经360kN/m、纬260kN/m(该排布为针对该工程定制并首次批量投入应用的超强度土工布),砂肋直径30cm,间距150cm,采用260g/m2丙纶长丝机织布。第三层,混凝土块连锁排,基布采用380g/m2复合土工布,混凝土块规格为160mm(厚)×400mm×400mm,由丙纶绳均匀系在排布上。排体的平面尺度与超强砂肋软体排相同。第四层,网兜石单重10t,6个联成一组,整体吊装,定点沉放,安放后的整体厚度为0.6~1.2m。水槽试验表明,6个一联10t网兜石可满足6.5~8m/s流速的抗冲稳定。在堤坝的防渗墙位置,用30t混凝土块代替网兜石,截流后吊出并用充填砂袋置换。4.3网兜底石截流龙口900m范围分两种戗堤截流断面,在龙口中间底宽800m、底高程-4.0m范围全线采用框笼抛石截流,即在小潮汛期安放框笼并压载,但大潮汛时仍可过水,再乘小潮或大潮平潮时段向已安放并形成稳定的框笼内抛石戗堤。两侧各50m(底高程-4.0m)段采用网兜石戗堤截流。框笼结构主要考虑了钢筋混凝土和型钢两种结构形式,钢筋混凝土结构自重大、稳定性好,但制作周期长、安装难度大;型钢结构在制作和吊装上有一定的优势,因此推荐采用型钢结构。钢框笼立面(水流进出方向)采用有利于自身稳定的梯形断面,顶宽10m,底宽12m,高7.5m,详见图4。施工顺序为:(1)放笼;(2)笼内-2.0m以下压重抛石;(3)笼两侧各5m范围-2.0m以下压重网兜固笼;(4)笼内分层抛石至笼顶;(5)笼两侧抛石加固。上述第(1)~(3)步相当于平堵过程,第(4)步可根据需要既可立堵也可平堵。5水库充灌工艺5.1管袋结构的渗透率选取有代表性的堤身结构,分别进行堤坝断面结构水槽概化渗透试验、相邻或类似堤坝渗流特性原位试验,对试验结果进行分析总结,得出工程区域复杂沉积环境下高离散性地基土的渗透特性具有如下规律。(1)青草沙区域的砂样经水力充填成土工管袋结构后,水平和垂直向渗透性分别为6.06×10-3cm/s和3.11×10-3cm/s。(2)土工管袋结构透水性一般为吹填砂体的2~4倍。由此可见,土工管袋之间的接缝对渗透性存在一定的影响,可导致渗透系数变大。(3)多层土工管袋结构的渗透性比原砂样的渗透性大,其原因在于管袋与管袋之间存在搭接缝隙,而问题并不是管袋所采用的土工布本身,单层土工袋结构的渗透性与原砂样十分接近。(4)堤线各处的表层渗透变形形式和特性不一。总体上,粉土和粉砂渗透系数在10-3~10-4cm/s量级,黏土渗透系数在10-6~10-7cm/s量级。(5)双层和多层土工管袋结构的渗透性较原砂样的渗透性有所变化,主要由于是管袋间的接触渗流引起。试验中未见管袋自身渗透破坏,渗透破坏均发生在管袋间的接触渗流,接触渗透坡降临界值为0.1。5.2搅拌桩方案比选水库堤坝的渗流控制以设置水泥土防渗墙为主,其施工工艺、设计参数以及质量监测和评定标准通过现场试验研究确定,东堤深槽段复杂堤身结构经计算分析后采用复合式防渗墙。(1)现场试验。现场原型试验有2种工法(SMW水泥土搅拌桩、高喷法),针对两种特殊堤身结构(吹填土+砂肋软体排、吹填土+高强土工布袋装砂+砂肋软体排)进行对比试验。通过试桩主要得出如下结论:(1)搅拌桩成桩质量最好,搅拌桩次之,旋喷+摆喷较差。(2)安装切割刀具的搅拌桩钻头在施工时可以将土工布切割成不规则的条块状,并随着搅拌头、叶片带出土体。(3)检测孔的倾斜程度从大到小依次为,,经检测,连续性和均匀性较好的搅拌桩比另外两种桩型更容易保证垂直度。(2)复杂堤身结构防渗墙形式。根据搅拌桩的实际施工能力及上海地区土性特点,水泥土搅拌桩的设计渗透系数可取为5×10-6cm/s。经计算,水泥土搅拌桩的防渗墙厚度需60cm,因此,新建堤坝防渗墙采用搅拌桩(套接)。东堤深槽段堤身下部存在厚约2.0m的强透水层(网兜石),为防止堤身空洞及透水影响成桩质量,经分析采用双排ue54e850mm@600的水泥土搅拌桩防渗墙。两排搅拌桩的布置初拟两种方案进行比选:第一种方案是两排搅拌桩隔开一定距离,排与排之间无连结措施;第二种方案是两排搅拌桩预留40cm,在搅拌桩达到足够的强度后,在两排搅拌桩墙中间采用高压旋喷进行封