冰上石籠沉排施工在工程中的應(yīng)用論文

冰上石籠沉排施工在工程中的應(yīng)用論文2019-11-141冰上石籠沉排工程的試驗(yàn)研究松遼流域冬季漫長寒冷，夏季溫濕多雨，這種氣候特點(diǎn)，決定了東北地區(qū)水利工程的施工期非常短，同時不少大江大河的險工段長年處于水位變化區(qū)域，常規(guī)的防護(hù)方式無法滿足大規(guī)模河道治理的需要。1991―1994年，松遼水利委員會科研所、吉林省松原市水利水產(chǎn)局、吉林省扶余縣水利局在松花江扶余段進(jìn)行了《深水冰上大面積土工織物沉排技術(shù)研究》獲得了成功。研究立足于險工河段的治理，以現(xiàn)場工程試驗(yàn)和觀測為主，結(jié)合理論分析，科學(xué)地提出了該技術(shù)的設(shè)計方法和施工工藝，為江河的護(hù)岸增添了一項(xiàng)新技術(shù)。項(xiàng)目針對傳統(tǒng)江河護(hù)岸方法中存在的問題和大量險工護(hù)岸的需要，利用北方河流冬季結(jié)冰的特點(diǎn)，以現(xiàn)場工程試驗(yàn)和觀測為主，結(jié)合理論分析，研究出質(zhì)量好、技術(shù)先進(jìn)、造價低、施工快的護(hù)岸新技術(shù)。主要研究排體結(jié)構(gòu)、鋪排和可靠的沉放技術(shù)。冰上大面積和深水沉排，對排體結(jié)構(gòu)的特殊要求是其具有良好的整體性和柔性。設(shè)計中采用了土工織物鋪底層，上加壓載并相互連結(jié)的基本結(jié)構(gòu)，解決了反濾、防沖和排體穩(wěn)定問題。壓載根據(jù)工程要求采用厚0.30m的方形鐵絲石籠和石籠網(wǎng)格加土袋。冰上沉排的最大優(yōu)點(diǎn)是順岸單塊排寬可以很大，對護(hù)岸的整體穩(wěn)定性和加快施工速度很有利。研究采用的單塊排寬最大600m，最小300m，相應(yīng)單塊排體面積12000m2和6000m2。對沉排的剪力和穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，確認(rèn)足夠安全。軟排施工經(jīng)嚴(yán)密組織，充分準(zhǔn)備，采取了分段快速鋪排、加強(qiáng)冰層溫度和排體變形監(jiān)測、均勻破冰、一定強(qiáng)迫整體沉放等技術(shù)措施，保證了大面積排體在水深13.4m，流速1.2m/s條件下，達(dá)到基礎(chǔ)均勻和順利下沉就位的目標(biāo)。成果已在4處險工護(hù)岸中推廣應(yīng)用，總護(hù)岸長度3485m，經(jīng)過3年和4年運(yùn)行，排體穩(wěn)定，護(hù)岸效果良好，與原設(shè)計多柳枝壓石和拋石護(hù)岸分別節(jié)省工程費(fèi)25.7%和47.2%。成果經(jīng)1994年鑒定后，分別在松花江、第二松花江和遼河沿岸地區(qū)廣泛推廣應(yīng)用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。松花江干流有近百處險段，嚴(yán)重威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)和安全。因此，該項(xiàng)成果的應(yīng)用前景廣闊。2冰上石籠沉排的應(yīng)用情況1998年松花江特大洪水發(fā)生后,哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計研究院在“松干堤防應(yīng)急渡汛防洪工程”設(shè)計引進(jìn)了軟體沉排新技術(shù),應(yīng)用在護(hù)岸工程上。其中，木蘭縣松干堤防護(hù)岸總長1000m，軟體排面積20000m2，雙城市松干堤防護(hù)岸總長2150m,軟體排面積56000m2;黑龍江農(nóng)墾勘測設(shè)計研究院設(shè)計的黑龍江干流勤得利十三隊(duì)臥牛口護(hù)岸工程、烏蘇里江八五九東安護(hù)岸工程，兩處護(hù)岸沉排面積共80100m2，分別于1999年和2004年完成，到2014年底，所調(diào)查沉排工程運(yùn)行狀態(tài)良好。2002年，松遼委嫩江右岸省界堤防工程建設(shè)管理局負(fù)責(zé)建設(shè)的嫩江右岸省界工程中，在嫩江右岸省界堤防工程的白沙灘險工護(hù)岸設(shè)計中，采用軟體沉排鉛絲石籠網(wǎng)格、沙袋壓載的設(shè)計進(jìn)行險工治理。該段險工長3.3km，沉排橫向長15m，沉排面積為49500m2。工程2003年3月完工，經(jīng)過1年運(yùn)行，由于嫩江水位變化較大，壓載的沙袋在枯水期暴露在水上，使沙袋老化破裂嚴(yán)重，砂土被水沖刷流失。經(jīng)過專家論證，在枯水位區(qū)域內(nèi)，使用石塊進(jìn)行壓載處理。此后經(jīng)過10年的運(yùn)行，工程未出現(xiàn)任何河岸崩塌，尤其是2013年嫩江大水后，該險工護(hù)岸工程完好。2008年，在嫩江右岸省界堤防工程馬蹄子險工護(hù)岸工程和半拉山泵站進(jìn)水口護(hù)底工程，黑龍江省水利水電設(shè)計院，提出了格柵石籠軟體沉排的方案進(jìn)行該段險工治理和灌溉站進(jìn)水口底部防護(hù)，兩項(xiàng)工程2009年完工。經(jīng)過4年的運(yùn)行，防護(hù)效果顯著，尤其是經(jīng)過2013年嫩江大洪水的考驗(yàn)，工程運(yùn)行良好。近年來，隨著石籠沉排技術(shù)完善和外包材料的發(fā)展，這種冬季冰上石籠沉排新工藝、新技術(shù)，在松遼流域的河道險工治理和國境界河國土防護(hù)工程上得到了廣泛的應(yīng)用。延長了東北地區(qū)水利工程建設(shè)的施工期，滿足了大規(guī)模水利工程建設(shè)的需要。實(shí)踐證明，這種方法在近年來完成的護(hù)岸工程中防護(hù)效果比較好，并且在結(jié)構(gòu)上更適用于東北獨(dú)有的凍脹變形特點(diǎn)，適用于東北冬季施工。3石籠沉排工程設(shè)計要點(diǎn)險工護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)由護(hù)坡段、固腳及其以下設(shè)護(hù)腳段。石籠沉排是河道險工護(hù)岸的組成部分，一般以河流多年枯水位為界，枯水位以下使用石籠沉排護(hù)腳形式，其上部用干砌塊石、混凝土砌塊等常規(guī)護(hù)砌形式。冰上石籠沉排由沉排固腳、排體組成。固腳體一般設(shè)計為鋼筋石籠、干砌塊石或混凝土結(jié)構(gòu);排體結(jié)構(gòu)是由反濾布、沉排壓載體組成。工程設(shè)計時，首先應(yīng)進(jìn)行河道險工位置地形圖、縱、橫斷面圖，造床流量及相應(yīng)的流速，冬季冰層厚度，多年平均枯水位及土質(zhì)類別等資料的`收集，以便確定排體結(jié)構(gòu)尺寸。3.1沉排固腳體設(shè)計固腳為擔(dān)負(fù)沉排排體穩(wěn)定的錨固體，同時也是上部護(hù)岸結(jié)構(gòu)物的底腳，為此，在設(shè)計固腳的結(jié)構(gòu)時要能夠同時保證上下兩部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，又要考慮施工條件、工期要求等因素確定?；炷凉棠_為剛性結(jié)構(gòu)，對地基要求較高。由于固腳建基位置為多年平均枯水位附近，高程較低，基礎(chǔ)處理較為困難，在軟弱地基上澆筑固腳混凝土，運(yùn)行期因基礎(chǔ)沉陷或凍脹變形將會產(chǎn)生斷裂、傾倒等現(xiàn)象。工程建設(shè)期正遇豐水年，秋季江河水位較高，混凝土難于施工，入冬后水位下降，東北氣溫又不允許混凝土施工，造成工期延誤。鋼筋石籠固腳、干砌石固腳對地基要求相對較低，較小的變形不會影響固腳的穩(wěn)定性，施工期不受季節(jié)限制，負(fù)溫條件下可正常施工，工程工期有保證。鋼筋石籠固腳一般由直徑12mm鋼筋焊接籠體骨架，內(nèi)襯鉛絲(或格柵)網(wǎng)片、無紡布組成，籠內(nèi)人工砌裝滿塊石后封蓋并焊牢，同時兩側(cè)填土夯實(shí)。鋼筋石籠固腳斷面尺寸，一般寬100cm左右，高120～150cm能夠滿足工程穩(wěn)定要求。不同的地形、水深及上部護(hù)坡高度，其固腳尺寸亦不相同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而設(shè)定。3.2排體的設(shè)計軟體排具有良好的柔韌性,適應(yīng)水下河床表面形狀和變化,緊貼其上;軟體排因其連結(jié)方式具有良好的連續(xù)性和整體性，并有足夠的強(qiáng)度,因此能夠發(fā)揮整體效應(yīng)。軟體排的物理學(xué)性質(zhì)滿足工程要求,底布具有良好的反濾、防沖作用,有較高的抗拉強(qiáng)度,在水下又不易老化，使用年限耐久。冬季冰上軟體沉排是在冰上制排。經(jīng)破冰沉放后，體排覆蓋可能沖刷的部位,使其河床穩(wěn)定。它由土工織物墊(或稱底布、各底布由足夠強(qiáng)度的尼龍繩連接成一整體)加筋帶，鉛絲石籠壓載等組成。排體的底布要求有足夠的強(qiáng)度，不僅能夠滿足沉放過程因排體沉降速度不均勻產(chǎn)生的拉力，而且要保證水下地形起伏變化產(chǎn)生的拉力下不被破壞，保持排體在沉放過程和運(yùn)行期的完整性。因此要經(jīng)計算和試驗(yàn)確定，以保證土工織物的經(jīng)向和緯向滿足設(shè)計強(qiáng)度。在排體運(yùn)行過程中,需要具有反濾功能。所以，在選擇排布時要根據(jù)河床土質(zhì)顆粒組成，設(shè)計土工織物的等效孔徑。一般選用400g/m2的編織土工物做排布，根據(jù)壓載重量大小也可用400～600g/m2的無紡布做排布，造價低且適應(yīng)性強(qiáng)。排體伸入河底長度，即排長。一般說來排尾伸到護(hù)腳斷面的最低點(diǎn)，由于水流側(cè)?g作用受到了限制，護(hù)腳處河床必然沖深加大，護(hù)腳尺寸，應(yīng)滿足河床沖至最低高程時護(hù)腳坡度仍能維持穩(wěn)定，也就是說，設(shè)計排體長度時，要通過計算確定護(hù)腳后的沖刷深度，在河床受沖刷后，排體仍能有效地保護(hù)岸坡。3.3沉排壓載設(shè)計鉛絲石籠沉排護(hù)腳是用鉛絲編制成網(wǎng)格的籠狀物體，內(nèi)砌塊石，網(wǎng)格大小以不漏填充的石塊為限。鉛絲一般采用8號鉛絲編制成網(wǎng)格，并按(0.3～0.5)m×(0.3～0.5)m的間距布置好對拉鉛絲，將上下網(wǎng)片與砌體綁緊，以增加石籠的整體性。隨著新材料的發(fā)展，使用高強(qiáng)的土工格柵、加筋格賓網(wǎng)、格賓網(wǎng)、格賓籠、鉛絲籠、雷諾護(hù)墊等作為外包材料發(fā)展趨勢很快，極大地推動了沉排工程的使用范圍和規(guī)模。確定石籠沉排厚度時應(yīng)考慮兩個因素。1)排體運(yùn)行期受水流作用或風(fēng)浪作用能過滿足穩(wěn)定要求;2)根據(jù)施工期冰層厚度，壓載體重量應(yīng)滿足排體沉放要求。在滿足工程運(yùn)行安全的情況下，如果施工期冰層過厚，壓載厚度相應(yīng)增加;否則，排體難于按設(shè)計位置沉下，發(fā)生排體隨冰排漂移現(xiàn)象。而施工期冰層較薄，排體設(shè)計過厚，冰層承載力不足，則易造成施工安全問題。多年來，東北地區(qū)排體壓載厚度一般為0.3～0.5m。嫩江下游、第二松花江及其以南地區(qū)取小值，黑龍江干流及嫩江上游、松花江下游取大值。4冰上石籠沉排工程施工冰上石籠沉排工程施工完全是在冰上作業(yè)，冰層厚度和當(dāng)?shù)刎?fù)氣溫是冰上作業(yè)的必要條件。石籠厚40cm以內(nèi)沉排，冰層初期厚度不小于60cm，施工期最高氣溫不高于-5℃;石籠厚度大于50cm沉排，冰層初期厚度不小于70cm。遼河流域僅在1月份具備施工條件;松花江流域冰上沉排施工期一般在12月中下旬至2月中下旬;黑龍江流域和松花江流域北部最遲工期應(yīng)控制在3月10日之前。軟體沉排工程主要用于河道或堤防迎水坡腳險工護(hù)岸工程。一般以冬季枯水位高程位置設(shè)置固腳，固腳以下設(shè)置石籠沉排，固腳以上采取砌石或混凝土護(hù)坡(岸)。沉排施工包括固腳和冰上沉排兩部分施工。4.1施工準(zhǔn)備4.1.1水下地形測量與補(bǔ)填根據(jù)設(shè)計和施工要求，按照設(shè)計圖紙和現(xiàn)場提供的施工測量坐標(biāo)對施工現(xiàn)場進(jìn)行測量放線，并作出平面圖和斷面圖。如發(fā)現(xiàn)陡坎在冰上做好浮標(biāo)記號以便于施工。軟體沉排雖能夠適應(yīng)地形變化，但對于較陡地形，沉排沉放后對固腳下脫力較大，影響固腳穩(wěn)定，對工程安全不利。為此，對于水下陡于設(shè)計坡比的地形，要進(jìn)行土方或拋沙(土)袋回填，調(diào)整排下水下地形坡度。4.1.2施工材料準(zhǔn)備1)排布。根據(jù)設(shè)計排體結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備排布，一般排布采用雙層布，上層以反濾為主，下層用編織布增加排體強(qiáng)度，使排體具有整體性;也可用加厚的單層無紡布，可起到雙重作用。白沙灘護(hù)岸工程沉排使用雙層排布，上層采用針刺滌綸短絲無紡布，單位質(zhì)量不小于150g/m2，縱橫向抗拉強(qiáng)度不小于225N/5cm，滲透系數(shù)不小于1×10-3cm/s，等效孔徑不大于0.17mm。延伸率不小于25%，撕裂強(qiáng)度不小于120N，CBR頂破強(qiáng)度不小于600N。下層采用滌綸機(jī)織長絲土工布，單位質(zhì)量不小于160g/m2，縱向抗拉強(qiáng)度不小于2000N/5cm，橫向抗拉強(qiáng)度不小于1500N/5cm滲透系數(shù)不小于1×10-2～1×10-3cm/s，等效孔徑不大于0.12mm。延伸率不小于25%，CBR頂破強(qiáng)度不小于4000N。馬蹄護(hù)岸工程沉排使用單位質(zhì)量為600g/m2土工布，同樣收到良好效果。2)鐵線。采用工地常用的8號鐵線，抗拉強(qiáng)度T不小于380N/mm2，伸展率12%，鋅層量30g/m2。材料進(jìn)場后存放在鉛絲籠預(yù)制廠。3)毛石。毛石根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際施工情況從附近采購。采購的標(biāo)準(zhǔn)按照毛石的抗壓強(qiáng)度T不小于30MPa，石籠內(nèi)塊石粒徑大于20cm應(yīng)占85%。材料進(jìn)場后存放在施工區(qū)堆放。4.1.3固腳鋼筋和鉛絲籠網(wǎng)片加工冰上石籠沉排固腳一般設(shè)計為鋼筋骨架石籠形式，并用粗鋼筋加以錨固，保證沉排沉放和運(yùn)行時穩(wěn)定。白沙灘險工護(hù)岸和馬蹄護(hù)岸沉排石籠固腳均用Φ12鋼筋做骨架，白沙灘險工護(hù)岸沉排石籠固腳設(shè)置了2m長Φ28的鐵樁錨固。按照設(shè)計和施工要求人工編制鉛絲網(wǎng)片，采用8號鍍鋅鐵線編制，鉛絲網(wǎng)格尺寸為13cm×13cm棱形，節(jié)點(diǎn)不小于兩扣。鉛絲石籠斷面鐵線不少于20根，鉛絲石籠斷面鐵線間距8～10cm。鉛絲籠網(wǎng)片預(yù)制寬度和長度根據(jù)設(shè)計石籠斷面、排長確定。編制好的網(wǎng)片卷好待用。4.2施工方法4.2.1錨固槽開挖及坡面處理錨固槽開挖采用人工挖槽或機(jī)械開挖人工修槽的方法進(jìn)行，無論使用何種開挖方法，錨固槽底部達(dá)到設(shè)計高程后必須密實(shí)無松土，槽寬與設(shè)計石籠同寬，保證固腳穩(wěn)定。排布定點(diǎn)廠家進(jìn)行制作或批量進(jìn)料現(xiàn)場縫合，順?biāo)鞣较蚩蛇B續(xù)縫合，或根據(jù)設(shè)計分成單塊排體;垂直水流方向長度要大于設(shè)計排長1m，用以包裹排尾，保證排體沉放時整體穩(wěn)定。兩層排布之間采用間距2.0m×2.0m結(jié)點(diǎn)帶子縫合成整體，結(jié)點(diǎn)帶子后期與鉛絲石籠綁扎在一起。排布在現(xiàn)場采用尼龍線縫合方法連接?，F(xiàn)場縫合宜用手提式縫合機(jī)。縫合強(qiáng)度不宜低于母體強(qiáng)度80%。排布垂直水流方向鋪設(shè)，沿垂直水流方向縫合，縫接方式采用折疊縫。對接長度30cm。4.2.2錨固槽鉛絲籠砌石采用裝載機(jī)裝5t翻斗車到運(yùn)石料到裝籠現(xiàn)場，按照設(shè)計和施工規(guī)范要求人工填砌石籠，毛石粒徑不小于15cm，孔隙可用小塊石填充，石籠空隙率不大于20%。待石籠石料填充完成后，用8號鐵線將鉛絲石籠兩端連接使之形成完整的石籠，上部骨架筋焊接牢固。待石籠石料填充完成后，用8號鐵線將鉛絲石籠兩端連接使之形成完整的石籠。兩條單條石籠間用8號鐵線間隔2m連在一起，保持沉排整體性。4.2.3沉排沉放鋪排、沉排均在冰上一次完成，排體應(yīng)連成整體和具有一定的柔性。排的前端和兩側(cè)應(yīng)加重邊載。施工時間不宜過長，在石籠壓載的情況下，凍結(jié)期施工時的冰厚以不小于60cm為宜，施工時間以控制在20d左右為宜。軟體排沉放前，排首應(yīng)牢固地錨固在岸坡上，以防排體沉放時滑入水中。冰上沉排深水位置宜采取強(qiáng)迫沉排方法，特別是在深水中和單塊排體面積很大的情況下，以控制排體能均勻下沉，加快沉排速度。4.3施工質(zhì)量