稻草沙水庫工程建設(shè)中的建筑材料選擇與施工作業(yè)

稻草沙水庫工程建設(shè)中的建筑材料選擇與施工作業(yè)

1．路—工程概況草地沙源水庫（以下簡(jiǎn)稱草地沙水庫）位于長(zhǎng)江口南支下段南北港旁的水域。如圖1所示，它由興縣島西部和北部的中央沙、草坪沙和北部的小蓬槽組成。環(huán)庫堤壩總長(zhǎng)約48.4km,水庫總面積66.15km2,水庫最高蓄水位7.00m(吳淞零點(diǎn),下同),設(shè)計(jì)最低水位-1.50m,水庫總庫容5.27億m3,有效庫容4.38億m3。水庫堤壩工程主要包括:新建長(zhǎng)約22km的青草沙庫區(qū)堤壩(北堤、東堤),按水庫標(biāo)準(zhǔn)改造中央沙庫區(qū)圍堤(南堤、西堤)約10.5km,加高加固庫區(qū)范圍的長(zhǎng)興島老海塘約15.9km,以及臨江側(cè)的中央沙庫區(qū)南堤、西堤和青草沙庫區(qū)北堤、東堤的保灘護(hù)底等。水庫環(huán)庫堤壩為1級(jí)水工建筑物,臨江側(cè)的防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)采用100a一遇高潮位(6.13m)加同頻率風(fēng)浪設(shè)計(jì),300a一遇高潮位(6.43m)加同頻率風(fēng)浪校核;庫內(nèi)側(cè)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)采用最高蓄水位(7.00m)加相應(yīng)風(fēng)浪高。長(zhǎng)興島老海塘加高加固段按不允許越浪設(shè)計(jì),其余堤段按允許部分越浪設(shè)計(jì)。2水庫建設(shè)與河流潛力和海灘利用控制2.1合理設(shè)置河勢(shì)堤線,保證河道植物的生長(zhǎng)青草沙水域地處長(zhǎng)江口南支的江心區(qū)域,水量充沛、水質(zhì)良好,具備水源地建庫條件。前期大量的研究成果表明:青草沙水域河勢(shì)較為穩(wěn)定,但南北港分流口河勢(shì)已向不穩(wěn)定發(fā)展過渡,是建庫的較好時(shí)機(jī);實(shí)施青草沙水庫工程對(duì)長(zhǎng)江口地區(qū)防洪排澇、南北港分流口河勢(shì)、南北港河勢(shì)、長(zhǎng)江口深水航道、北港主通航孔及長(zhǎng)興島南岸重大工程無明顯不利影響;工程固定了新橋通道的下邊界,阻止了中央沙頭的后退,為南北港分流口整治工程的實(shí)施創(chuàng)造有利條件。擬建取水口設(shè)置在新橋通道中段南側(cè),在河勢(shì)穩(wěn)定性方面基本可行。堤線布置直接關(guān)系到南北港河勢(shì)的穩(wěn)定。通過水動(dòng)力、泥沙、鹽度、水質(zhì)數(shù)學(xué)模型模擬,并結(jié)合河演分析和長(zhǎng)江口整體大變率動(dòng)床、定床物理模型試驗(yàn)研究,決定將新建堤壩布置在長(zhǎng)興島西北側(cè)離岸1.2~4.0km、順流向長(zhǎng)約30km的江心沙洲外緣的帶狀沙脊上,其走向基本與北港落潮流一致,堤線在沙尾橫穿大型漲潮溝(北小泓)后與加高加固的長(zhǎng)興島老海塘相接,上游側(cè)與加高加固的中央沙圈圍大堤相連,形成閉合的環(huán)庫堤壩,詳見圖1。2.2施工總體思路青草沙庫區(qū)灘地形態(tài)主要由南北兩側(cè)灘地和橫貫東西的深泓構(gòu)成,庫區(qū)中心區(qū)域靠西為現(xiàn)狀青草沙墾區(qū)。通過對(duì)工程區(qū)的地形地貌特點(diǎn)、水流條件、工程實(shí)施方式及總工期的分析,研究提出按兩個(gè)階段實(shí)施的方案。第一階段基本框架是多堤段同時(shí)實(shí)施,但高灘、低灘港汊和深泓潛堤的控制高程應(yīng)不相同。對(duì)數(shù)十種方案組合進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)模計(jì)算分析后,得到如下主要結(jié)論:在全線堤段的堤身處實(shí)施護(hù)底的基礎(chǔ)上,北堤的高灘部分可盡快出水,北堤的港汊部位(低灘段)應(yīng)作為納潮通道予以保護(hù),東堤深泓段可先實(shí)施潛堤至-4.0m高程。高灘、港汊和深泓潛堤的堤壩填筑布局,可使工程區(qū)在較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)保持作為北港副槽的水流特征,漲潮流從橫沙通道進(jìn)入北小泓,繼而從上游港汊入主泓,具有明顯的順應(yīng)河勢(shì)的優(yōu)勢(shì)。第二階段,工程總體設(shè)計(jì)遵循在東堤深泓段和北堤港汊段設(shè)龍口的思路。龍口選址分為兩大類,第一類是在北堤上設(shè)置龍口(多龍口和雙龍口兩種方案),第二類是在東堤深槽上設(shè)置龍口。北堤多龍口方案、雙龍口方案具有龍口流速相對(duì)低、工藝常規(guī)等明顯優(yōu)勢(shì),但均存在兩類主要問題:(1)若東堤不能按計(jì)劃抬升出水,將會(huì)影響北堤龍口的按期合龍,從而造成整個(gè)工期的延期;(2)由于東堤位于漲潮溝上,漲潮時(shí)水動(dòng)力強(qiáng)勁,東堤主槽流受阻后,極有可能造成納潮口水流切灘或龍口護(hù)底范圍形成沖槽,進(jìn)一步發(fā)展后可能造成沖槽并與外側(cè)深槽串通。因此,綜合比較后推薦東堤深槽設(shè)主龍口,北堤兩個(gè)高灘段之間設(shè)副龍口的方案。龍口方案明確后,第二階段的施工順序是盡快抬高上游第一納潮口堤段,抬升北堤下段及東堤,進(jìn)一步收縮合龍北堤副龍口和東堤深泓段主龍口,形成全線封閉。新建水庫堤壩實(shí)施順序詳見圖2。3砂袋質(zhì)量與砂袋穩(wěn)定性的關(guān)系根據(jù)目前國內(nèi)水力充填筑堤的經(jīng)驗(yàn),在-6.0m以下深水吹填砂袋施工困難,質(zhì)量也難以保證。東堤中段為北小泓漲潮溝深槽,天然條件下大潮漲落急流速達(dá)2.0m/s左右。根據(jù)水流、堤基、施工等條件的分析,東堤深泓段采用拋填砂袋雙棱體斜坡堤。拋填砂袋雙棱體斜坡堤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要點(diǎn)在于拋填砂袋的袋布設(shè)計(jì)、施工期砂袋在波浪水流作用下的穩(wěn)定性,以及作為水庫堤壩堤身的密實(shí)性。根據(jù)長(zhǎng)江口地區(qū)多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并通過大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),800g/m2的機(jī)織布、500g/m2的機(jī)織布泌水性能不如260g/m2的機(jī)織布,在充灌砂的過程中,飽滿度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,充灌效率也很低;410g/m2的復(fù)合布透水性較好,對(duì)減少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用,但成本相對(duì)較高;260g/m2的機(jī)織布通過在砂袋制作時(shí)增加排水袖口的措施可彌補(bǔ)透水性較差的缺點(diǎn),充灌效率較高,因此被普遍采取。拋填砂袋施工以效率最高的大型翻板船側(cè)翻拋袋為主(一次可拋放6~12個(gè)砂袋,日最大拋填量可達(dá)2000m3左右),拋填袋裝砂尺寸一般采用4m×6m或6m×8m,砂袋厚度以0.6~0.8m為宜,充盈度控制在60%~70%,以利于控制砂袋密實(shí)性。單層袋裝砂袋的抗滑穩(wěn)定性主要取決于施工期頂部砂袋的穩(wěn)定性。單層砂袋的臨界穩(wěn)定波高一般在1.5m以下。根據(jù)河海大學(xué)相關(guān)試驗(yàn)成果,在袋裝砂頂部覆蓋兩層大砂袋,并對(duì)頂部?jī)蓪由按鞲魝}處理,可將臨界穩(wěn)定波高提高至2.8m。東堤在-4.0m高程需要度汛,因此,-6.0~-4.0m高程采用410g/m2的高強(qiáng)復(fù)合土工布大尺度管袋(內(nèi)層為150g/m2無紡?fù)凉げ?加強(qiáng)保砂性能,外層為260g/m2機(jī)織土工布,抗沖刷),兼作防沖和過渡層。施工中采用船載GPS和專用定位軟件進(jìn)行定位。受水流流速的影響,砂袋入水后會(huì)產(chǎn)生一定距離的漂移,這是影響水下堤身實(shí)際成型效果的一個(gè)重要因素。因此,通過砂袋漂移試驗(yàn),測(cè)出相同水深條件下各種規(guī)格的砂袋在漲急、落急情況下的大致漂移距離,并據(jù)此對(duì)拋袋的施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整;通過檢測(cè)浮漂位置和潛摸的方法檢測(cè)實(shí)際拋放位置和拋放質(zhì)量,及時(shí)對(duì)堤身斷面進(jìn)行測(cè)量,決定是否需要補(bǔ)拋以及補(bǔ)拋位置,以提高水下堤身成型質(zhì)量。4截流方案比選(1)青草沙庫區(qū)分倉方案論證。庫區(qū)分倉方案主要研究不分隔、設(shè)一道隔堤、設(shè)兩道隔堤,即庫區(qū)分為1倉、2倉、3倉三種分倉方案。2倉方案在青草沙墾區(qū)東端設(shè)置1條隔堤,將庫區(qū)分成上下2倉;3倉方案是在2倉方案基礎(chǔ)上,再增設(shè)置1條隔堤,形成上、中、下3倉,上庫約1067hm2,中庫約1933hm2,下庫約1974hm2。利用DELFT3DFLOW模型和MIKE21模型進(jìn)行水庫分倉方案的論證。研究表明,分倉方案改變了水流流路,且不能有效降低龍口的水流流速;隔堤實(shí)施后,堤頭內(nèi)外側(cè)的流態(tài)和流速都有較大幅度的改變,沙脊及河床形態(tài)也必將發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整,對(duì)水庫堤壩建設(shè)不利;隔堤兩側(cè)存在較大水位差,應(yīng)具有一定的防滲能力;隔堤位于深槽,本身施工難度很大,造價(jià)在1億元以上。因此,從水流、施工、功能及經(jīng)濟(jì)方面對(duì)庫區(qū)分隔方案進(jìn)行綜合比較,1倉方案對(duì)河勢(shì)影響小,施工強(qiáng)度小,進(jìn)度有保障,其龍口保護(hù)及合龍難度與2倉和3倉方案相比沒有本質(zhì)的變化,施工交通條件也無特別的劣勢(shì),工程費(fèi)用可大幅降低。因此,推薦采取不分倉的方案,整個(gè)庫區(qū)面積約49.8km2。(2)龍口規(guī)模研究。采用數(shù)學(xué)模型和物理模型手段,并考慮龍口結(jié)構(gòu)布置和截流實(shí)施方案,針對(duì)推薦的東堤深槽主龍口方案,研究了保護(hù)期、收縮期及合龍期的水流特征,以及北堤副龍口對(duì)東堤主龍口的影響,上下游水閘參與排水對(duì)東堤龍口的影響,及東堤龍口加寬加深的分析比較等。經(jīng)綜合分析論證,確定東堤主龍口保護(hù)期規(guī)模為:寬800m、底高程-4.0m,龍口兩端各設(shè)寬50m、高程為0m的平臺(tái)。綜合龍口保護(hù)期及合龍期過程的水流計(jì)算和試驗(yàn)研究成果,擬定龍口保護(hù)期設(shè)計(jì)流速為7.5m/s(位于龍口-4.0m高程平臺(tái)與邊坡交接處),框籠截流過程流速按不大于6.0m/s控制。4.2網(wǎng)中心帶模型試驗(yàn)裝置根據(jù)龍口設(shè)計(jì)流速及龍口基礎(chǔ)構(gòu)筑材料的保護(hù)要求,龍口保護(hù)結(jié)構(gòu)由下往上設(shè)計(jì)為4層,具體見圖3。第一層,大型土工織物充填砂袋尺寸為220m×35m,袋布規(guī)格為410g/m2復(fù)合土工布,采用大型鋪排船趕潮施工。第二層,超強(qiáng)砂肋軟體排順?biāo)鞣较蛲ㄩL(zhǎng)約為200m,寬度35m左右(視鋪排船規(guī)模而有增減),排布采用1300g/m2丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織土工布,其抗拉強(qiáng)度為經(jīng)360kN/m、緯260kN/m(該排布為針對(duì)該工程定制并首次批量投入應(yīng)用的超強(qiáng)度土工布),砂肋直徑30cm,間距150cm,采用260g/m2丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織布。第三層,混凝土塊連鎖排,基布采用380g/m2復(fù)合土工布,混凝土塊規(guī)格為160mm(厚)×400mm×400mm,由丙綸繩均勻系在排布上。排體的平面尺度與超強(qiáng)砂肋軟體排相同。第四層,網(wǎng)兜石單重10t,6個(gè)聯(lián)成一組,整體吊裝,定點(diǎn)沉放,安放后的整體厚度為0.6~1.2m。水槽試驗(yàn)表明,6個(gè)一聯(lián)10t網(wǎng)兜石可滿足6.5~8m/s流速的抗沖穩(wěn)定。在堤壩的防滲墻位置,用30t混凝土塊代替網(wǎng)兜石,截流后吊出并用充填砂袋置換。4.3網(wǎng)兜底石截流龍口900m范圍分兩種戧堤截流斷面,在龍口中間底寬800m、底高程-4.0m范圍全線采用框籠拋石截流,即在小潮汛期安放框籠并壓載,但大潮汛時(shí)仍可過水,再乘小潮或大潮平潮時(shí)段向已安放并形成穩(wěn)定的框籠內(nèi)拋石戧堤。兩側(cè)各50m(底高程-4.0m)段采用網(wǎng)兜石戧堤截流?？蚧\結(jié)構(gòu)主要考慮了鋼筋混凝土和型鋼兩種結(jié)構(gòu)形式,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重大、穩(wěn)定性好,但制作周期長(zhǎng)、安裝難度大;型鋼結(jié)構(gòu)在制作和吊裝上有一定的優(yōu)勢(shì),因此推薦采用型鋼結(jié)構(gòu)。鋼框籠立面(水流進(jìn)出方向)采用有利于自身穩(wěn)定的梯形斷面,頂寬10m,底寬12m,高7.5m,詳見圖4。施工順序?yàn)?(1)放籠;(2)籠內(nèi)-2.0m以下壓重拋石;(3)籠兩側(cè)各5m范圍-2.0m以下壓重網(wǎng)兜固籠;(4)籠內(nèi)分層拋石至籠頂;(5)籠兩側(cè)拋石加固。上述第(1)~(3)步相當(dāng)于平堵過程,第(4)步可根據(jù)需要既可立堵也可平堵。5水庫充灌工藝5.1管袋結(jié)構(gòu)的滲透率選取有代表性的堤身結(jié)構(gòu),分別進(jìn)行堤壩斷面結(jié)構(gòu)水槽概化滲透試驗(yàn)、相鄰或類似堤壩滲流特性原位試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié),得出工程區(qū)域復(fù)雜沉積環(huán)境下高離散性地基土的滲透特性具有如下規(guī)律。(1)青草沙區(qū)域的砂樣經(jīng)水力充填成土工管袋結(jié)構(gòu)后,水平和垂直向滲透性分別為6.06×10-3cm/s和3.11×10-3cm/s。(2)土工管袋結(jié)構(gòu)透水性一般為吹填砂體的2~4倍。由此可見,土工管袋之間的接縫對(duì)滲透性存在一定的影響,可導(dǎo)致滲透系數(shù)變大。(3)多層土工管袋結(jié)構(gòu)的滲透性比原砂樣的滲透性大,其原因在于管袋與管袋之間存在搭接縫隙,而問題并不是管袋所采用的土工布本身,單層土工袋結(jié)構(gòu)的滲透性與原砂樣十分接近。(4)堤線各處的表層滲透變形形式和特性不一?？傮w上,粉土和粉砂滲透系數(shù)在10-3~10-4cm/s量級(jí),黏土滲透系數(shù)在10-6~10-7cm/s量級(jí)。(5)雙層和多層土工管袋結(jié)構(gòu)的滲透性較原砂樣的滲透性有所變化,主要由于是管袋間的接觸滲流引起。試驗(yàn)中未見管袋自身滲透破壞,滲透破壞均發(fā)生在管袋間的接觸滲流,接觸滲透坡降臨界值為0.1。5.2攪拌樁方案比選水庫堤壩的滲流控制以設(shè)置水泥土防滲墻為主,其施工工藝、設(shè)計(jì)參數(shù)以及質(zhì)量監(jiān)測(cè)和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究確定,東堤深槽段復(fù)雜堤身結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算分析后采用復(fù)合式防滲墻。(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)有2種工法(SMW水泥土攪拌樁、高噴法),針對(duì)兩種特殊堤身結(jié)構(gòu)(吹填土+砂肋軟體排、吹填土+高強(qiáng)土工布袋裝砂+砂肋軟體排)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。通過試樁主要得出如下結(jié)論:(1)攪拌樁成樁質(zhì)量最好,攪拌樁次之,旋噴+擺噴較差。(2)安裝切割刀具的攪拌樁鉆頭在施工時(shí)可以將土工布切割成不規(guī)則的條塊狀,并隨著攪拌頭、葉片帶出土體。(3)檢測(cè)孔的傾斜程度從大到小依次為,,經(jīng)檢測(cè),連續(xù)性和均勻性較好的攪拌樁比另外兩種樁型更容易保證垂直度。(2)復(fù)雜堤身結(jié)構(gòu)防滲墻形式。根據(jù)攪拌樁的實(shí)際施工能力及上海地區(qū)土性特點(diǎn),水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)滲透系數(shù)可取為5×10-6cm/s。經(jīng)計(jì)算,水泥土攪拌樁的防滲墻厚度需60cm,因此,新建堤壩防滲墻采用攪拌樁(套接)。東堤深槽段堤身下部存在厚約2.0m的強(qiáng)透水層(網(wǎng)兜石),為防止堤身空洞及透水影響成樁質(zhì)量,經(jīng)分析采用雙排ue54e850mm@600的水泥土攪拌樁防滲墻。兩排攪拌樁的布置初擬兩種方案進(jìn)行比選:第一種方案是兩排攪拌樁隔開一定距離,排與排之間無連結(jié)措施;第二種方案是兩排攪拌樁預(yù)留40cm,在攪拌樁達(dá)到足夠的強(qiáng)度后,在兩排攪拌樁墻中間采用高壓旋噴進(jìn)行封