汪濤

（上海友為工程設(shè)計有限公司，上海市200093）

0 引言

圍堰作為典型的水利工程臨時建筑物，其作用主要為施工期的臨時擋水，在特殊情況下也會要求自身能夠過水，參與聯(lián)合泄洪[1]，主體結(jié)構(gòu)建成后即被拆除。圍堰是船閘施工過程中重要的環(huán)節(jié)，是船閘工程安全施工的前提和保障，也是確保船閘主體順利施工的關(guān)鍵。復(fù)雜的地質(zhì)條件，惡劣的自然環(huán)境往往會給圍堰的設(shè)計者帶來一定的困難。

當(dāng)前，國內(nèi)水利工程施工圍堰主要有土石圍堰、袋裝砂圍堰、鋼板樁圍堰等基本結(jié)構(gòu)。涉及船閘工程，包括船閘改擴建、新建項目，出現(xiàn)了一批形式多樣的圍堰型式，例如半封閉式的樁土圍堰[2]、“黏土填筑+防滲帷幕+反壓平臺”圍堰[3]、單排鋼板樁+鋼支撐圍堰[4]等，在某些項目中還將陸域基坑和水域圍堰進行有機結(jié)合，形成一個整體[5]。

雙魚島游艇別墅項目的船閘圍堰處于深厚淤泥中，淤泥層厚度達10 m，呈流塑～軟塑狀，力學(xué)強度差，給圍堰的設(shè)計帶來較大困難；同時，船閘閘位處于已建外護岸之間，外護岸采用拋石爆破擠淤堤，堤身及地基均為強透水結(jié)構(gòu)，如何在塊石堤中設(shè)置安全可靠、經(jīng)濟合理、施工便利的防滲止水墻是工程的另一難點。本文將圍堰的堤型、地基處理方式選擇與防滲結(jié)構(gòu)一同考慮，并通過對比不同方案選擇了拋石爆破擠淤堤+堤后防滲墻的圍堰斷面型式，避免了直接在大塊石中施工防滲止水墻帶來的困難及風(fēng)險，具有結(jié)構(gòu)可靠、經(jīng)濟合理、施工便利的特點，為類似工程提供借鑒。

1 項目概況

雙魚島(招商局漳州開發(fā)區(qū)人工島)中心地理坐標位置：118°04′10″E，24°22′45″N，游艇別墅項目位于雙魚島南側(cè)港區(qū)。以內(nèi)河道為界，分為西側(cè)港池和東側(cè)港池二部分，西側(cè)港池水域總面積約356 73.2 m2，共布置游艇泊位47個；東側(cè)港池水域總面積約34 668.5 m2，共布置游艇泊位54個。內(nèi)河道出?？谠O(shè)置雙向通航的船閘。船閘按照7級通航標準設(shè)計，規(guī)模8.0 m×30 m×2.9 m（口門寬×閘室長×門檻水深）。設(shè)計船型為游艇，最大船長24 m，船寬6.5 m，吃水深度1.8 m。船閘年設(shè)計通過能力7 680艘。工程位置見圖1，總平面布置見圖2。

圖1 工程位置

圖2 工程總平面布置圖

2 工程地質(zhì)

船閘圍堰填筑區(qū)主要土層的特征自上而下分述如下：

（1）淤泥（1 a）（Q4m）：厚0.40～23.50 m，飽和，呈流塑～軟塑狀，力學(xué)強度差；

（2）粉質(zhì)黏土②（Q4al-pl）：厚1.70～17.10 m，干強度較高，呈可塑～硬塑狀，力學(xué)強度一般；

（3）淤泥質(zhì)黏土（3 a）（Q4m）：厚2.20～15.20 m，干強度中等，黏性較強，飽和，呈軟塑狀，力學(xué)強度差；

（4）殘積砂質(zhì)黏性土④（Qel）：厚0.90～10.90 m；干強度中等,呈硬塑狀，力學(xué)強度中等;

（5）全風(fēng)化花崗巖⑤（γ53（1）b）：厚0.75～10.10 m，巖石風(fēng)化劇烈，散體狀結(jié)構(gòu)，力學(xué)強度較好。

同時，船閘閘位處于已建外護岸之間，外護岸采用拋石爆破擠淤堤，堤身及地基均為強透水結(jié)構(gòu)。已建外護岸斷面見圖3。

圖3 已建外護岸斷面圖

3 圍堰設(shè)計

3.1 圍堰建設(shè)標準

根據(jù)規(guī)范[6]規(guī)定，本工程臨時圍堰水工建筑物等級為5級。波浪、潮位重現(xiàn)期取5 a一遇。

3.2 圍堰的平面布置

本船閘工程位于雙魚島南端已建內(nèi)河入?？冢鼗鶠樯詈裼倌?，遠離陸地，受風(fēng)浪影響顯著，施工條件差。為保證船閘水工結(jié)構(gòu)干地施工條件，需修建圍堰，形成基坑。圍堰項目包括南側(cè)攔海圍堰一道（西端與已建雙魚島西護岸相接，東端與已建雙魚島東護岸相接）、基坑北側(cè)攔河圍堰一道。除此之外，由于船閘閘位兩側(cè)的外護岸均為強透水塊石結(jié)構(gòu)，為了解決止水的難題，在東西護岸后方回填土中設(shè)置止水墻（包括局部與護岸交叉處），最終與南側(cè)攔海圍堰、北側(cè)攔河圍堰形成一個封閉的止水圈。圍堰的平面布置見圖4。

圖4 圍堰平面布置圖

3.3 圍堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）堰頂高程的確定

根據(jù)規(guī)范[7]，堰頂（防浪墻頂）高程計算式為：Zp=Hp+Rp+ΔH，即設(shè)計頻率高潮位+波浪爬高+安全超高。防浪墻頂高程計算成果見表1。

表1 防浪墻頂高程計算成果表

堤身高度越高，建堤難度越大，堤身斷面也隨之增大。因此，在滿足圍堰建設(shè)標準的前提下，堤身高度不宜過高。通過在堤身后方設(shè)置良好的防護措施和排水措施，堤身按允許越浪設(shè)計，從而降低堤身高度，是經(jīng)濟合理的建堤方式。

根據(jù)斜坡堤堤頂有胸墻時的越浪量復(fù)核計算，當(dāng)胸墻頂高程為6.5 m時，越浪量為Q=0.000 2 m3/m·s，小于越浪量限值0.05 m3/m·s，因此防浪墻頂高程按6.50 m滿足要求。

（2）地基處理方案選擇

根據(jù)本工程地質(zhì)報告資料及雙魚島填海工程竣工資料，本圍堰工程南側(cè)攔海圍堰基底除接近已建護岸區(qū)域已有爆破擠淤石塊外，其余段為深度約為10 m的淤泥土層，該土層為高壓縮性土，抗剪強度低，靈敏度高，工程地質(zhì)條件差，一般情況下，該地質(zhì)條件需要處理后堤身可維持穩(wěn)定，常規(guī)方法有塑料排水板法、拋石爆破擠淤法等。塑料排水插板法通過縮短排水途徑，加速地基土排水固結(jié)，提高地基強度；拋石爆破擠淤法是在淤泥質(zhì)軟基中埋放藥包群，起爆瞬間在淤泥中形成空腔，拋石體隨即坍塌充填空腔，達到置換淤泥的目的?？紤]到本工程圍堰為臨時工程，對沉降要求不高，只需要堤身足夠穩(wěn)定安全即可。若采用土石圍堰，雙排板樁圍堰結(jié)構(gòu)等，地基不采用打設(shè)塑料排水板處理，而直接加載，雖減少一道施工工序，但總工序還是較多，加載速率也較慢，施工進度還是不允許。若直接采用拋石爆破擠淤法，圍堰的沉降、穩(wěn)定與工期均不存在問題，且遠離陸地，具備施工條件。綜上情況，為保證船閘主體項目施工進度及克服技術(shù)上的難點，南側(cè)攔海圍堰地基處理采用拋石爆破擠淤法。

（3）止水方案選擇

采用拋石爆破擠淤法，給止水帶來新的困難。目前常用的止水方案包括鋼板樁、高壓旋噴樁、鉆孔（沖孔）灌注樁及水泥土攪拌樁等。為此,為確保止水可靠又經(jīng)濟，本工程止水方案選擇如下2種方式：

a.基坑北側(cè)攔河圍堰拋石基礎(chǔ)較淺，基礎(chǔ)范圍內(nèi)直接選用φ1 200沖孔灌注咬合樁止水；

b.基坑南側(cè)攔海圍堰因爆破擠淤塊石深厚，直接做止水難度較大，考慮可在拋石堤外近基坑側(cè)再做止水，即在回填土中做止水，采用高壓旋噴樁方法。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計

圍堰堤身結(jié)構(gòu)型式的選擇應(yīng)按照因地制宜、就地取材、既安全又經(jīng)濟的原則，根據(jù)圍堤所處地理位置、地形地質(zhì)條件、筑堤材料、潮汐、水流、風(fēng)浪特性、施工條件及工程造價等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，綜合選定。結(jié)合本工程的實際情況，圍堰結(jié)構(gòu)型式的選擇應(yīng)滿足如下要求：

應(yīng)當(dāng)具有足夠的整體穩(wěn)定性和防滲性，抗海水沖刷能力較強；

造價合理，方便施工，便于拆除；

南側(cè)攔海圍堰與船閘兩側(cè)已建外護岸的止水連接必須安全可靠，防止因集中滲漏造成安全事故[8]。

a.南側(cè)攔海圍堰結(jié)構(gòu)

結(jié)合臨時圍堰工程特性以及地質(zhì)條件，南側(cè)圍堰考慮采用兩個結(jié)構(gòu)方案進行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，結(jié)構(gòu)方案描述如下：

方案一：采用拋石爆破擠淤堤加止水結(jié)構(gòu)的建設(shè)方案。堤平面軸線布置見圖5，爆破擠淤成堤，堤頂標高4.50 m，設(shè)C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土防浪墻，墻頂標高6.50 m，海側(cè)邊坡坡比1∶1.5，護面采用200～300 kg拋理塊石，坡腳設(shè)8 m寬護底塊石；背水側(cè)布置拋石棱體及土方回填，內(nèi)邊坡坡比1∶2。為減少筑堰斷面寬度、土石方量和確保邊坡整體穩(wěn)定，背水側(cè)堤基采用水泥土攪拌樁加固。為了節(jié)省投資，方便施工，在堤軸線靠內(nèi)回填土上布置防滲墻，防滲墻結(jié)構(gòu)采用φ800@600高壓旋噴樁防滲止水墻。

圖5 南側(cè)攔海圍堰斷面圖（方案一）（單位：mm）

方案二：采用斜坡堤加止水結(jié)構(gòu)的建設(shè)方案（見圖6）。堰頂標高4.0 m，堰頂寬6.10 m，堰頂設(shè)C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土防浪墻，墻頂標高6.50 m，0.80 m標高堤身兩側(cè)設(shè)拋石棱體，堤心回填山皮土。海側(cè)邊坡坡比1∶2.5，設(shè)10m寬平臺及25 m寬鎮(zhèn)壓層，護面采用200～300 kg拋理塊石，堤腳設(shè)5 m寬護底塊石；背水側(cè)邊坡坡比1∶3，設(shè)10 m寬平臺，相應(yīng)布置排水設(shè)施。同理，為減少筑堰斷面寬度、土石方量和確保邊坡的整體穩(wěn)定，背水側(cè)堤基采用水泥土攪拌樁加固。堤兩端與雙魚島填海工程已建護岸相接，防滲墻布置于堤中心，防滲墻結(jié)構(gòu)采用φ800@600高壓旋噴樁防滲止水墻。

圖6 南側(cè)攔海圍堰斷面圖（方案二）（單位：mm）

兩個方案優(yōu)缺點分析見表2，經(jīng)上述綜合比選，兩個結(jié)構(gòu)方案在技術(shù)上均合理可行，能滿足工程使用。但考慮到施工方便、速度快，且爆破擠淤技術(shù)在該工程區(qū)域應(yīng)用技術(shù)成熟，對環(huán)境影響小，本次南側(cè)海堤設(shè)計推薦方案一。

表2 南側(cè)圍堰結(jié)構(gòu)方案優(yōu)缺點比較表

b.基坑北側(cè)攔河圍堰結(jié)構(gòu)由于雙魚島內(nèi)河兩岸為已建爆破擠淤護岸，河道下淤泥幾乎都被爆填置換，水深相對較淺，圍堰結(jié)構(gòu)采用斜坡堤斷面形式，堤身外側(cè)壩腳設(shè)拋石棱體，堤心采用回填袋裝土，堰頂標高4.00 m，在堤中心軸線布置防滲墻，由于堤基為塊石，防滲墻采用φ1 200沖孔灌注咬合樁，見圖7。

圖7 北側(cè)攔河圍堰斷面圖（單位：mm）

c.防滲止水墻設(shè)計：根據(jù)平面布置，止水封閉圈由南北圍堰止水墻、已建護岸止水墻及已建護岸后沿止水墻組成。其中，南北圍堰自身已經(jīng)設(shè)有止水，因此，在穿越護岸石塊中采用φ1 200沖孔灌注咬合樁，其余回填土中采用φ800@600高壓旋噴樁。

（5）圍堰整體穩(wěn)定分析

對南側(cè)攔海圍堰選定的方案一，進行整體穩(wěn)定驗算，按平面問題考慮，采用圓弧滑動面計算。根據(jù)規(guī)范[9]，采用瑞典條分法計算，臨時圍堰整體穩(wěn)定抗力分項系數(shù)允許值根據(jù)經(jīng)驗取值，本工程γR達到1.1以上即可。

圍堰穩(wěn)定計算采用直剪快剪指標，計算圖示見圖8、圖9。

圖8 圍堰海側(cè)整體穩(wěn)定計算結(jié)果

圖9 圍堰基坑側(cè)整體穩(wěn)定計算結(jié)果

斷面計算結(jié)果見表3。

表3 斷面穩(wěn)定計算結(jié)果一覽表

由以上計算結(jié)果可知，圍堰整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

（6）圍堰的維護

本工程船閘地處沿海軟基，工程環(huán)境差，條件惡劣，需引起高度重視，并采取有效的技術(shù)措施，減少圍堰的損壞，確保施工安全。具體要求有：

a.圍堰施工完畢后基坑內(nèi)開始降水，應(yīng)該緩慢降低坑內(nèi)水位，防止由于水位驟降引起圍堰內(nèi)外側(cè)水位差過大，導(dǎo)致圍堰向坑內(nèi)滑動[10]；

b.船閘基坑開挖要及早回填，開挖期間需加強對圍堰（特別是南側(cè)攔海圍堰）的安全監(jiān)測，如遇外海側(cè)大風(fēng)浪有異常情況應(yīng)及時采取措施；

c.圍堰需設(shè)置位移沉降觀測點，對其進行觀測。若局部有滲流發(fā)生，在外海低潮期及時補壓土方；

d.南側(cè)攔海圍堰正面承受外海風(fēng)浪沖擊，如遇強臺風(fēng)襲擊，應(yīng)對是否采取基坑內(nèi)預(yù)充水的度汛方案進行專門研究，盡量減少圍堰損失。

4 結(jié)語

（1）由本文可知，圍堰的設(shè)計，不僅僅涉及水文、巖土、結(jié)構(gòu)等多學(xué)科的專業(yè)知識，而且涉及成本控制等經(jīng)濟專業(yè)知識，是一項綜合性很強的工程。同時，其占投資比重往往非常大，各方應(yīng)予以重視和關(guān)注；

（2）本文從工程、安全、可靠、經(jīng)濟等方面綜合考慮，最終推薦采用了非傳統(tǒng)的拋石擠淤堤+堤后防滲墻的新型圍堰結(jié)構(gòu)，極大的豐富了圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計類型；

（3）對于在復(fù)雜的止水條件下，運用高壓旋噴樁、沖孔灌注咬合樁等組合方式止水，能夠經(jīng)濟、可靠、有效解決設(shè)計中止水技術(shù)難題，為今后類似工程提供借鑒。