漩门二期堵坝工程软土地基处理设计

摘要：漩门二期堵坝工程是漩门二期蓄淡围垦工程的关键项目，而软土地基处理的设计与施工是关键中的关键。二期堵坝地基持力层为含水量高、透水性差、压缩性高、强度低、固结慢的软土层，工程地质条件差。为控制变形及坝体稳定，必须对地基软土层进行加固处理。本文阐述了塑料板排水法加固软基技术在漩门二期蓄淡围垦工程中的应用。

关键词：软土地基 塑料排水板 土工布 垫层 排水 固结 GPS定位 前 言软土地基由于土颗粒细、孔隙比大、含水量大、透水性差，孔隙中的水不易排出，在这类地基上修建工程主要问题是地基强度低，加荷后变形大，建筑物极易失稳。如果对软基处理不当，不仅增加工程量，耗资过高，拖延工期，甚至可能会造成工程失败。为了解决这个问题，人们在长期的建设实践中，积累了许多的经验，研究出许多的先进技术，塑料排水板法加固软基就是其中之一。排水固结法的机理是通过加载，使土体中的孔隙水排出，有效应力增加，土中孔隙体积减小，密实度加大，土体强度提高，提高了地基承载力。在超软的饱和软土地基、复杂的地形和恶劣的水环境条件下，设计必须充分考虑施工的可行性，才能使设计获得成功。1 工程特点1.1 工程概况漩门二期蓄淡围垦工程位于浙江省乐清湾玉环县本岛北面的漩门港。蓄淡围垦区总面积5.6万亩，其中可供开发利用海涂资源3.2万亩，蓄淡水库水面面积2.4万亩，蓄淡水库总库容8312万m3。本工程主要由二期堵坝、二期海堤、一期堵坝闭气、一期海堤加固闭气、泄水闸和引水闸等六个单项工程组成。1.2 二期堵坝工程特点 二期堵坝工程位于玉环本岛分水山与鹰公山（海上小岛）之间，此处原为温州至玉环县楚门的航道，距玉环县城约15km。主要特点如下： 超软的饱和软土地基：坝区地层可划分为5个地质大层，7个工程地质小层，覆盖层最大厚度达54.3m。坝基持力层由淤泥Ⅰ层（Ⅰ2、Ⅰ3）、淤泥质粉质粘土Ⅰsi层及淤泥质粘土Ⅱ层组成，总厚度18.6～41.5m。坝基土基物理力学指标见表1-2-1。 庞大的堵坝体量：二期堵坝长1.08km，标准坝段坝高为15.5m，量大坝高达32.5m，最大底宽为353.2 m，其中：石坝最大底宽为190m，闭气土方最大底宽为163.2 m，标准坝段断面图见图1-2-1。复杂的地形条件：坝址处涂面高程一般在-7.2～-8.0m左右，两侧由于潮汐冲刷，各分布宽约100m的深槽，最低底高程分别为-25m和-18m。 恶劣的水环境条件：工程所在地处于浙东南沿海的乐清湾内，该湾为半封闭型港湾，二期堵坝口门朝南，轴线方向与潮波法线方向垂直相交，最大潮差为8.42m，平均潮差为5.15m。 二期堵坝处水深（平均潮位下）一般为：标准堵坝为10 m ，两侧深潭分别为28 m 和21m。
表1-2-1 二期堵坝坝基土物理力学指标土层编号土层名称土层厚度天然含水量天然容重干容重孔隙比压 缩系 数压 缩模 量固 结系 数直 剪承载力标准值快剪固快(m)W(%)r(kN/m3)rd(kN/m3)eαv(Mpa-1)Es(Mpa)Cv(×10-4/s)C(kPa)φ(°)C(kPa)φ(°)fk(kPa)I2淤 泥6.00～14.566.316.19.71.841.861.536.496.62.09.410.745I312.6～15.862.116.310.11.721.581.728.1513.03.513.310.255Isi淤泥质粉质粘土0.0～18.151.017.211.61.351.032.2814.075.13.38.712.550Ⅱ淤泥质粘土4.4～23.450.017.111.41.391.102.1710.1512.54.710.811.570Ⅲ粉质粘土1.9～5.631.618.914.30.870.474.01 9.120.7 Ⅳ粘土夹粉细砂1.4～14.735.218.914.00.970.346.6020.1 28.017.4
上述特点给地基处理设计与施工造成了巨大的困难，必须十分慬慎的设计，必须采用非常规的施工设备与方法，必须精心的设计、精心施工才能保证地基处理的成功。 2 地基处理方案与设计2.1 地基处理方案的确定 针对本工程特点，考虑了二种方案： 方案一：整个堵坝段采用单一的塑料排水板法。 方案二：涂面-7.2～-8.0m采用排水板法，深潭处采用水下爆破挤淤换基法。 爆破挤淤换基法的优点为：施工工序简单、有利于质量控制；施工速度快，工期短；建筑物工后沉降小，沉降时间短。但水下爆破挤淤换基法对地基要求较高，基础要有较好的持力层，且埋藏不宜过深。在现有规范中，爆破挤淤换基法处理软基筑堤的适用范围为软土层厚4～12m，这是“爆破挤淤换基法” 的局限。 本工程堵坝基础处理深度达30m左右，且两坝头深潭其软土层厚也有10m左右，浅层范围极小，加上采用两套施工手段，在1.08km范围内施工会有干扰，投资也不节约。故决定不用方案二，而用方案一。结合本工程的实际，并根据我省成功的经验，设计上考虑：为了防止坝身抛石和石坝基础排水垫层材料陷入淤泥中，本工程先在淤泥表面铺设了一层400g/m2无纺（加筋）土工布，以起到隔离、传力均匀和加筋作用。同时，通过稳定计算确定在坝体外坡（外海侧）设置镇压层以减少坝体的重量。故最终选定塑料排水板 ＋ 土工布 ＋镇压层的复合加固法。2.2 方案设计按照《土工合成材料应用技术规范》（GB 50290-98）进行设计。按照排水板插设深度一般应达处理软土层的层底，若软土层较厚（如超过建筑物底宽的2倍时），排水通道的打设深度为1/2建筑物底宽，但排水板必须穿过土体稳定计算的弧形滑动面至少2m的原则，根据二期堵坝内外稳定计算成果：在石坝坝身坝基132m范围内，插板间距1.2m，插板底高程为-34m；在石坝镇压层坝基44.4m范围内，插板间距1.2m，插板底高程为-28m。石坝坝基设有1.2m碎石垫层，碎石垫层与涂面间设有400g/m2无纺（加筋）土工布一层。3 技术要求3.1 土工布涂面400g/m2无纺（加筋）土工布的铺设采用装有全球GPS定位系统的土工布铺设船进行施工，土工布先在陆上拼幅(拼接加宽), 拼接宽度根据土工布铺设设备能力确定，土工布拼幅完成后进行水下铺设土工布, 铺设时设计要求土工布的纵向(长度向)沿横断面方向(垂直坝轴线方向)铺设,且全长铺设。因在水深达10~28m 的水下铺设无纺布，同时受到潮流的影响，难度极大，为保证质量，设计要求铺设时无纺布搭接(叠铺)宽度：桩号坝（二）0+250～0+850为80cm，两侧深潭桩号坝（二）0+090～0+250、坝（二）0+850～0+970为100cm。为了确保基础无纺布的搭接宽度达到设计要求，施工中采用全球GPS定位系统确定搭接位置并派潜水员下水摸测，如不合格，在搭接处再补铺一块与两边搭接。3.2 排水垫层在以往的设计中，作为水平排水的排水垫层一般为含泥量少的中粗砂。在一些砂源缺乏的地方也有用粒径小于10cm的碎石碴作为排水垫层。在本工程的排水垫层设计中，考虑到本工程所在地，砂源比较缺乏，同时二期堵坝处于涨落潮区，水深也较深，容易造成砂垫层的冲损，故采用碎石垫层。后由于碎石供应无法满足石坝基础排水垫层铺设进度要求，为了保证二期堵坝施工进度，经过专家的论证，同意石坝基础碎石垫层利用部分河床砂砾石进行补充。砂砾石要求采用相对连续天然级配料，0.2cm≤粒径≤8cm，粒径5~8cm小于20％，粒径<0.2cm小于5％，含泥量<砂量的5％。从本工程的施工和排水效果来看，河床砂砾石不失为经济、实用、方便的排水垫层料。排水垫层的厚度随铺设方法而定。当采用船抛的方法铺设时，垫层的厚度一般为100cm以上。本工程根据工程所在区域的地形、水文等特点，石坝基础排水垫层的厚度采用120cm。水平排水垫层排水效果的好坏取决于垫层施工时的厚度控制，在本工程的基础水平垫层施工中，采用开底驳船由GPS定位后以一定的船速、船向及开底宽度等控制抛设厚度，设计要求最小厚度不得小于100cm，同时要求厚度在120cm以上的垫层范围为80%以上，顶面要求基本平整，不得漏抛或少抛。为了确保在深水下抛设的水平排水垫层的厚度，施工控制中采用水下声呐测深仪，配合GPS[page]测绘软件测绘抛设区域的抛设前后的地形图，自动计算其各点的厚度，厚度不足区域采用全球GPS定位系统确定其位置并补抛到设计厚度。3.3 塑料排水板国内通常使用的是SPB-1A、SPB-1B、SPB-1C型三种塑料排水板，其断面为100mm×（4～6）mm。根据本工程加固土层的厚度及工程的性质，选用SPB-1C型塑料排水板。3.3.1 设计技术指标及要求（1）考虑到插板区处于乐清湾，风大、浪高且插设的每根塑料排水板很长（一般长20～26m），为了确保垂直排水通道的畅通，设计采用的塑料排水板：芯带原材料为聚乙稀或丙纶，滤膜为高强度的进口杜邦长丝无纺土工布，采用SPB-1C型板，宽100±2mm，厚5+0.5m。其具体技术指标为：纵向通水量≥80cm3/s；复合体抗拉强度≥.15kN/10cm；滤膜单位克重≥120g/m2；滤膜干态抗拉强度≥4kN/m ；滤膜湿态抗拉强度≥5kN/m；等效孔径 O95≤0.12。（2）排水板按正方形布置、宽度方向垂直于坝轴线方向插设, 在碎石垫层以上外露长度≥0.3m。（3）插板时回带长度不得超过50cm, 当发现排水板的回带量超过50cm，应就近重新补插，且回带根数不宜超过插设总根数的5%，排水板底必须插设至设计高程, 平面位置偏差不大于+10cm, 垂直度偏差应不大于+1.5%, 插入地基的排水板宜为整带, 如需采用接长板, 则接板数量不应超过10%, 搭接长度不小于20cm。3.3.2 施工程序塑料排水板海上施工程序如图3-3-2-1所示。3.3.3 现场施工质量控制在水下10~28m插设深达20~26m的塑料排水板，同时受到涨落潮流的影响，技术难度很大，为此，施工单位专门设计了适用于本工程施工的深水插板船，船上装有全球GPS定位系统。（1）平面位置控制。海上施工时常受风浪、潮汐影响，插板船定位时采用方位角前方交会法定位。（2）垂直度控制。用经纬仪测其倾斜度，塑料排水板施工时垂直度按套管垂直度控制。（3）防止回带、刮膜、拖带现象。3.4 荷载分级软基土质较软，地基承载力较低，为了避免地基因发生塑性变形而失稳，需要控制加载速度。设计中规定了本工程的加荷速率控制的有关原则：（1）按加荷曲线加荷，严格遵守“薄层轮加”的原则。（2）从涂面起，第一层填筑加荷压载高度应小于天然地基土抗剪强度能抵御的临界高度。（3）设计提供的加荷曲线根据一般正常施工时的情况拟定, 当施工中遇到一些不能排除的意外情况或受到自然因素的约束时，如口门段的加荷施工直接受到每年的台风大潮汛期以及汛后突击合拢口门的控制，加荷曲线可根据开工日期、渡汛年份和口门合拢时间, 作适当调整。（4）加强观测和控制，设计要求施工单位在施工过程中密切注意和认真分析坝体动态情形，发现异常现象，暂停加荷，并采取必要的措施处理。7 结　论二期堵坝从1999年2月6日开工，于2001年3月28日合拢，一次堵口成功，没有出现地基失稳，到2003年4月为止，已基本完成石方和闭气土方的抛填，也未发生地基失稳现象，达到了预期目的，说明本设计是成功的。塑料板排水法加固软基技术虽然是一种较成熟的方法，但在应用本方法时应针对具体工程特点，在设计上应有特殊考虑，并且必须有针对性的、先进的施工工艺予以保证，才能获得成功。