某工程袋装砂堤闭气结构的优化

某工程袋装砂堤闭气结构的优化

彭维雄，项雨略

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司 ，上海 200120）

摘 要：围堤结构的安全稳定问题是工程首要问题，围堤一旦失稳，都会产生经济损失，甚至是重大安全事故，严重影响工程实施进度，而做好防渗闭气结构是保证围堤安全稳定的关键措施之一。水利围垦工程中常用闭气土作为防渗闭气结构，但是闭气土常用海堤附近的淤泥，回填工程量大、施工效率低。袋装砂结构已在大量水运工程的设计和施工中证明可以满足防渗闭气的要求，同时具有施工效率高、闭气效果好的特点。结合工程实例，提出了闭气结构的优化方案，对原设计方案的闭气结构设计、施工做出反思。 关键词：袋装砂堤；闭气结构；防渗

中图分类号：U656.2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）02-0124-03

近年来，为加快区域经济发展，浙江地区的围海造地工程建设如火如荼。围堤结构的安全稳定问题是工程首要问题，围堤一旦失稳，都会产生经济损失，甚至是重大安全事故，严重影响工程实施进度，而做好防渗闭气结构是保证围堤安全稳定的关键措施之一。

一、水利围堤常见的防渗闭气结构

水利围垦工程中，围堤常用土石坝结构，外海侧抛填石方挡潮，内坡侧填筑闭气土方防渗。闭气土是常用的防渗结构，如图1~2所示。

2．闭气土的特点及淤泥处理技术

闭气土取自海堤附近的海涂泥，具有含水率高、强度低，土性极差等特点。土方填筑时，内侧土坡较平缓，工程量很大，且施工困难，严重影响围垦工程施工进度[4]。

国内外淤泥处理技术一般分为前处理和后处理。前处理采用脱水技术，将淤泥先脱水，再回填。后处理采用加固技术，将淤泥先回填，再加固[4]。

3．闭气土的施工方法

闭气土方施工一般以平均潮位分为水下、水上两种工艺。 闭气土方常规施工方法有活塞式淤泥泵法、工程车陆上运输法。泵送法的优势是输送距离长，但过程中破坏了原状土，土方含水率高，不易固结，施工时间长，土方固结时间长。车运法对原状土扰动小，土方含水率低，但施工增加了

图1 慈溪海王山海塘横断面图[1]

二次倒运费，海堤附近要有临时码头，且与围堤抛石施工存在交叉干扰，施工成本高等[2]。

水下工艺中效率较高的有抓斗式挖泥船+开底泥驳的组合，水上工艺中效率较高的有桁架式筑堤机+链板式淤泥输送机的组合，不受候潮影响，可连续施工作业[3]。

4．闭气土的主要施工技术要求

水下闭气土方分层抛填，每层厚度控制在0.5~1.0m，

图2 岱山北峰海塘横断面图

二、闭气土结构 1．闭气土定义

定义1：在围垦工程的主堤与子堤间设置一条梯形土坝，防止主堤渗水，形成闭气效果，确保主堤稳定。常用滩涂淤泥、壤土（黏粒含量不小于15%）。

[2]

[1]

抛填间隔控制在2个月；水上闭气土方每层厚度控制在0.3~0.5m，抛填间隔不少于1.5个月。抛填施工必须紧密结合土方固结度和原位观测资料[3]。

5．闭气土的施工难点

现有的闭气土施工常用先填筑，后加固的后处理技术。查询国内相关项目及论文后可知，闭气土施工有工程量大、土石方配合技术要求高、总体工期长的特点，如何加快闭气土的固结是闭气土的施工难点。

三、工程实例分析

浙江某地围涂造地，规划围区作为商务区开发，沿线海堤不仅满足围海造地功能要求，还应兼顾城市观光道路

定义2：围垦工程中，一般在围堤外海侧抛填块石挡潮，内坡侧填筑闭气土防渗。闭气土取自海堤附近自然淤积且海草、植物根茎、杂物较少的海涂泥。海涂泥含水率一般在50%~72%且无块石、石渣混杂。

[3]

收稿日期：2016-12-11

作者简介：彭维雄，中交上海航道勘察设计研究院有限公司助理工程师，从事水运工程设计工作。

第2期 彭维雄等：某工程袋装砂堤闭气结构的优化 125 和景观绿化需要。 图3 围堤典型断面图 1．工程等级及设计标准

围堤结构安全等级为2级。围堤防潮（洪）标准为50年一遇，设计标准按照50年一遇高潮位遭遇50年一遇风浪，并按100年一遇高潮位遭遇100年一遇风浪复核。

2．水位

多年平均最高潮位 2.65m 多年平均最低潮位 -2.12m 多年平均高潮位 1.57m 多年平均低潮位

-0.86m 平均潮位 0.22m 设计高潮位（2%）

3.37m

3．堤身主要材料渗透系数

材料名称 渗透系数（m/s）

袋装砂 2E-5 抛石 1E-2 回填砂

1E-4

4．渗透稳定计算公式

闭气土体流土验算按下式计算：S＝1.2γw・h/γs≤最小厚度d。

5．原设计结构

（1）原设计闭气土结构

在原设计结构中，围堤典型断面的堤身内侧抛石子堤以上反滤层，反滤层以上为闭气土方。背水坡设一级平台，平台顶高程1.0m，净宽8m，连接堤顶与一级平台的斜坡坡比为1：6，其下为闭气土方。土石分界面：自内往外依次为500g/m2复合土工布、30cm厚碎石垫层，如图3~4所示。

图4 原设计闭气结构（闭气土方）

（2）原设计中闭气土施工技术要求

闭气土方施工的基本原则：先深后浅，先点后线，分层、分段、分区薄层轮加，均衡上升，严格按照设计确定的加荷程序和加荷曲线层次施工。

闭气土方为外运土方，采用渗透系数不大于1×10-5cm/s，Ip≥10的粘性土，土中不得含树根、腐植土等杂质。表层浮泥，不得采用。

土方抛填的主要控制点：

1）内侧抛石棱体应先于闭气土方施工，以利闭气土填筑。石方施工后，土方应及时跟上，以利堤防内坡稳定。

2）土方抛填高程应稍低于石方（约0.5~1.0m），避免

因超高而冲损。

3）土方抛填应薄层轮加，必需确保每一层加土至下一层加土之间有足够的固结时间，禁止在同一地点连续不断地往上加载。

（3）原计闭气土结构特点

原设计中闭气土方量达到了66.37万m3，工程量较大。根据技术要求，“土方抛填应薄层轮加，必需确保每一层加土至下一层加土之间有足够的固结时间，禁止在同一地点连续不断地往上加载。”因此，围堤闭气结构施工效率不高，相应工期耗时较多。施工中采用既能快速形成度汛断面，且抵抗风浪冲刷效果好的闭气结构就尤为重要。

6．优化结构

在水利围垦中，围区内一般为农田，对保护淡水、防止海水倒灌等要求较高。而在水运工程中，围海造地的目的主要为港口码头设施、工商业发展提供用地，对海水倒灌的防渗要求相对较低。本工程围涂造地作为商业开发，不需要严格的海水、淡水分离，因此本次设计中的闭气土主要功能是防渗。由于海堤不仅满足围海造地功能要求，还要兼顾城市观光道路和景观绿化需要，因此，海堤主体采用袋装砂结构，施工加载快，整体稳定性高，堤身断面设计宽度约120~150m，袋装砂棱体基础高程1.2m。袋装砂棱体部分内侧无需闭气土闭气[5]，外侧最高水位3.37m（50年一遇设计高潮位），与袋装砂棱体基础有约2m的水头差，高程1.2m以上部分至最高水位之间的结构需要闭气。

以下针对袋装砂棱体基础高程1.2m以上的闭气结构进行优化。

优化方案1：防渗土工膜

堤身内侧抛石子堤的反滤层及背水坡以上铺设防渗土工膜，堤顶搭接2m。表层采用30cm袋装碎石覆盖压载，施工中应避免防渗土工膜的损坏和老化。该结构可满足反滤及防渗闭气要求。防渗土工膜闭气结构详见图5。

该方案施工简单，可趁低潮时人工铺设防渗土工膜及袋装碎石，施工效率较高。 图5 优化闭气结构（方案1，采用防渗土工膜）

（下转第127页）

第2期 常 静：头屯河灌区改造二工闸溢流堰设计 127 抗冲系数，主要与河床的地质条件有关；q—单宽流量，（m3/（s*m））；ht—下游水深，（m）；Z—上下游水位差，（m）。

表3 溢流堰冲刷深度计算

序号

工况

下游河床水深 冲刷系 ht（m） 1.4 2.23

下泄

3

堰体稳定及应力计算成果见表5。

表5 溢流堰稳定及应力计算成果 计算工况计算内容 计算抗滑稳定安全系数基础应力（t/m）

2

完建情况稳定 13.01 5.03

正常引水情况 4.6 8.68 6.78

设计洪水情况4.7 9.11 7.19

地震情况 4.28 9.07 6.38

单宽流量

3

上、下游水冲刷坑最位差Z（m）2.92 3.1

大深度dm（m）0.331.39

KPmaxPmin

数K 流量Q（m/s） q（m/（s*m））1.2 1.2

51.41 219

1.21 5.17

溢流堰

设计 校核

经计算，基础应力最大值小于地基允许应力500KPa，且没有出现拉应力，均满足规范要求。溢流堰堰体应开挖至强风化线下线，然后回填C15抛石混凝土至设计高程。

五、结论

文章拟定了溢流堰结构尺寸，溢流堰由上游铺盖、堰体段、下游护坦段及防冲槽段（混凝土软排段）等组成，布置在主河槽上，位于左右岸泄洪冲沙闸之间，与泄洪冲沙闸成一字型布置，堰长42.4m。并对该结构尺寸进行水力学及结构稳定验算，计算方法可靠，结构安全稳定，可为类似工程提供参考。

参考文献

[1] 秦根泉，蒋水华．表孔溢流堰体型优化设计及模型试验验

证[J]．人民长江，2016，08：94-98．

[2] 陈巧威．溢流堰的体型与行洪能力[J]．水利科技，2008，04：

46-48．

[3] Andrew J. Reese，Stephen T. Maynord.，林剑青．溢流堰的

设计[J]．江西水利科技，1991，03：256-266．

[4] 李艳．溢流堰的设计[J]．水利水电快报，1996，08：12-13．

经计算，溢流堰末端最大冲坑深度1.39m。考虑到溢流堰下游水流紊乱、不稳定及与泄洪冲沙闸连接等多种不确定因素，同时结合与本工程地质相类似的已有工程所设防冲墙深度，最后确定溢流堰堰后防冲墙深度取5.0m。永久缝设一道止水，采用橡皮止水，止水位置位于永久缝迎水面以下0.2m，填缝材料迎水面为聚氨酯砂浆6：4[3]、背水面高压闭孔板L-600。

4．稳定及应力计算

为使建筑物有足够的稳定性并控制基础应力，通过稳定及基础应力计算，设计出合理的结构。

堰体基础为粉砂岩。抗滑稳定计算及基底应力计算公式同泄洪冲沙闸，抗滑稳定安全系数允许值见下表4。

表4 抗滑稳定安全系数允许值表[4]

荷载组合 基本组合 特殊组合Ⅰ 特殊组合Ⅱ

抗剪强度安全系数

K1=3.0 K1=2.50 K1=2.30

（上接第125页）

防渗土工膜为压延型复合土工膜，二布一膜，单位面积质量为700g/m2，由150g/m2聚酯短纤无纺布+400g/m2聚乙烯薄膜+150g/m2聚酯短纤无纺布复合而成。

表1 防渗土工膜主要控制指标

序号 1 2 3 4

项 目

断裂强度（纵横向） CBR顶破强度 剥离强度（纵横向） 垂直渗透系数

单位 kN/m kN N/cm cm/s

指 标 ≥12.0 ≥2.2 ≥6.0 <10

-11

利围垦工程中常用闭气土作为防渗闭气结构。回填工程量大、施工效率低，对施工设备的要求较高。如何提高闭气土的回填效率、加快闭气土的固结是闭气土施工的两个难点。

（2）袋装砂结构在水运工程已经大量采用，实践证明可以作为防渗闭气的可靠结构。优化方案2的袋装砂防渗反压结构已在连云港地区相关工程中采用，技术可行，效果可靠。

（3）工程实例所在区域长期采用水利标准设计，同水运标准略有差异。本工程虽然采用水运标准设计，但在与建设单位及审查专家组的沟通中，仍采用当地常见、普遍被认可的闭气土结构。优化方案1的防渗土工膜仅在工程部分区域采用，实际施工中较为便利，防渗效果同闭气土，但防身土工膜控制指标及铺设要求较高，破损和老化后将失去防渗效果。

参考文献

[1] 《浙江省海塘工程技术规定（下册）》[S]．

[2] 郑敬云，夏平华．深水区闭气土方施工技术及其在围垦工

程中的应用[J]．水利建设与管理，2014，12：2-5． [3] 许克顺，苏颖．浅谈围垦项目中透水性抛石坝闭气土施工

技术[J]．水利建设与管理，2015，5：15-18．

[4] 胡明华，俞炯奇．海堤闭气土方加速固结应用技术研究[J]．

优化方案2：袋装砂反压

堤身内侧抛石子堤后方设置袋装砂棱体，顶宽2m，边坡1：2，表层采用60~100kg块石压载，厚度30cm。袋装砂防渗反压结构详见图6。

该方案施工方法同堤身袋装砂工艺，施工效率高。该种防渗结构已在连云港地区采用，防渗效果较好，成熟可靠。 图6 优化闭气结构（方案2，采用袋装砂） 四、结论

（1）防渗闭气是保证围堤安全稳定的关键措施之一，水

浙江水利科技，2008，3：19-21．　

[5] 徐东海．吹砂管袋在海涂水闸围堰施工中的运用[J]．中国

水运（下半月），2015，2：286-287．