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上海市金山城市沙滩水库堤坝防渗设计
收录时间:2022-11-25 21:36:54  浏览:0
7 0 0第十三届中国海洋 岸 工程学术讨论会论文集 上海市金山城市沙滩水库堤坝防渗设计 阮龙飞 长江勘测规划设计研究院上海分院 上海2 0 0 4 4 1 摘要 上海金山城市沙滩水库堤坝工程是利用围堤围海圈水 将杭州湾浑浊的海水蓄入水库中 沉沙变清 开发城市沙滩 运动沙滩景观岸线 展开沙滩排球 海水游泳 潜水 赛艇 水球等丰富多彩的水上运动 以充分发挥其综合效益 本工程 堤坝是在杭卅I 湾一3 0 一5 0 m 的边滩上建设 为达到水库水天一色的自然海滩效果 堤坝的堤顶高程5 4 0 m 水库最高蓄水位 与堤坝顶高程齐平 由于水库运行水位比较特殊 而且水库堤坝工程结构采用聚丙烯编织布袋吹填坝型 利用长江口及杭州 湾内的粉砂土充填聚丙烯编织布袋作为内 外大小棱体 内 外棱体之间直接吹填粉砂土形成 因此 水库堤坝防渗设计犹 为重要 本文对水库堤坝防渗设计中的几个关键技术问题方面进行论述 关键词 海岸线 城市沙滩 水库 蓄水位 金山城市沙滩水库堤坝工程由西侧堤坝 外侧堤坝和东侧堤坝组成 水库堤坝总长3 5 2 9 3 8m 其中 西侧堤坝5 0 0 0m 外侧堤坝2 3 6 9 5 5m 东侧堤坝6 5 9 8 3 m 堤坝结构采用聚丙烯编织布袋吹填坝型 利 用长江口及杭州湾内的粉砂土充填聚丙烯编织布袋作为内 外大小棱体 内 外棱体之间直接吹填粉砂土 形成 另外 为确保水库水质 进行换水需要 在堤坝上建有取水泵站和排水涵闸各一座 工程于2 0 0 5 年1 0 月初动工 2 0 0 6 年3 月9 日堤坝顺利合拢 同年4 月底形成防台渡汛断面 2 0 0 6 年8 月初开始蓄水 目前水库蓄水位5 0 0m 工程运行至今 运行情况正常 1 建筑物设计标准 本工程围海圈水不仅是金山海岸线综合开发的一部分 而且是防汛海塘工程的组成部分 它是依托海 塘堤身 塘前滩地修建的堤坝 防止水流 风浪潮汐直接侵袭 冲刷堤岸危及海塘安全 是一种保护主海 塘的工程措施 是防洪工程体系的组成部分 根据本工程与海塘主堤在防汛体系中所起的作用及功能不一 样 海塘主堤为防洪工程中的主要建筑物 而本工程围海圈水堤坝为防洪工程中的次要建筑物 次要建筑 物堤坝工程按3 级建筑物设计 本工程所处的杭州湾北沿 受台风直接影响 风浪较大 波浪作用强烈 是堤坝工程结构破坏的主要 动力 考虑到堤坝工程在风浪作用下的破坏特性 宜采用与海塘达标工程相同的设计风速 根据海塘达标 工程的设计标准 堤坝工程的设计风速取1 1 级中值风速 3 0 6 m s 本工程位于***烈度6 度区 ***荷载按6 度设计 2 基本资料和设计数据 2 1 地形 地质 金山城市沙滩水库堤坝工程边滩地形高程为2 0 一5 0m 吴淞基面 下同 坡度1 2 宽度约5 5 0m 呈微淤状态 工程区共划分成6 个工程地质层 其中 层分为2 个亚层 层分为3 个亚层 层分为2 个亚层 地基土特性自上而下描述如下 1 人工填土 为海塘填筑土 厚薄8 5 0 m 以黏性土为主 2 冲填土 广泛分布于场地区滩面表层 厚薄不均 厚度0 3 1 9 m 为近期淤积粉砂 饱和 多呈 松散状 底部稍密状 粉质黏土层 分布于场地区浅表部 层位较稳定 层厚3 o 9 1 m 灰色 饱和 多呈软塑状 土 质不甚均匀 淤泥质黏土层 层位稳定 厚度为2 0 5 8 m 灰色 饱和 流 软塑状 淤泥质粉质黏土层 厚1 5 7 2 m 灰色 饱和 流塑状 2 砂质粉土层 层厚1 1 5 1 m 灰色 饱和 多呈稍密状 砂质不均匀 3 淤泥质粉质黏土层 厚1 5 8 6 m 灰色 饱和 软塑状 夹粉砂性土 黏土层 厚1 2 3 5 m 暗绿色 可塑状 1 l 砂质粉土层 层厚1 2 5 5 m 灰*** 饱和 密实 粉砂层 勘探孔未完全揭露该层 灰*** 饱和 密实 第十三届中国海洋 岸 工程学术讨论会论文集7 0 1 2 2 气象 本工程位于北***带南缘 是东亚季风盛行地区 四季分明 受海洋气候影响较为明显 由于冷暖空 气交替影响 天气变化复杂 灾害性天气频繁 I 气温 根据金山嘴站的气象资料 杭州湾北岸年平均气温1 5 7 C 月平均最高气温出现在7 8 月 份 为2 7 5 月平均最低气温出现在1 月份 为3 9 极端最高气温3 9 6 2 0 0 3 年8 月 极端最 低气温一1 0 8 1 9 7 7 年1 月3 1 日 2 风 由于工程位于来热带季风气候区 符合***带季风气候区特点 风向季节性变换明显 夏季 6 7 8 三个月 以东和东南风为主 冬季 1 2 1 2 三个月 以西北风为主 春秋季是冬夏季风的过 渡季节 瞬时风速不小于1 7 m s 或风力不小于8 级的日数年平均为2 0 天 影响金山沿海地区的台风 多 出现在7 8 月份 占总次数的8 6 7 过境最早的为7 9 0 3 号台风 发生在1 9 7 9 年4 月1 2 1 3 日 最近 为6 5 2 3 号台风 发生在1 9 6 5 年1 1 月2 4 2 5 日 过境风速最大的为1 9 8 4 年的8 4 1 6 号台风 2 7 6 m s 1 0 级风 据金山嘴海洋水文站1 9 5 4 1 9 8 5 年3 2 年的资料统计 过境风力达到8 级以上的有2 3 a 共发生 4 5 次 1 9 4 9 1 9 9 2 年中严重影响本地区的台风有1 1 次 每次台风过境影响时间l 3 d 3 降雨 据金山嘴水文站1 9 8 1 年至1 9 9 0 年观测资料统计 本区年降雨日数1 3 0 天左右 平均年降雨 量为1 0 8 5 8 m m 其中5 至9 月降雨6 5 2 6 m m 占年降雨量的6 0 实测1 日最大降雨量1 5 9 4 m m 发生 在1 9 8 6 年9 月6 日 2 3 水文 1 潮汐 杭州湾的潮汐属于非正规的浅海半日潮 潮汐日不等现象比较明显 2 潮流 杭州湾北岸潮流属往复流性质 潮下带涨落潮流向与等深线走向大致平行 潮滩流速及流 向受滩地地形 高程和海岸轮廓线影响沿程发生变化 涨落潮最大流速均出现在中潮位附近 涨潮流速一 般大于落潮流速 流速自湾口向内递增 2 4 泥沙 杭州湾不仅是强潮和强混合型海湾 而且高含沙量也是其重要特征 杭州湾冬半年月平均含沙量高于 夏半年 冬季月均1 0 2k g m 3 夏季最低 月均为O 4 8k g m 3 春 秋季月均分别为0 7 2 0 5 2k g m 3 2 5 波浪 杭州湾内波浪主要以风浪为主 约占全年波浪频率的8 5 涌浪次之约占1 5 水域波高年内季节性 变化较大 一般夏季波高较大 冬季波高较小 金山石化水文站实测夏半年 5 9 月 平均波高0 5 O 6 m 最***高3 9 0 m 波向S E S S E 冬半年 1 0 至翌年4 月 平均波高0 3 0 4 m 最***高3 0 m 波向 N W N 3 堤坝结构型式 堤坝结构型式的选择应按照因地制宜 就地取材的原则 根据堤坝所处的地理位置 保护的对象 坝 址地形地质条件 筑堤材料 潮汐 水流 风浪特性 施工条件 运用和管理要求 环境景观及工程造价 等因素 经技术经济比较 综合选定 7 0 2第十三届中国海洋 岸 工程学术讨论会论文集 本工程堤坝长3 5 2 9 m 沿线滩面高程不一 滩面最高高程2 0 m 一5 O m 最大高差约为7 O m 堤坝地 基从上到下5 0 O m 勘探深度范围内可分为6 个工程地质层 其中 层分为2 个亚层 层分为3 个亚层 层分为2 个亚层 总体上场区内地层分布较为稳定 从工程区天然建筑材料分布情况看 离本工程1 6k m 的杭州湾区域浙江乍浦和6 0k m 的长江口区域有沙源地 储量丰富 质量满足设计和施工要求 均可用于 聚丙烯编织布袋充填土 常用的坝型有土坝 土石坝 抛石坝 混凝土或钢筋混凝土坝等 在所有的坝型中 土坝和土石坝对 地基的要求最低 抛石坝次之 由于本工程堤坝建成后 水库内正常运行水位在4 5 m 5 O m 之间 水库最 高蓄水位5 4 0 m 抛石坝坝身透水 防渗处理工程投资高 因此 根据工程的地形地质条件 筑堤材料等 情况 堤坝的堤身结构采用当地材料 结合施工工艺 最终选用聚丙烯编织布袋充填土内 外棱体之间吹 填土均质坝断面结构型式 堤坝为3 级建筑物 根据水库功能要求 拟定堤坝堤顶高程为5 4 m 基础滩面高程外侧堤坝一般为 一3 O m 最低为一5 O m 东侧堤坝为2 O 4 O m 西侧堤坝为0 0 3 O m 堤坝堤身高度为3 1 0 5 m 堤顶 宽度为7 O m 堤坝坡度系根据稳定计算 结合施工要求拟定 内 外坡坡比均为1 3 外坡在1 O m 高程处设置平 台 宽度为3 O r e 平台的作用主要是为外坡坡面护坡设置镇脚 堤坝堤前设抛石护底及防冲刷混凝土联锁 块软体排护滩 宽度均为2 0 m 内坡在一1 O r e 高程和3 O m 高程处分别设置平台 宽度分别为3 O m 堤坝的护坡结构系按风浪 潮流等诸因素要求拟定 堤坝堤项埋石混凝土面层厚0 7 m 外坡消浪采用 扭王字人工块体 护坡采用0 4 m 厚的灌砌块石 下设0 2 m 厚袋装碎石和土工反滤布一层 堤前设宽度为 2 0 m 的抛石护底 下设0 4 m 厚袋装碎石和沙肋软体排 内坡护坡采用0 4 m 厚的灌砌块石 下设0 2 m 厚 碎石滤层和土工反滤布一层 为满足水库堤坝渗透稳定 堤身设高压喷射防渗板墙 金山城市沙滩水库外侧堤坝断面图见图1 i 日 目 H 4 a 1 1 z 日4 l i d 目 H t t 3l 十t i i 力l O f f 2 0 0 k gt n t j 日 t 1 日 精A 图1 金山城市沙滩水库外侧堤坝断面图 4 堤坝结构防渗设计 金山城市沙滩水库堤坝系采用粉砂土吹填的均质坝 堤坝堤身的渗透系数相对较大 一般在2 x 1 0 4c m s 左右 水库建成运行后 堤坝的渗流稳定和渗漏水量情况如何也成为设计中一个主要问题 为此 根据拟 定的堤坝断面 进行了渗流稳定计算分析 4 1 计算工况 堤坝渗流稳定计算主要分析了3 种计算控制工况 见表2 表2 堤坝计算控制工况 4 2 渗透稳定计算方法 渗流计算方法采用平面渗流的有限元分析 渗流有限元的基本计算公式如下 a 渗流有限元分析基本方程 第十三届中国海洋 岸 工程学术讨论会论文集7 0 3 k 牌 瞰 掣 Q LO tJ 式中 K l 为透水系数矩阵 H 为总水头向量 g l 为单元储水量矩阵 Q 为流量向量 t 为时间 b 透水系数矩阵E K K 1 1K 1 2 K l l K 1K 2 2 则牛闭7 1 rK 陋 I 篡期 其中 口为最大透水系数的方向角 用于各向异性的材料中 模型水位边界包括 外海潮位 堤坝考虑三种条件 分别为***位5 4 0 m 多年平均***位3 9 2 m 和多年平均低潮水位一0 2 4 m 库内水位 水库库内水位考虑三种条件 分别为最高蓄水位5 4 0 m 水库 检修水位一3 0 m 和水位1 0 m 4 3 计算参数 堤坝地基土层的渗透系数计算参数见表3 表3渗流稳定计算参数表 4 4 计算成果 堤坝渗流分析计算成果表 见表4 表4 堤坝渗流分析计算成果表 从表4 可知 堤坝沿坡面渗出段渗流出逸坡降均大于粉砂允许出渗比降0 3 0 的要求 渗流不满足要 求 沿下游基础面渗流出逸坡降均小于粉砂允许出渗比降0 4 0 的要求 因此 堤坝堤身断面需设置防渗墙 堤坝渗流分析计算的部分流网图 见图2 至图4 7 0 4 第十三届中国海洋 岸 工程学术讨论会论文集 浸润线i 堤坝断面线 等势线 渗流线 一土层分界线 图2堤坝渗流分析流网图 工况一 浸润线一堤坝断面线 等势线 t t i f 强 一土层分界线 图3 堤坝渗流分析流网图 工况二 i 5 t t l i l t l 堤坝断面线 等势线 渗流线 一土层分界线 图4 堤坝渗流分析流网图 工况三 4 5 堤坝堤身防渗墙设计 根据渗流计算分析 堤坝堤身断面需设置防渗墙 本工程堤坝断面结构采用聚丙烯编织布袋的充填施工 成堤 又承受双向水头 因此 采用垂直防渗比较好 垂直防渗常见的方法垂直铺塑 射水造墙 抓斗薄 壁防渗墙 振动沉模防渗板墙 高压喷射灌浆和深层搅拌桩法 各方法的比较见表5 根据本工程堤坝断 面结构特点 在聚丙烯编织布袋的充填断面结构上采用垂直铺塑 射水造墙 抓斗薄壁防渗墙 振动沉模 防渗板墙和深层搅拌桩法等防渗处理的方法 均不合适 只有高压喷射灌浆由于其适用范围广 设备简单 施工简便 工效高 有较好的耐久性 料源广 且对堤坝结构及附近建筑物没有不利的影响等优点 因此 堤坝堤身防渗采用高压喷射防渗板墙 高压喷射墙体有效厚度0 2 0 m 渗透系数K l x l 0 c m s 深度根据 原河***滩面高程 以保证防渗板墙的防渗效果 插入黏土泥面下2 0m 4 0 m 即滩面高程为0 0 0 m 防 渗墙底高程至 4 0 0 m 滩面高程为 2 0 0 m 防渗墙底高程至一5 0 0 m 滩面高程为一4 0 0 m 防渗墙底高程至 一6 0 0 m 高压喷射钻 j L T L 距1 5 0 m 墙体顶部至4 8 0 m 高程 与堤顶路面相接 高压喷射灌浆防渗技术应用于堤坝涵闸的防渗加固工程始于1 9 8 3 年 该项技术1 9 8 5 年通过水电部鉴 定 应用的工程已有几百多项 工艺亦趋向成熟 高压喷射是针对一般静压灌浆在应用中存在问题的情况下发展起来的 其防渗体的形成机理与静压灌 浆不同 静压灌浆系统借助于灌浆压力使浆液沿地层孔隙或裂隙进入防渗部位 因此 当被灌地层的孔隙 或裂隙较小或不连续时 就产生可灌性问题 则浆液扩散于防渗部位以外 造成流失 又产生可控性问题 而高压喷射灌浆系利用高压喷浆射流在气流的作用下 冲击和破坏土体 使一部分土体 升扬置换到地面 其余土体与浆液掺搅 在形成置换过程中 对侧壁产生挤压 浆液向两侧壁孔隙充填 使两侧土体密度增 大 自内向外 随着挤压力的减小 土体密实度亦逐渐减小至原地层一致 从而形成一过渡层 对地层中 大颗粒的块石 由于其强度高而难于破碎 在高压浆气射流的冲击震动力作用下 产生位移被浆液裹袱 浆液也可沿块石直接产生裹袱 充填凝结作用 形成连续均匀 胶结密实的凝结体 第十三届中国海洋 h u 工程学术讨论会论文集 7 0 5 表5 垂直防渗方法比较一览表 施工方法 适用范围处理深度 m 特点 垂直铺塑各类土层 2 虹膜防渗帷幕连续 均匀 垩器麓蔗变形能堋 成墙过程简单 射水造墙 砂 土层适宜深度1 2 1 7 在1 2 1 7 m 深度施工 墙体垂直度 成墙效果有保证 技术简便 操作方便 抓斗薄壁防渗墙 各类兹洲8 适宜深度12 1 9 适应地层范围广 振动沉模防渗板墙砂 黏性土 防渗效果好 检测方便 造价低 能伸入基岩0 5 m 成墙整体性最好 厚度均匀 质量可靠 防渗效果好 检测方便 2 5 墙体连续 均匀 整体性
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