钢筋预制混凝土沉井在海塘防冲设计中的应用.pdf

D OI ： 1 0 1 6 6 1 6 j c n k i 1 1 44 4 6 T V 2 0 1 5 0 9 0 1 2 钢筋预制混凝土沉井在海塘防冲 设计中的应用 吴国芳 罗林峰 ( 1 绍兴市水利水电勘测设计院，浙江 绍兴 3 1 2 0 0 0； 2 浙江省水利科技推广 与发展中心，浙江 杭州 3 1 0 0 1 2 ) 向 ， 霎 、海 )尼 河 床 呈 单 向 冲 刷 状 态 ，使海塘堤脚出现抛石体失稳、 冲毁等险情 ， 严重影啊 口半原后氏八爿文 。 肋 段工 制沉井+护坦的直接保护方案， 具有永久性好、 后期维护少等优点， 值得在今后的海塘防冲设计中推广应用。 【 关键词】 钢筋预制混凝土沉井； 海塘 ；防冲设计； 应用 中图分类号 ： T V8 6 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 5 - 4 7 7 4 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 3 8 - ) 3 Ap pl i c a t i o n o f r e i nf o r c e d pr e - c a s t c o n c r e t e c a i s s o n i n s e a wa l l e r o s i 0 n pr e v e nt i o n de s i g n WU Gu o f a n g ，L UO L i n f e n g 。 f 1 S h i n g e r C 。 0 n c y n n d Hy d r o p 。 e r S u r v e y n n d De s i g n I n s t i t ，S h 。 。 3 1 2 O 0 0，C 。； 2 Z h e j i n W a r C 。 e 帆c y S c i e n c e a n d T e c h n 。 l 。 g Y P r 0 m 。 t i 。 n a n d D e v e l o p m e C e r ， “ 3 1 0 0 1 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Af l e r t h e b u i d i n g o f C a o e R i v e r E s t u a r y s l u i c e， r i v e r e v o l u t i o n i s c h a n g e d -T h e s l u i c e i s c l o s e d t 。 d 眦 r y t 。 f f) r pr e v e n t i ng t i d e a ndb l 0 c ki n g o ff s e di me n t i n t o r i v e r S l ui c e i s o pe n e d f o r r e l e a s i ng wa t e r d u r i ng flo o d s e a s o n,a nd t h e r i v e r b e d s h o ws o n e w a y e ms i o n s t a t e，t h e r e b y ma k i n g s e a w a l l t o e i n c l i n e t o s t o n e T i p r a p i n s t a b i l i t y，wa s h o u td n d o t h e r i s k s wh i c h s e r i o u s l y a f f e c t p e r s o n a l s a f e t y o f e s t u a r i n e p l a i n r e s i d e n t s D i r e c t p r o t 。 t i P l “o f r e i n f o r c e d。 。 “ 。 r e l e p r e - c a s t c a i s s o n + a p r o n h a s t h e a d v a n t a g e s o f g o o d p e r ma n e n c e ，l e s s p o s t ma i n t e n a n c e ，e t c I t i s w o r t h y o p o p u l a n z a t 0 n a n d a p p l i c a t i 。 n i n s e a wa l l e r o s i o n pr e v e n t i 。 n d e s i g n i n t he f ut “ 。 Ke v wO r d s ：r e i n f 0 r c e d p r e c a s t c 。 n c r e t e c a i s s o n；s e a w a l l ；e r o s i 。 n p r e V e n t i o n d e s i g n；a p p l i c a t i o n 1坝目 戳 曹娥江河口 大闸建成前， 曹娥江出口河道受钱塘 江径 流 、 杭州 湾潮 流和曹娥江径流的综 合影响 ，河床摆 动无常 ， 时冲时淤 ； 曹娥 江大 闸建成后 ，江道 的演变 发 生变化 ， 平时关 闸挡 潮 ，阻挡外 海 泥沙入江 ，洪水期 开 闸放水 ， 河床呈单向冲刷状态 ，将建闸前淤积在河道中 散 的 泥 沙 逐 步 带 出 ， 从 而 形 成 建 闸 后 新 的 平 衡 面 这种“ 单向冲刷” 加剧了曹娥江河口两岸海塘堤脚的 冲刷 ， 特别是绍兴境 内的 马山 、马海 海塘 ， 左岸 最 大 冲 淤幅度达4 1 m， 不断出现塘脚抛石体失稳 、冲毁等险 隋， 被鉴定 为“ 二类塘 ” ，严 重影 响了萧绍平原 流域百 万 人 口的生命财产安全， 海塘防冲除险加固显得十分迫切 。 吴 国芳等 钢筋预制混凝土沉井在海塘 防冲设计 中的应 用 2项 目地质条件 海塘地基主要分为三个工程地质层， 现从上至下 分述如下 ： 1 1层 素填 土 ， 稍密 状 ， 主要 由黏 质粉 土 组 成 ， 局 部含有抛 石 ； 2 1 层黏 质粉土 ， 稍密状 ， 偶 夹淤 泥 质 团块 ， 工 程性 质较差 ， 厚度较薄 ； 2 - 2层 黏质粉 土 ， 稍 密 中密状 ， 土质 均匀 性差 ， 性 质较 好 ， 厚 度一 般 ； 2 - 3 层砂质粉 土 ， 中密 密实 ， 土质 均匀性差 ， 工程性 质好 ， 厚 度大 ； 3层 淤泥质粉 质黏土 ， 流 塑 ， 高压缩性 ， 工 程性 质差 ， 厚度较大。根据地勘报告 ， 地质物理力学 指标见 下表 1 。 表1 海 塘 地 基 地 质 物 理 力 学 指 标 天然含水量 天然重度 i 快 兢 厨。 缮 茨 剪 层序 材料名称 q _。 y ( k N m 3 ) = 一 C k P s 一 - c k a l 一 1 素填土 2 9 5 1 8 1 2 2 0 1 0 1 2 3 4 l 2 9 2 1 黏质粉土 3 1 9 1 8 4 2 2 6 l 1 0 2 O 6 1 2 5 2 _ 2 黏质 粉土 3 1 】 】 8 ， 8 2 3 6 l 1 6 2 5 O l 3 】 2 3 砂质粉 土 2 6 3 1 9 5 2 5 2 l 0 5 2 7 8 1 2 6 3 淤泥质粉质黏土 3 7 5 1 8 O 8 4 1 1 4 1 1 4 1 8 1 注护坦基础混凝土与地基土之 间摩擦 系数 ： 护坦基础混凝土 2 - 3层砂质粉土 _厂 =0 3 0 0 3 5 。 3 海塘堤脚 防冲方案必选 海塘堤脚防冲保护主要有保滩护塘 的间接保护方 案和采用堤脚设 防冲设施 的直接 保护方案 两种。间接 保护主要通过设置短丁坝群促淤， 同时减弱滩地附近洪 水流速， 减少近塘滩地淘刷， 防止出现堤脚裸露后冲刷 破坏 ， 从而 保护 海塘 ， 丁坝与 堤脚 采用 斜坡 护坦 相连 。 直接保护主要通过设置垂直 和水平 防冲设施 ， 防止堤脚 冲刷 破坏 ， 具体可设置板桩 、 沉井等 + 护坦 + 外 侧抛石 防冲的组合方式。间接保护方案对滩地基本无影响， 但 也存在着管理任务重、 后期维护费高等缺点； 直接保护 方案 虽然对滩地有一定 的破坏 ， 但 通过保 留现有 丁坝 、 滩地复平及撤播草籽固滩等措施 ， 尽可能保留现有滩 地， 可进一步增加防冲富余度。防冲方案比选见表 2 。 表 2 海塘堤脚 防冲保护 方案比较 序号 B 较项目 间 接 保 护 方 案 直 接 保 护 方 案 1 土建投资 5 4 0 0万元 5 9 5 0万元 1 堤脚防冲效果好； 2 施工相对简单 ； 2 优点 1 对滩地基本无破坏 3 日常管理方便 ； 4 后期维 护费低 1 促 淤 保 滩效 果 有 待 检验； 2 日常管理任务重 ； 1 投资 略大； 3 缺点 3 后期维护费较高； 2 原滩地需复平 4 深水 区施 工难 度大 ； 需专业施工队伍 推荐 意见 推荐 4 沉井防冲方案设计 比较常用的直接防冲加固方案主要有沉井 +钢筋 混凝土护坦 、 地下连续墙 + 钢筋混凝土护坦， 根据该河 段冲淤变化特点和曹娥江类似工程经验， 从措施的可 行 性 、 经济性及施 工可行 性角度进行初 步评选 ， 拟采 用 沉井 +钢筋混凝土护坦防冲加固方案。两种防冲方案 技 术经济 比较见表 3 。 表3 防冲方案技术经济比较 并 锊 筋堀 凝 地下连 + 钢筋 序 比较项目i 护坦 一 混凝土护坦 l 土建投 资 9 0 1 1元 每延米 1 1 8 8 9元 每延米 1 沉 井可 实 现 工厂 化 预制 ； 2 优点 2 永久性较好 ； I 密接性好 ； 3 后期 维 护 工 作量 相 2 后期 维护工程量小 对较小 1 需 要在现 场开挖 沟 1 单个重 量大 ， 施 工安 槽 ， 土方开挖量增加； 装难度较大 ； 2 开挖边坡一般较 陡， 2 冲沉质 量难 以控制 ， 需辅以泥浆护壁 ； 密接性差 ； 3 需 在现场 绑扎钢 筋 3 缺点 3 施工效率较低 ； 笼和浇筑混凝土 ； 4 受施工 条件 限制 ， 沉 4 施 工程序较 多； 井 长 度 一 般 为 5 5 工艺较复杂 ； 5 5 m 6 施 工进度较 慢； 7 造价最高 推荐意见 推荐 39 水利建设与管理 2 0 1 5 年 第 9 期 沉井 +护坦防冲方案的具体设计如下 ： 在堤脚处 设 置 C 2 5钢筋混凝土沉井 ， 尺寸 1 m1 r n 5 5 m( 壁厚 1 2 e ra) ， 井底 高程 2 8 0 m。下沉 分 区段 进行 ， 每个 区段 为4 5只沉井。下沉方法采用高压水枪冲泥 、 泥浆泵 吸泥。预制沉井下沉至设计深度后回填 C 2 5素混凝 土 和石渣。为防止井后土颗粒流失 ， 在 0 5 m高程以上 浇 筑 4 0 c m厚 C 2 5素混凝土封缝。沉井上部嵌入钢筋混 凝土护坦0 2 0 m， 护坦宽 6 0 0 m， 厚 0 4 m， 高程 4 0 m， 内侧设 置齿墙 ， 1 ： 1 0倒坡 ， 护坦 设置 排 水孑 L ， 以减 小 底部扬 压力 ， 纵 向分缝 间距 8 m， 低 发 泡 塑料 板 嵌 缝。 沉井外侧 同样需要 结合 围堤 整体稳定 和防 冲需要 ， 设 置底宽4 m的抛石防冲保护。详见图 1 。 6 00 58 0 图1 沉井 +钢筋混凝土护坦堤脚防冲方案设计 5 沉井抗倾稳定计算 沉井施工采用高压水泵水力反冲， 结合反铲挖掘 机外力强压冲沉沉放， 同时采用井点降水， 因此施工期 沉井下沉和稳定均能满足要求。但在运行期间， 曹娥江 侧 江底可能产生冲刷 ， 沉 井存在倾覆可能 ， 影 响沉井的 稳定 ， 本次计算 主要进行运行期稳定计算 ( 受力见图2 ) 。 5 1 计算方法 沉井抗倾稳定计算 采用静 力平衡 方法 ， 应符合 下 式要求 ： M 式 中 G 沉井 自重 ， k N； B地下水浮力 ， k N； K 抗倾稳定安全系数， 取 K =1 5 ； G ： 、 G 护坦重力 ， 护坦长 6 m； 4 0 1 、L 2 、 L 3 力臂 ， m； 由 水平力引 起的 倾覆力矩总和， 计 算倾覆力矩时， 力臂为水平力作用 点至基底下表面的距离 。 M - P l H_ L - P 2等 式 中P 海塘侧土压力 ， k N ， P ： ( H 。 ) H1L； 土的容重 ， 地下水以下取浮容重 ， k N m ； H 海塘侧 填土 高度 ， 取 H =2 7+ 2 8 0 1：5 4m ： 主动土压力系数 ， =t g ( 4 5 。一 2 ) ； 土 的内摩擦角 ， 取 = 2 5 。 ； ， J 沉井垂 直水流 向长度 ， m， 取 L= 1 m； P 曹娥江侧土压力， k N ； P ： ( H ： K a ) H ： L ； 曹娥江侧填土高度， 取 H 2 = 2 81 1 4 =1 6 6m 图 2 沉井受力简图 5 2 计算工况 沉井运行 期稳定按 不利工 况设计 ： 即曹娥 江侧 土 冲刷至 一1 1 4 m高程 ， 低水位 为 3 0 m高程 ， 此时 主要 进行抗倾稳定验算 。 5 3 计算成果 计算结果为 ： ( 下转 第 4 3页) 叶建新 闹德海水库坝前水位计冰冻期 改进 方法 的研 究 收水位数据 。 由于浮子水位计 观测 必须设 置水 位井 ， 需要 选择 岸坡稳定 、 河床冲淤不大 的低含沙河段 。因此 ， 可 以考 虑在大坝上游右岸约 1 0 0 m处 ( 码头 轨道附近 ) 坚 固岩 石岸坡设置水位井 ， 并将水位井安装到库底， 井 内采用 负 3 O号柴油灌注 超过 冰冻层来 保持 冬季井 内水 面不 结冰 ， 从而实现冬季水位 观测 自动化 。 工作状态下 ， 浮子 、 平衡 锤 与悬 索连接 牢 固 ， 悬索 悬挂在水位轮的“ V” 形槽中。平衡锤起到拉紧悬索和 平衡作用 ， 调整浮子的配重可以使浮子工作于正常吃 水线上。在水位不变的情况下， 浮子与平衡锤两边的 力是平衡 的 。当水 位上升时 ， 浮子产生 向上 浮力 ， 使平 衡锤拉动悬索带动水位轮作顺时针方向旋转， 水位编 码器的显示读数增加； 水位下降时， 则浮子下沉 ， 并拉 动悬索带动水位轮逆时针方向旋转， 水位编码器的显 示器读数减小。 浮子水位计易受水面漂浮物等影响， 对观测数据 产生负面影响， 而汛期也正是水库易受洪水的冲刷产 生漂 浮物 的季节 ， 所 以在汛期 时 以坝前 雷达水 位计观 测水位为 主， 浮子水位计和人工观测为辅 ； 冬 季冰冻期 雷 达水位计 受冰面 影响 出现 误差 ， 可 采取 以浮子式水 位计为主 ， 其他方式为辅 的观测方式 。 4 总 结 闹德海水库现行安装的雷达水位计虽然具有在测 量 时不受水 中污染 物 以及沉 淀物等 因素影 响 ， 且测量 精度高， 安装方便简单快捷 、 维修保养简便等优点， 但 在水库 冰冻期 由于坝前水 面结 冰易出现明显的测量误 差， 因此可采用通过增加一个浮子式水位计的方法来 弥补这种 测量误 差 ， 实现 水库动态 水位 的实时精确 观 测。 参考文献 1 田国祥 ， 杨 晓鹏 ， 邱天珍 鸭河 口水库 浮子式水位计改造 J 河南水利与南水北调 ， 2 0 0 8 ( 9 ) 2 李月清 雷达水位计在拉贺练水文站的应用分析 J 水利 信息化 ， 2 0 1 2 ( 3 ) 3 董军 北方河流河道特征水位确定方法探讨 J 中国水能 及电气化， 2 0 1 3 ( 3 ) 4 车承轩， 刘默， 王俊笑， 等 结冰水体浮子式水位传感器的 应用 J 黑龙江水专学报， 1 9 9 8 ( 1 ) E 芒 E E l E 芒 l 1 t 芒 E 1 蔓 E 蔓 l 蔓 l 蔓t 芒 ， I 芒 l 蔓 ( 上接 第 4 0页) 等 3 19 K q _ 15 结果表明， 沉井在运行阶段满足抗倾稳定要求。 6 沉井施工工艺 本次海塘堤脚防冲加固施工中， 沉井下沉至设计 高程为关键施工难点 ， 钢筋混凝土预制沉井先在预制 场浇筑养护后 ， 平板 车运 至施工 点 附近。沉井 下沉方 法采用高压水枪冲刷 ， 泥浆泵吸泥 ， 结合 2 5 0反铲挖 掘 机外力强压冲沉沉放， 长臂挖机配合。冲泥时， 应以集 泥坑为圆心逐渐向四周冲射， 均衡对称地、 自上而下一 层层冲去， 然后泥浆泵开始排吸泥浆， 水枪与泥浆泵应 密切配合， 使 四周均匀扩大。严禁用水枪掏挖刃脚踏 面以下的土层。当沉井下沉到离设计标高 1 0 e ra左右 时， 停止水冲， 然后进行下一只沉井的沉放。高出部分 最后利用挖掘机压沉到设计高程。沉井下沉至设计深 度后采用 C 2 5素混凝土封底 、 封头和块石混合料回填， 内侧 C 2 5素混凝土封缝。石渣填筑料在料场采购， 由 2 m 挖掘机装， l o t自卸汽车运送倒入井中。沉井施工 中， 若土中块石较多， 难以冲沉， 则采用大开挖、 直接摆 放 的方式 。 7 结语 绍兴马海 、 马 山标准海塘除险加 固工程 自2 0 1 2年 1 1月开始招标施工， 于2 0 1 5年 1 月完成竣工验收。项 目中采用 的钢筋混凝 土沉井 + 护坦 + 抛石护坦海 塘堤 脚 防冲直 接保 护方 案 ， 得 到 了实 际应 用 ， 取 得 了大 流 量 、 大冲刷河道采用预制钢筋混凝土沉井防冲处理的 宝贵经验 ， 有效保护了高冲淤幅度的海塘堤脚 ， 且具有 永久性好 、 后期维护少 等特 点 ， 值得在今后 的海 塘防 冲 除险加固中推广应用。 参考文献 1 戚久鸿 ， 等 海塘底脚防冲工程中小沉井群的设计与施工 J 浙江水利科技 ， 1 9 9 7 ( 4 ) ： 3 0 3 2 2 张玉萍 轻 型连续沉井在 护岸 工程 中的应用 J 海岸工 程 ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 3 ) ： 2 5 3 0 4 3