新砺江水闸膜袋砂围堰方案稳定性分析

　　摘要：简述了广州市番禺区新砺江水闸工程基本情况、围堰设计形式，提出了在软弱地基上修建膜袋砂围堰的稳定性分析方法，后来通过围堰的顺利施工，证明此分析方法是正确且有效的，本分析方法可为软土层较厚等类似工程条件上修建膜袋砂围堰的工程提供参考。
　　关键词：水闸、地质条件、承载力、膜袋砂围堰、稳定性
　　
　　1工程概况
　　新砺江水闸工程位于广州市番禺区石楼镇砺江河与莲花山水道交汇处，是砺江河流域综合治理的骨干工程，也是广州亚运会重点配套水利工程之一。工程建成后可以提高流域整体防洪（潮）标准、优化流域防洪（潮）排涝总体布局、改善砺江河流域和亚运村周边水环境、满足城市现代化和建设生态城市的高标准要求。新砺江水闸工程为III等工程，规模为中型，共5孔，单孔宽度为9.0m,总净宽为45.0m，设计最大泄洪流量为152m3/s。船闸等级为VII级，设计最大通航船舶为50t级，船闸位于水闸左岸，有效尺度为80.0m×8.0m×1.6m（长×宽×最小槛上水深）。水闸左岸进道集装箱厂，右岸为亚运城，河床宽约130m，河床中心高程为▽-3.7～▽-5.0m。工程所处地段为软弱淤泥地层，厚约15m，其中▽-10～▽-12m高程有粉细砂夹层，淤泥层广泛地均匀地分布于整个枢纽建筑及上下游围堰地。地质报告显示，工程地质条件极差，土的抗剪抗滑能力低下，承载力低，灵敏度较高。水闸总平面布置图如图一所示。
　　图一水闸总平面布置图
　　2工程地质描述
　　砺江河系砺江河水系下游干流，主要河段位于番禹区石楼镇境内。据长江水利委员会长江勘测规划设计院提供的工程地质报告，工程所处地段为淤泥软土地层，河床地表以下至▽-17m为淤泥层，在▽-10m~▽-12m有粉细砂夹层，系第四系全新海陆交互相沉积层（Q4mc），淤泥层广泛均匀于整个河床上下游永久建筑及上下游围堰段。地质报告推荐淤泥层土体物理力学特征值为：
　　含水重ω=78.93%
　　天然容重γ=1.51T/m3
　　孔隙比е=2.20G
　　液性指数IL=1.28
　　塑性指数IP=35
　　土的力学试验指标：CUU=0.23T/㎡Φ=2.9°K=2.8×10-6cm/s
　　由上可以看出，本工程是处在十分软弱土层上，土的颗粒极细（IP=35>17）,е、IL均远大于1,土的抗剪抗滑性能极差，灵敏度Sf在3.2~4.2之间，地层一旦受扰动强度将会迅速降低和丧失。闸址区淤泥分布广泛，厚度大，持力层埋深大，工程地质条件差，基础处理难度很大。施工围堰置于淤泥层上可能出现沉降变形，抗滑稳定问题。
　　3膜袋砂围堰设计方案
　　本工程围堰采用全断流封航施工，内外围堰结构采用膜袋砂形式，围堰设计参数：堰顶设防高程为+3.50m（珠基高程，下同），堰顶宽4m；断面形式采用复式断面，迎水面边坡为1：2.5，在高程±0.00m处设一级宽为3m的平台，高程±0.00m至-3.00m，边坡为1：2.0，并在-3.00m处设二级平台，宽为3m；背水面边坡为1：2.0，在高程±0.00处设一级宽为3m的平台，高程±0.00至-2.50，边坡为1：1.8；并在-2.50m处设二级平台，宽3m。堰脚处采用水下槽挖方式设置抛石坑，深2.5m，抛石坑与-3.00、-2.50的堆石棱体连接形成堰体的反压，下游-2.50的堆石棱体即为围堰下游渗流排水体（见图二）。
　　4围堰稳定性计算
　　4.1围堰上下游抛石挤淤坑及地基承载力计算
　　初设抛石挤淤坑达4.5～5.0m，实施上不易做到。其一，应视软弱淤泥层
　　为一种天然密度为1.51T/m3的介质，抛石在水中的浮容重γ石浮=γ石-1=1 T/m3，挤淤只能压下1m左右，再压便变成弹簧体，除非明挖抛石；其二，地基的承载力只有3.5～4.0T/m3（见地质报告）深4.5～5.0m的抛石已经超出地基的承载力，当围堰向上填筑加上上面的重量，势必更承受不了，堰体将会向外坍塌，造成滑动。因此，在深且厚的软弱地层上不宜做深处理，抛石坑的深度必须受到地基允许承载力的约束不能随意超深。
　　4.1.1抛石坑段抛石控制厚度的计算：
　　1）无论是采用普朗德尔或太沙基、汉森、沈珠光等公式来计算地基承载力，其抛石坑抛石厚度只能在0.66～1.012m左右，这都无法得到满意结果，主要是地基的C、Φ值实在太小。
　　2）现根据设计提供的地基承载力来反算抛石坑的抛填厚度
　　h=P（γ石-1）*K=3.5（2-1）*1.5=2.33m
　　K采用1.5，P采用3.5T/m2
　　我们认为抛石坑的厚度一定不宜过深，2.4m深采用挤淤法不一定能成功，宜采用水上明挖开槽抛石法施工，并在坑底埋铺一层土工排体。
　　4.1.2式围堰地基承载力的计算
　　采用同济大学叶书麟公式
　　Pu=α*C*NC+2Psinθ+β*Pγ*Nq
　　式中第一项为无反压平台地基极限承载力，第二项为加设土工织物后地基获得的承载力。第三项为设反压平台后增加的地基承载力。Pu—采用土工织物后总的地基承载力。
　　式中：α、β——安全系数α=1、β=0.5
　　C——土的粘聚力C=0.23T/m2
　　NC、Nq承载力系数，当Φ=2.9°时，Nq=tg2（45+Φ/2）е∏tgΦ=1.29
　　Nc=（Nq-1）ctgΦ=5.71
　　P——土工聚合物抗拉强度。当采用土工格栅及土工膜袋后。P土工膜袋抗拉强度2.8T/m。土工布抗拉强度用7.0T/m。
　　θ——基础边缘土工聚合物倾角采用15°
　　γ——假象圆半径，一般取3m。
　　Pu=1*0.23*5.17+2*（2.8+7.0）sin15+0.5*2.8+7.03*1.29=8.37T/㎡
　　4.1.3初拟围堰断面见图
　　
　　4.2围堰稳定验算
　　4.2.1围堰承重及地基承载力验算
　　1）围堰自重（侵润线下按浮容重计算）γ土=1.6-1=0.6T。
　　浸润线背水坡处按上游水深1/2出口，上游水位按新砺江10年迂水位▽2.11m。出水口水位▽-3.56m
　　围堰土干重G1=7.4*1.7*12*1.6=7.55T
　　G2=2.2+1.52*3.6*1.6=10.66T
　　G3=2.6*1.45*12*1.6=2.26T
　　G4=4.7*0.5*12*1.6=1.88T
　　土浮重G5=【20.7+3.62*4.5+34.3+26.72*2-16.01+（34.3-2）*2】*0.6=98.56
　　堰体总重∑G=120.91T
　　2）堰底地基承载力验算
　　Rf=∑GA=120.930.5=3.96T＜8.37T/㎡
　　若考虑外江堰坡上的水重
　　水重
　　W=【3.11*12+32+3.11*3+3.11+5.112*4】*1=49.05T/m3
　　Rf=G+WA=120.9+49.0530.5=5.57T/㎡＜8.37T/㎡
　　4.2.2堰体抗滑计算
　　K=∑G*tgΦEw
　　▽2.11m水位时水的水平推力Ew=7.11*7.11/2=25.28T
　　土重120.91T两个抛石棱体G石=5*2*1*2=20T
　　设堰体下土工布与基面摩擦角为14°
　　K=141*tg1425.28=1.39＞1.30
　　4.2.3验算抛石棱体能否抵御堰体向外的张力
　　将围堰边界按实况简化为图三形式，分析计算堰体的稳定。其中点O约在外江堰坡▽-1.00高程处。按粘性土塑性原理，当地基有荷载及反压平台作用时，地基下将形成三个受力区。见图三，以O为原点，OX轴垂直向下，OY轴水平向外；Ⅰ区为郎金主动区，其大主应力垂直向下，Ⅲ区为郎金被动区，其大主应力呈水平状态。作用在边界上的应力，OB段上为Ea主动土压力；OC段上为Ep被动土压力，其强度见下。Ⅱ区为过渡区，当二组力Ea、Ep绕原点O转动产生的弯矩MⅠ=MⅢ，其土体处于极限平衡状态。当MⅠ﹥MⅢ，堰体侧产生滑动导致破坏；只有当MⅠ﹤MⅢ时，堰体时稳定的。
　　
　　现在2b约为20m，取b=10m，由于堰体采用了土工排及土工织物，地基的受力状态得到极大的改善，选择此时原点处地层的φ角由2.9°提高到8°来计算堰体的稳定。
　　当b=10时，φ=8°时OC=10cos（45-82）=10.27m
　　则OB=OCеπ/2*tgφ=10.271.25=8.22m
　　作用在OB上的主动土压力强度Ea
　　Ea=（Po+σc）（1+sinΦ）=5.1+0.23*ctg81+sin8=4.5T/m2
　　Po=（γ-1）*h=8.5*0.6=5.1T/m2σc=C*tgΦ
　　作用在OC上的被动土压力强度Epq取3T/m
　　Ep=（q+σc）（1-sinΦ）=3+0.23*tg81-sinΦ=3.52T/m2
　　上述两组力绕O点形成MI及MII，当MI﹤MII说明堰体不会向外扩张。
　　MI=4.5*8.22*8.22/2=152TM
　　MII=3.52*10.27*10.27/2=185.63TM
　　MI﹤MII（K=MII/MI=1.22）因此抛石坑能阻挡堰体外张。
　　4.2.4堰体的整体稳定计算
　　用瑞典法求安全系数
　　新砺江水闸膜袋砂围堰整体稳定分析计算表一
　　总重 分层号 重量Wi（T） 计算参数 滑动力
　　Ti=W*sinαi 抗滑力
　　Ni=W*cosαi 各类参数
　　  土 水 Sinαi cosαi   
　　2.56 8 2.56  0.77 0.638 1.97 1.63 计算半径R=30m
　　15.36 7 15.36  0.7 0.714 10.75 10.97 用天然容重，按退潮到▽-1.00m水位时，验算外
　　江坡的稳定。
　　P土=1.6T/m3
　　AB段弧长=11.93m
　　BC段弧长=30.05m
　　b=3m
　　24 6 24  0.6 0.800 14.4 19.2 
　　27.84 5 27.84  0.5 0.86 13.92 23.94 
　　27.84 4 27.84  0.4 0.917 11.14 25.53 
　　31.68 3 31.68  0.3 0.954 9.5 30.22 
　　26.76 2 23.76 3 0.2 0.978 5.35 26.17 
　　38.16 1 32.16 6 0.1 0.995 3.82 39.97 
　　35.52 0 25.92 9.6 0 1 0 35.52 
　　33.12 -1 21.12 12 -0.1 0.995 -3.31 32.95 
　　29.82 -2 17.82 12 -0.2 0.978 -5.96 29.20 
　　22.56 -3 10.56 12 -0.3 0.954 -6.77 21.52 
　　16.8 -4 4.8 12 -0.4 0.917 -6.72 15.41 
　　        
　　第8值第5分条为土膜袋区，袋内为含泥河沙，Φ取值15，C取值2T/m2。
　　堰底淤泥区Φ=2.9°C=0.23T/m2。土工布及膜袋底部拉力S=9.8T/M
　　θA=22.79°θB=30.66°θC=26.74°θB+θC=57.40°
　　8—5条抗滑力∑Wcosαi=55.74T
　　4—-4条抗滑力∑Wcosαi=254.49T
　　总计滑动力∑Wsinαi=48.09T
　　KW=（∑CL+∑NitgΦ+S）∑Ti=（2*11.93+0.23*30.05+55.74*tg17+254.49*tg2.9+9.8）48.09=70.548.09=1.47﹥1.25
　　5结论及施工围堰施工注意事项
　　通过以上计算分析，新砺江水闸采用的膜袋砂围堰方案是安全可行的，但在施工过程中需注意一下几点：
　　1）施工围堰的抛石坑要采用明挖并铺土工排，不能采用挤淤的方法施工，其目的是阻止堰体向外扩张变形。
　　2）要认真铺设土工排及土工布。由淤泥层太软，全靠采用土工织物增大基坑的粘聚力和内摩擦角，改善地基承载力状态提高承载力。
　　3）由于淤层地基承载力过低，利用粘性土塑性原理，设置了三级（包括抛石坑）反压平台来提高地基承载力。因此，反压平台的宽度一定要满足，这样才能使堰体能做到足够的高度。
　　4）抛石槽的开口距离已统一，河床段高程在▽-2.00以下均需挖槽抛石，在▽-2.00高程以上的堰体可以不设抛石槽。
　　5）不宜在堰顶上通行机械车辆。

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