水利工程论文-海堤工程除险加固技术概述.doc

水利工程论文-海堤工程除险加固技术概述摘要：通过分析福建省海堤（水闸）工程存在的问题及其造成的原因，提出相应的除险加固技术，供同类海堤加固时参考。关键词：海堤工程存在问题除险加固技术1基本情况福建省海岸线长达3324km，居全国第二位。修建了大量的海堤，全长1603km(其中保护千亩以上农田的海堤有298处，总长1134km，同它配套水闸有456座)。开发保护土地30万公倾，保护人口500万人，保护工农业产值400亿元。这些海堤（水闸）大多数运行多年，存在不同工程问题，每年都必须投入大量人力、物力予以除险加固。海堤的地质情况主要有岩基、砂砾层和淤泥层三种类型。潮汐属规则半日潮，平均潮差4.8m6.6m，最大8m9m，是全国潮差最大的省份之一。平均每年登陆和影响的台风56次，最大风速超过40m/s。台风带来的暴雨强度大,历时短,雨量集中,一般在200mm400mm间局部超过700mm。2工程存在问题2.1海堤存在问题2.1.1设计标准偏低据统计福建省99年台风水毁的海堤大多数设计标准偏低，造成这种现象主要有以下几方面原因：这类海堤原设计时参照的规划标准偏低；海堤原设计时选取的参数与现行标准不同，如设计高潮位原来是采用历史最高潮位，现行标准采用设计频率潮位；设计标准应包括堤顶高程和结构两方面，而以往的海堤仅突出对堤顶高程的要求，未考虑结构方面的要求，主要包括消浪防冲结构和海堤“三面包”护砌。2.1.2堤身单薄据1990年统计，福建省全省有892km海堤存在堤身断面偏小，达不到设计要求，主要原因是大部分海堤为“三边”工程，有些工程是群众自发上马的，普遍存在资金不足，未经设计部门设计等问题。造成有些堤顶宽度不足2m，坡度只有1：1。2.1.3护坡抗冲能力偏低福建省海堤迎水坡多采用干砌块石护坡，但由于部分护坡施工质量差，砌筑不紧密，或选用块石重量小，厚度不足，不能抗御风浪的袭击，还有的护坡垫层级配差，有的甚至不设垫层，起不到反滤层的作用，使垫层、堤身被淘空，从而造成垮堤或缺口。还有些海堤未护砌，只采用草皮护坡，更是不堪一击。另外福建省大部分海堤未“三面包”，经不起越浪，在垮堤事故中也屡见不鲜。2.1.4海堤基础存在失稳和漏水现象福建省海堤大部分建在淤泥软基，且淤泥层深厚，最深达20m以上，当基础处理不当时，竣工后，沉陷量大，常常引发滑坡或护坡破坏现象，另一方面，软基采用抛石压载处理，由于闭气工程控制不严，引起堤基不同程度的漏水。据不完全统计，堤基严重漏水达72km。2.1.5岸滩冲刷问题据统计，岸滩冲刷引起护坡破坏的情况，占总护坡破坏数的5%10%。尽管比例不大，但海堤堤脚、岸滩缺乏保护，在潮水的作用下，发生严重的冲刷，引起堤坡大量的脱落，从而导致护坡大面积的崩塌，进而造成决口跨堤。2.2海堤水闸存在问题由于资金缺乏，福建省千里海堤除险加固达标中，未能对海堤水闸进行同步加固。保护千亩以上海堤有456座水闸，大多已运行二、三十年，普遍老化失修，存在严重的隐患。主要存在以下几个问题。2.2.1设计标准偏低福建省海堤水闸大多数是六、七十年代兴建，当时设计标准偏低，加上设计过程中调查洪水、潮水不准确，甚至缺少资料，造成设计单宽流量偏小，上、下游水头差不准确等情况，设计出的结构满足不了工程要求。2.2.2防冲消能问题由于运行调度不当，设计标准偏低，软基处理不完善，运行方式改变，人为破坏，过量采沙等诸多原因，造成消能工破坏，危及闸基安全，是福建省海堤水闸普遍存在的工程问题。例如连江大官坂围垦海堤上的水闸。由于发展养殖业需要，运行方式改变，由原来单一排涝闸改为兼有排涝、纳潮任务的水闸，而上游未设置消能措施，近几年检查发现上游大面积被冲刷深14m，面积达5000m2。2.2.3渗流稳定问题软基或沙基上的水闸防渗在当时技术条件主要采用打板桩和粘土铺盖防渗，这种防渗措施有一定局限性，加上施工质量差，排水系统不完善，地基沉陷等综合因素，极容易造成渗流破坏。个别水闸甚至形成闸基淘空现象。2.2.4钢筋混凝土碳化问题从福建省水闸检测结果来看，沿海工程钢筋混凝土腐蚀破坏方式和破坏程度随所处的位置不同而有所差异，根据结构破坏特征，大致可分为以上几种类型：(1)在水位变化区、浪溅区。其原因主要可分为混凝土抗干湿交替能力较差，引起表层开裂、盐类在混凝土毛细孔中结晶膨胀造成胀裂，氯离子侵入引起钢筋锈蚀膨胀造成混凝土结构破坏。(2)水中混凝土结构，由于自身密实度不够，氯离子侵入引起钢筋锈蚀膨胀，造成混凝土破坏。(3)全部暴露于空气中的上部混凝土结构，因二氧化碳、氯离子随风进入混凝土孔隙引起混凝土碳化及钢筋锈蚀造成破坏。这种现象在结构迎风面尤为严重。(4)因混凝土设计等级、施工质量未达到要求，而造成破坏也占很大比例。2.2.5启闭系统及铁件锈蚀问题据初步统计福建省水闸大部分都已运行20年以上，由于运行年限长，维修更新改造的资金不足，管理不善等原因，尚有180多座水闸启闭机及启闭系统需要更新改造。铁件和钢闸门的锈蚀也很严重，例如大官坂围垦水闸和福清柯屿水闸等。3除险加固技术海堤、水闸的除险加固技术有多种，一般应根据形成破坏的原因，海堤、水闸的运行情况及洪水、潮水等相关因素，综合考虑，因地制宜地选择。现将福建省近年来几种常用的除险加固技术论述如下。3.1海堤除险加固技术3.1.1提高设计标准要对海堤进行彻底的除险加固，就必须按有关规范确定海堤设计标准，包括海堤堤顶高程和结构设计标准。（1）堤顶高程设计标准堤顶高程的设计首先应按海堤保护的范围和重要性确定其设计频率，然后按公式：堤顶高程=设计高潮位H+波浪爬高R+安全超高A确定，设计高潮位采用设计频率潮位，风浪爬高采用莆田公式计算，安全超高根据海堤是否允许越浪予以选取。（2）结构设计标准结构设计标准主要包括海堤消浪防冲结构和“三面包”护砌两方面。消浪防冲结构最常采用的是三级消浪结构（详见下述）。“三面包”护砌是将海堤内、外坡和堤顶都进行护砌，是防止越浪破坏的有效措施，外坡护坡采用消浪防冲结构，堤顶采用砌石或素砼，内坡多种干砌条、块石或草皮护坡。该结构设计应注重护坡下反滤层的设计，近年来多采用土工布代替传统的砂砾料反滤层。3.1.2消浪防冲(1)建立消浪防冲结构海浪冲击是危及海堤安全的主要因素，建立完好的消浪防冲结构是抵消波浪冲击的有效措施，消浪结构不仅能削减波浪的爬高，降低堤顶高程，而且能减轻波浪对堤身主体结构的冲击力。由于福建省海堤大多数是座落在淤泥或沙基础上，且堤前滩底水深，因此适宜采用多级消浪结构，有利于地基稳定和工程施工，常采用的是三级消浪结构，最底一级采用抛石护脚，二级采用砌石或砼预制块护面，三级采用挡土墙（防浪墙）。(2)抛石护脚海堤护岸除了护坡外，还需要护脚，但于堤前水深大，施工困难，很难直接进行护砌，同时为了适应软基础的不均匀沉降，常采用抛石护脚。抛石厚度一般为23m，边坡根据具体情况控制在1：1.51：3之间，抛石粒径应根据经验公式计算或参照已建工程分析确定，为了保护抛石层及其下部基础的稳定；应在抛石区下铺设滤层，采用砂砾料或土工布作滤层，福建省莆田市后海海堤采用抛石护脚，经多次台风巨浪冲击仍然完好如初。(3)外坡消浪防冲外坡通常采用砌石或砼预制块护面，砌石护面为了提高消浪防冲能力，采用凹凸竖直干砌条石护坡，砌筑时条石大头向下，小头向上，每块条石四边紧靠，有空隙处用片石打入挤紧，条石块块如插桩墙，从单个块体受力分析，竖直砌比横铺、顺铺平砌受波浪推动的面积少，受推动的力相应减少，稳定性好，同时坡面起到加糙作用，摩擦力大，风浪爬高低，消浪效果好。福建省晋江东潘海堤采用竖直干砌条石护砌部位在99年台风袭击时受的破坏明显较其他型式条石护砌少。对于风浪较大的开敞海域，为避免波浪对护坡的反复冲损，有些海堤采用砼预制块护面，砼预制块的体积、重量按设计波浪要素确定。对于砼预制通常有四脚空心块和砼栅栏块两种。(4)浆砌石挡土墙（防浪墙）在海堤外坡较高部位设置浆砌石重力式挡土墙能够有效抗挡波浪的冲击，挡土墙设置的关键是要确保基础稳定，挡土墙上部通常作为防浪墙，高0.81.0m，据工程经验和试验研究，在防浪墙上设置一弧形或梯形挑浪嘴，能够有效地将来浪挑回海面，达到减少越浪量的目的，挑浪嘴的结构以采用现浇砼为宜，向外侧伸出一定的宽度，以一定倾角的斜面或反弧与下部直墙联结，形成梯形或弧形的挑浪嘴。福建省莆田湄州湾海堤部分堤段在防浪墙上设置挑浪嘴，消浪效果良好。(5)消浪平台设置消浪平台在福建省已经过多年的运行，实践证明在外海侧设置消浪平台，对减少越浪量降低堤顶高程有明显的效果，尤其是斜坡式海堤，还能对护坡起到一定的保护作用，消浪平台最好设置在多年平均高潮位附近，或略高0.30.5m，此位置消浪最充分。平台宽度可取设计有效波高的12倍，一般不宜超过3m。3.1.3防渗补强海堤堤身防渗补强通常有外坡土工膜防渗，堤身水力开槽土工膜垂直防渗和堤身灌浆等防渗措施。(1)外坡土工膜防渗外坡铺设土工膜防渗是一种经济、可靠，施工简便的堤防防渗措施，其结构是先在海堤处坡铺设一层下垫层，然后在该垫层地铺层土工膜，再在土工膜上铺设上垫层和保护层。下垫层采用沙载土，土工膜厚度不得薄于0.3mm，上垫层为碎石垫层厚0.150.3m，防护层可用砌石或砼预制块。土工膜防渗应进行稳定性验算及膜后排渗能力校核。福建省宁德市西陂塘海堤采用外坡土工膜防渗，防渗效果良好。(2)水力开槽土工膜垂直防渗水力开槽土工膜垂直防渗技术是采用射水法造孔机机具在海堤外港侧开出一定宽度和深度的沟槽，利用垂直铺膜机在沟槽内铺设土工膜，然后回填沟槽，使其形成一个以土工膜为隔水体的连续防渗帷幕，起到垂直防渗的作用。施工过程应着重抓好连续造孔开槽，槽内挡水、挡土保护，土工膜铺设与接头处理，槽沟回填等方面工艺。该技术具有适应性强，施工简单，速度快，投资少等优点，具有广阔的推广应用前景。近年来在福建省闽侯县多个堤段采用此法防渗。(3)堤身灌浆福建省海堤堤身灌浆常采用的是充填灌浆和高压喷射灌浆。充填灌浆是利用浆液自重通过钻探孔向堤身隐患处注浆的灌浆方法。充填灌浆是防止堤身局部渗漏的有效措施，浆液多采用粘土浆，根据不同需要，在浆液中可掺入适量的水泥，灌浆孔多采用两排布孔，孔距12m，分序灌浆，灌浆压力多为0.1MPa0.5MPa。福建省罗源湾海堤部分堤段采用充填灌浆防渗，效果不错。高压喷射灌浆是利用工程钻机钻孔至设计处理的深度后，用高压泥浆泵通过安装在钻杆杆端置于孔底的特殊喷嘴，向周围墙体高压喷射浆液；同时钻杆以一定的速度，边旋转边提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏，并强制与浆液混合；凝固后在土体中形成具有一定性能和形状的固结体，能起到防渗抗渗的作用。根据浆液喷射流的移动方向不同，分为旋喷灌浆、定喷灌浆和摆喷灌浆三种，防渗时大多采用定喷和摆喷；灌浆浆液采用水泥浆。此防渗具有成本较低，施工速度较快，固结体强度大，可靠性高等优点。近年来福建省海堤采用高压喷射灌浆防渗日趋广泛。3.1.4地基加固福建省海堤大多数建在淤泥层软基上，为确保海堤工程安全必须先解决地基加固问题，近年来海堤地基加固除了以往常用的振冲法和强夯法外，还推广挤密砂桩法和排水固结等加固方法。(1)挤密砂桩法挤密砂桩法是先在软基中用冲击法或振动法打孔成桩，然后往桩中灌入砂子并捣实达到提高地基承载力的地基加固方法。此法在松散砂土中能起到挤密和振密土体的作用，可用于增大沙土体相对密度，防止振动液化；在淤泥中能起到置换、排水作用，加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。根据打孔成桩的方法不同可分为振动成桩法和冲击成桩法两种。福建省宁德市海堤部分堤段采用挤密砂桩法加固地基。(2)排水固结法排水固结法是解决软粘土地基沉降和稳定问题有效措施，由排水系统和加压系统两部分组合而成。排水系统是在地基中设置排水体，利用地层本身的透水性由排水体集中排水的结构体系，根据排水体的不同可分为砂井排水和塑料排水带排水两种。加压系统是通过临时填土石等方法对地基加载预压，达到预先完成大部分地基沉降的处理过程。福建省福清过桥山围垦海堤淤泥层软层最深达十余米，采用塑料排水带排水固结处理取得成功；福建省连江县大官坂海堤则采用砂井排水固结法进行地基加固处理。3.2水闸除险加固技术3.2.1水闸下游冲刷破坏处理措施水闸下游冲刷破坏是福建省海堤水闸普遍存在的一个主要工程问题，通过多年来工程实践，已经形成一整套有效的处理措施。(1)回填冲刷坑,设置完善消能措施如水闸下游冲刷破坏形成冲刷坑不大,可采用砂回填冲刷后,设置完善的消能措施,包括消力池、海漫和防冲槽。先通过水力计算确定各种消能工的结构尺寸，其中消力池部分如破坏不严重或与计算尺寸相差不多，可通过设置尾槛、齿坎或消力墩等辅助消能工，用来提高消能效率；反之则应按设计尺寸重新设置，常用浆砌条石或钢筋砼护砌，厚度为0.51.0m；海漫部分则应因地制宜选取适宜护砌材料，通常有干砌石、浆砌石、钢筋砼海漫等；防冲槽则一般采用抛石防冲槽。(2)部分回填冲刷坑，采用柔性护砌如水闸下游冲刷破坏形成较大冲刷坑，往往采用砂部分回填冲刷坑后柔性护砌的处理措施。部分回填冲刷坑一方面较经济，另一方面可利用冲刷坑作为消能防冲水垫，另外通过柔性护砌，可以达到良好的加固效果；柔性护砌通常包括土工网袋装块石护砌，土工长管沙袋护砌以及土工模袋砼护砌等，比起传统的刚性护砌，柔性护砌具有如下优点：不需要围堰，可在水下施工；柔性好，能够适应河床冲刷变形；块体较大，整体稳定性好；糙率大，能够最大限度消除余能；透水性强，渗水能够自由排出；土工织物在水中使用年限长。柔性护砌通常结构型式为：面上铺层土工网袋装块石或长管沙袋或土工模袋砼，其下铺设碎石或粗砂垫层，厚2025cm，最底下铺一层土工布倒滤层。福建