水利工程論文-真空預(yù)壓固結(jié)排水法在太浦河泵站工程堤防加固中的研究與應(yīng)用.doc

水利工程論文-真空預(yù)壓固結(jié)排水法在太浦河泵站工程堤防加固中的研究與應(yīng)用摘要：太浦河泵站進水渠滑坡處理采用了真空預(yù)壓排水板的方案，通過加固期的監(jiān)測和加固后的檢測，真空預(yù)壓達到了設(shè)計的要求，滑坡處深厚的淤泥質(zhì)土層的抗剪強度指標(biāo)得到了明顯的提高。關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓；塑料排水板；固結(jié)度；抗剪強度1概述太浦河泵站工程位于江蘇省吳江市，其修建目的主要是解決太湖枯水年份410月太湖水位較低情況下，當(dāng)太浦閘自流難以滿足下游上海市的供水要求時，通過太浦河泵站抽取太湖水補充黃浦江上游水量，滿足上海市的供水要求，改善水質(zhì)。工程主要由進出水渠、池、交通橋、攔污柵閘和泵房等建筑物組成。進水渠渠道為梯形復(fù)合斷面，全長487.7m（樁號0-543.90m0-56.20m），底寬70m，邊坡1:3，底高程-2.50m，頂高程7.00m，在3.50m高程設(shè)置寬5m的馬道，渠道邊坡采用分段襯砌，高程-2.50m3.50m采用漿砌塊石護砌，高程3.50m至堤頂采用草皮噴植，渠底根據(jù)流速的分布，部分采用漿砌塊石或混凝土護底。進水渠堤防按1級建筑物設(shè)計。施工期間，2001年11月3日在進水渠南堤樁號0-413.00m0-475.00m范圍內(nèi)發(fā)生滑坡，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，堤腳向渠中心滑移30m左右，順堤軸線方向在坡面上出現(xiàn)寬度和深淺不一的較多縱向裂縫，堤腳的滑動面呈自然坡狀態(tài)，未出現(xiàn)隆起現(xiàn)象?；掳l(fā)生后，為了盡快清理滑坡現(xiàn)場，恢復(fù)原設(shè)計的堤防并保證其安全，設(shè)計擬定出兩個滑坡處理方案：水泥土攪拌樁加固和塑料排水板真空預(yù)壓加固。在對方案進行施工現(xiàn)場條件、工期、處理費用等技術(shù)經(jīng)濟比較后，最后決定采用塑料排水板真空預(yù)壓加固處理方案。2工程地質(zhì)條件根據(jù)工程地質(zhì)報告，滑坡部位原天然地面高程約為5.30m。典型地質(zhì)剖面見圖1，主要土層的部分物理力學(xué)指標(biāo)見表1。其中3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土強度很低，屬高壓縮性土，且含有機質(zhì)土。該層頂面高程基本保持在1.30m1.80m左右，底部高程自西向東由-5.06m抬高到-0.32m，最厚處達6.9m。進水渠滑坡部位的渠底進入了3層土。渠堤穩(wěn)定分析表明，3土是影響進水渠岸坡穩(wěn)定的主要土層。圖1典型地質(zhì)剖面圖表1滑坡部位土層物理力學(xué)指標(biāo)層號土層描述天然容重kN/m3飽和容重kN/m3含水量%飽和度%壓縮系數(shù)MP-1固快指標(biāo)（峰值）CkPa度1粉質(zhì)粘土水上17.818.729.4870.318.032水下18.718.832.4988.0302粉質(zhì)壤土18.718.839.21000.1913223淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土17.817.851.71000.7716161粉質(zhì)粘20.020.120.0990.154020土2重粉質(zhì)壤土19.419.419.31000.1932203輕砂壤土18.918.919.1990.12835粉質(zhì)粘土19.019.034.6980.381816粉質(zhì)粘土20.420.523.9990.1255243滑坡原因分析發(fā)生滑坡的原因是多方面的，這和該段的水文地質(zhì)條件以及當(dāng)時的氣候條件等都有著密切的聯(lián)系，經(jīng)分析研究，認(rèn)為發(fā)生滑坡的主要原因如下：（1）經(jīng)過現(xiàn)場查勘和實際測量，對照滑坡體測量圖，發(fā)現(xiàn)滑坡體附近的3層土基本上處于地質(zhì)剖面圖中的最深處，最大深度達6.9m，另一方面，該段3層土的實際物理力學(xué)指標(biāo)遠較預(yù)料中的為低應(yīng)是導(dǎo)致該處邊坡失穩(wěn)的主要原因。（2）滑坡的前一天下雨，雨水滲入土坡，使土體基本處于飽和狀態(tài)，由此土的物理力學(xué)指標(biāo)進一步降低；另一方面，外坡的水塘一直有水，使堤防的浸潤線抬高，增加了滲透壓力。（3）太浦河泵站的進水渠屬于挖、填結(jié)合型，渠道為新開挖，渠道開挖屬于卸荷過程，堤防回填高約3m，屬加荷過程。渠道的開挖和回填幾乎同時進行，工序集中，時間短促（先回填，后開挖，回填約三個月，開挖約一個月）。此外，由于進水渠邊坡土體主要由滲透性能差、固結(jié)緩慢的粘土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土組成，在快速加荷、卸荷過程中易于產(chǎn)生較大孔隙水壓力并較大幅度降低土體抗剪強度。4處理方案擬訂對滑坡的處理一般采用改變堤防的斷面或堤線位置，采取堤頂卸載或堤腳堆載的辦法，由于進水渠的河道斷面及堤頂高程必須滿足過流和防洪要求，因此該處理辦法在本工程不適用；對滑坡的處理另一種方法是處理堤基，提高堤基土的物理力學(xué)指標(biāo)和抗滑能力，設(shè)計先后考慮了兩個方案：一是采用水泥攪拌樁加固堤基，二是采用塑料排水板真空預(yù)壓加固堤基，對上述兩個方案進行施工現(xiàn)場條件、工期、加固方案費用等技術(shù)經(jīng)濟比較后，采用方案二。處理的具體步驟：滑坡體修整、真空預(yù)壓的施工、渠堤回填、邊坡修正。5真空預(yù)壓設(shè)計5.1塑料排水板布置范圍根據(jù)滑坡發(fā)生的范圍和附近區(qū)域的工程地質(zhì)資料，塑料排水板布置的范圍為順?biāo)飨驈臉短?-496.30m0-390.10m，垂直水流方向包含整個進水渠南堤寬度再往進水渠延伸15m，總加固面積約5400m2。排水板布置剖面圖見圖2。圖2排水板布置剖面圖5.2塑料排水板布置排水板尺寸為100mm4mm，在滑坡中心區(qū)樁號0-478.30m0-408.10m之間70.2m范圍內(nèi)，排水板間距1.3m，按三角形布置。在滑坡區(qū)兩側(cè)樁號0-496.30m0-478.30m之間及0-408.10m0-390.10m之間各18m范圍內(nèi)，排水板間距以1.5m、2.0m、2.5m間隔按三角形布置。本工程加固的主要對象是3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，以渠堤穩(wěn)定為控制條件，所以排水板的長度根據(jù)最危險滑弧的深度來確定。根據(jù)土層地質(zhì)資料分析和穩(wěn)定計算結(jié)果，最危險滑弧底部高程與3層土底部相切，所以排水板必須穿過3層土，最后確定排水板底高程-9.00m。在排水板頂部鋪設(shè)0.50m厚的砂墊層，當(dāng)中布置濾水管，砂墊層上鋪設(shè)2層密封膜。采用射流真空泵抽真空，預(yù)壓期間泵真空壓力不小于96kPa，膜內(nèi)真空度不小于80kPa。5.3地基固結(jié)度計算固結(jié)度計算的目的是通過計算固結(jié)度，推求地基強度的增長，據(jù)此進行穩(wěn)定分析，在此基礎(chǔ)上判斷排水系統(tǒng)布置的合理性并確定真空預(yù)壓的施工期。.固結(jié)度根據(jù)三向固結(jié)軸對稱問題的解析解進行計算，計算參數(shù)和結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可以看出，徑向固結(jié)度遠大于豎向固結(jié)度，地基主要是通過徑向排水固結(jié)的。由此可見，在地質(zhì)情況確定的情況下，固結(jié)度主要受排水板平面布置的影響，過大的排水板深度無利于固結(jié)度的提高。5.4抗剪強度增長值的推算由于滑坡后土體受到很大的擾動，在滑坡區(qū)域進行的十字板試驗抗剪強度隨深度的變化的規(guī)律比較紊亂，設(shè)計根據(jù)滑坡體外試驗點的試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合以后進行抗剪強度增長值的推算。經(jīng)過推算，經(jīng)過60天的預(yù)壓達到88%固結(jié)度的時候，推算的平均不排水抗剪強度為31kPa。經(jīng)穩(wěn)定分析，該強度指標(biāo)可以滿足渠堤穩(wěn)定的要求。表2固結(jié)度計算參數(shù)及計算結(jié)果水平固結(jié)系數(shù)Cr(cm2/s)豎向固結(jié)系數(shù)Cv(cm2/s)井徑比n豎向排水距離（m）30天固結(jié)度（%）45天固結(jié)度（%）60天固結(jié)度（%）徑向Ur豎向Uv全部U徑向Ur豎向Uv全部U徑向Ur豎向Uv總量U3.1410-33.1410-328116120697621738522886真空預(yù)壓施工6.1施工工序修整滑坡體鋪設(shè)砂墊層打插塑料排水板在砂墊層中埋設(shè)濾水管在加固區(qū)邊緣挖溝鋪密封膜、填溝安裝抽氣管道和射流真空泵檢驗密封情況并抽氣6.2主要施工工藝及質(zhì)量控制要點砂墊層厚500mm，選用級配良好的中粗砂，要求含泥量310-3cm/s。在打插排水板的過程中嚴(yán)格控制排水板的間距和深度，并注意保護板表面的濾水膜，防止其損壞而失去反濾的效果。濾水管采用D100的PVC穿孔管外包無紡布，安放在砂墊層中間，平行布置，間距5m，兩端接集水管。在砂墊層上鋪設(shè)兩層聚氯乙烯塑料密封膜，需要連接的地方用熱合粘接，搭接寬度大于20mm。嚴(yán)格保證加固區(qū)域的氣密性。首先是加強對密封膜的保護，為了防止砂墊層刺破密封膜，在砂墊層和密封膜之間鋪設(shè)了一層土工布。加固區(qū)四周挖了深度1m的梯形密封溝，將密封膜周邊貼土鋪設(shè)過溝后，在膜上填土壓實。在抽真空過程中，要注意檢查漏氣情況，及時修補。在加固區(qū)四周布置了6臺射流真空泵，每臺泵平均控制面積為900m2。為避免停泵后膜內(nèi)真空度急劇下降，在真空泵和出水管的連接處布置有逆止閥和截門。7過程監(jiān)測為了驗證加固處理的效果，并保證施工期間渠堤的安全，在真空預(yù)壓期間進行了持續(xù)的表面沉降、水平位移等監(jiān)測。7.1表面沉降預(yù)壓60天以后，最大沉降為322mm，最小沉降為136mm，平均沉降值為224mm。從實測結(jié)果可以看出，在開始抽真空的30天以內(nèi)，表面沉降量比較大，前10天、20天和30天的沉降量分別占到總沉降量的45%、70%和78%，以后曲線變化趨于平緩。7.2水平位移由實測的土層隨時間和空間的水平位移數(shù)據(jù)可以看出加固區(qū)土層的變形是指向渠內(nèi)的。水平變位主要發(fā)生在深度小于8m的上部土層，最大水平位移總是發(fā)生在深度小于2m的土層。從時間上看，抽真空的初期側(cè)向變形速率較大，30天以后變形趨緩。三根測斜管的最大水平位移分別為66mm、47mm和53mm。8加固效果檢測分析8.1固結(jié)度分析利用實測的沉降量與時間關(guān)系曲線，根據(jù)下式可以推求地基的最終沉降量S式中S1、S2和S3為在停止預(yù)壓以后的沉降時間關(guān)系曲線上任取的三個時間T1、T2和T3（令T3T2T2T1）對應(yīng)的沉降量。據(jù)此求得地基最終沉降量S=238mm，由60天的平均沉降量S60=224mm求得相應(yīng)的固結(jié)度U60=94%，滿足設(shè)計提出的固結(jié)度要求。8.2力學(xué)強度指標(biāo)分析為了檢驗地基土物理力學(xué)指標(biāo)在加固前后的變化，預(yù)壓前在加固區(qū)內(nèi)外進行了7孔十字板剪切和9孔靜力觸探試驗，預(yù)壓結(jié)束以后進行了其中3孔十字板剪切和1孔靜力觸探試驗。預(yù)壓前后力學(xué)指標(biāo)比較見表3。表3真空預(yù)壓加固處理前后淤泥層力學(xué)指標(biāo)對比十字板剪切