某袋装砂围堰工程现场监测分析及优化设计

第１４卷　２０１４住　第９期　９月　中　国水运　ＶｏＩ．１４　Ｓｅｐｔｅｍｂｅ　ｒ　Ｎｏ　９　２０１４　Ｃｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　某袋装砂围堰工程现场监测分析及优化设计　张伟帆　（广东省航运规划设计院有限公司，广东广州５１００５０）　摘要：结合某袋装砂围堰工程，对围堰填筑过程进行了变形与应力监测分析。研究了施工塑料排水板后软土强度　增长规律，并分析了不同时间软土强度增长对围堰整体稳定性的贡献程度，提出了施工塑料排水板后二级围堰施工　前合理问歇期及插板顺序的优化方案。结合现场监测数据分析及稳定计算，验证了优化方案的可行性。　关键词：袋装砂围堰；监测；强度增长；优化设计；稳定性计算　中图分类号：Ｕ６５５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１４）０９—０３２４—０３　引言　快陆域形成，充填过程同时进行围堰内纳泥区疏浚吹填，对　围堰整体稳定不利。袋装砂围堰横断面设计图如网ｌ所示。　近年来，沿海经济的飞速发展加大＿『用地的需求，大面　积围海造地日益兴起ｌ】Ｉ。采用上工袋充填粉细砂形成围堰，　利用附近航道内疏浚土进行吹填形成陆域，此类研究及工程　围堰充填过程中开展的现场监测项目包括沉降、测斜、孔隙　水压力等。　表１　软土物理力学指标　应用已有多个成功案例ｌ２　Ｉ。大袋装砂围堰工程的关键是确保　围堰充填过程、陆域吹填以及后期使用的边界稳定，沿海地　区一般淤泥软土深厚，若在天然地基上填筑围堰，超过极限　填土高度时会发生失稳，因此必须进行软基处理。塑料排水　板排水固结法是一种行之有效的围堰软基处理方式ｌ６‘　，下卧　软土中孔隙水排出后，软土固结，强度增长。研究表明，为　节约工程造价，在围堰设计时应考虑软土强度增长＿８】。当前　研究中，强度增长对袋装砂围堰稳定的贡献程度方面研究相　对较少，特别是施工塑料排水板后二级围堰填筑节点工期控　制标准尚无明确规定。本文结合某围堰工程实例，探讨软基　处理后软土强度增长规律，分析了软土强度增长对围堰整体　稳定性的贡献程度，提出二级围堰合理填筑时刻，优化原设　二、现场监测数据分析　现场监测点布置位置如图１所示，在袋装砂围堰断面外　侧、中心线、内侧布设三只沉降标，测斜管布设于外侧，孔　隙水压力布没于围堰中心线处。　图２为围堰充填过程中沉降～时间变化曲线。由图可知，　围堰填筑初期沉降较小，施工塑料排水板后，沉降迅速增大，　最大沉降速率达１２ｍｍ／ｄ以上，围堰Ｆ卧软上中孔隙水沿　计，通过现场监测数据分析，验证了优化方案的可行性，可　供类似工程参考。　一排水通道排出，土体发生固结沉降，插板４２ｄ后，沉降速率　降至２ｍｍ／ｄ，４２ｄ间歇期消除约３５０ｍｍ的软土固结沉降。　二级围堰充填时，每加载一级袋装砂，初期沉降速率增大，　待相对沉降稳定后加载下一级。块石护面施工完毕后３个月，　沉降基本无稳定，围堰中心线累积沉降量达１，１２４ｍｍ，围　堰内、外侧沉降标因处于软基处理区域边界且上部加载有限，　累积沉降量分别为６４６ｍｍ、７０７ｒａｍ。　苦珥嚣中　蟪　、工程概况　某大袋装砂围堰工程软上深厚，达１２－２０ｍ，软土含水　率、孔隙比、强度等物理力学指标差，如表１所示。在此地　基上充填砂袋形成围堰并疏浚吹填形成陆域，难以保证边界　稳定，必须对围堰地基进行软基处理。本项目采用塑料排水　板排水固结法，排水板间距ｌｍ，正方形布设，一级围堰出　水后打设塑料排水板，间歇６０ｄ后进行二级围堰充填，为加　：　７　ｉ　ｊ　㈠　；ｉ　ｊ　ｉ㈦　ｉ　；　ｉ　　ｉ　ｉ；ｉ　　ｉｉ；　；ｉ　ｉ　ｉ　疆　．２　，　　ｌ：｛　：Ｉ：Ｉ　！　【：ｆ　：　Ｉ：　Ｉ：Ｉ　：：：宴：　冉静　：　群　ｉ　ｉ　　ｊ　ｊ　；ｊ！　ｉｉ　　ｉｉ　！Ｕ　孵　　：：：：ｉ　：：　ｊ　ｊ　；　ｊ　ｊ－７　ｊ　；　；ｉ　淞＆　图１　围堰横断面设计图　收稿日期：２０１４—０８　２５　作者简介：张伟帆（１９８１一），男，满族，河北保定人，硕士研究生，广东省航运规划设计院有限公司工程师，主要从事　港航及岩土专业的勘察、设计、监测、科研等方面工作。　第９期　张伟帆：某袋装砂嗣堰工程现场监测分析及优化没计　｛ｌ｝＋Ｕ　ｏ－：ｋ　ｔａｎ　㈨３２５　　，ｉ为，时刻上的抗剪强度（ｋＰａ），ｆ　为土的天然抗剪　强度（ｋＰａ），Ｕ，：为地基土的平均应力同结度，　：ｋ为地　ｉ：　垂直附加应力（ｋＰａ），　为地基’Ｉ：围结怏剪内摩擦角。　塑料排水板正方形布没，间距１．０ｍ，计算一级围堰施　工塑料排水板后间歇４０ｄ、６０ｄ、二级围堰完成后９０ｄ，软　土强度增长情况，见表２。一级围堰插板后间歇４０ｄ、６０ｄ，　软土强度由天然抗剪强度１　１．９２ｋＰａ分别增加到１３．５ｌｋＰａ、　图２　围堰填筑荷载一沉降量一时间曲线图　３为Ｈ习堰充填过程中不同深度孔隙水压力～时间变化　曲线。由图町知，一级围堰出水后打没蠼料排水板，孔隙水　压力迅速降低，有效应力增加，间歇期内１０ｍ深度以～ｋ范围　软土孔隙水压力消敞５￣８ｋＰａ；二级围堰从一次加载到下一　１３．８５ｋＰａ，增幅分别为１３．３３％、１６．１９％，软上随时间推　移逐渐固结，进而强度增长；二级围堰完成后９０ｄ，软１：强　度增长至１８．３５ｋＰａ，比原强度增加５３．９４％。　表２软土强度增长情况及围堰整体稳定计算结果　次加载孔隙水压力都经历了一个增长一消散一增长一消散的　过程，说明附加总应力在不断向ｌ：体有效应力转化，软上强　度增长。孔隙水压力开始消散时消散速率较快，随时间的推　移，孔压的消敞速率减慢，在后期孔压变化趋于稳定。　对袋装砂围堰而言，滑动破坏是主要的破坏形式Ｉ　，因　】此稳定计算是围堰没计的重点。采用ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ进行稳定性　分析，不同情况下围堰整体稳定性计算结果如表２、罔５所　示。若不考虑软基处理后的强度增长，稳定安全系数仪为　。Ｏ　—～一…一＿　＿”　‘ｗ　…～　一　一一　一　～＊　…～…　一…一一一　一……一一　一～　…一一一　一一～　一一…～…～—一一‘　一　　０．９７８，如图５（ａ），围堰不稳定。若考虑强度增长，按一　级围堰插板间歇期４０ｄ、６０ｄ增长的强度，计算安令系数分　别为１．１０１、１．１２８，围堰基本稳定。问歇４０ｄ与间歇６０ｄ　强度增长对稳定计算的贡献差别不大，主要冈在附加应力不　变情况下，初期强度增长幅度比后期要大的多，沉降变化趋　～……　～一…一…　２００　２５０—＿．一４‘　’一一８（１ｍ　—Ｉｌ　ｏｍ—Ｉ　３　０ｍ——一ｌ　５　ｏ—Ｈ　图３　围堰填筑荷载一孑Ｌ隙水压力一时间曲线图　图４为测斜管侧向位移～深度曲线，由图可知，围堰填筑　期间，二级围堰充填至第四层，纳泥区开始疏浚吹填后，侧　势一定程度反映了此规律。二级围堰填筑完毕后９０ｄ，考虑　强度增长的安全系数为１，４７６，如图５（Ｃ），围堰稳定。　向位移较大，最大侧向位移速率４ｍｍ／ｄ，从１５ｍ以上深度　范围发生侧向化移较大，软土层中部侧向位移最大，未发生　滑移失稳情况。护面块石施工完毕４月后，变形基本稳定，　累积最大侧向化移最２２０ｍｍ。　由最危险滑弧特征分析，一级围堰平台外侧末端处为滑　弧最深处，深度约１４．５ｍ，与现场监控测斜管深层＿Ｉ＿：体位移　监测数据基本吻合。此处为最危险滑弧中部靠近滑ｌｆ｜点部位，　约束此位置，可限制围堰的侧向变形，对围堰稳定有利。　图４测斜管侧向位移　深度曲线图　三、软土强度增长及稳定计算分析　在围堰填筑荷载作用下，孔隙水压力增大，土骨架承受　的剪应力增加足导致整体失稳的内因。施工塑料排水板后，　町以加快超静孔隙水压力的消散，有效应力增长，软土抗剪　强度随固结程度的提高而增长。　（Ｃ）考虑强度增长计算结果（按二级围堰完成后９Ｉ　强度）　图５　围堰整体稳定计算结果　四、围堰优化设计与施工　对于软粘上，软基处理后软ｔ强度增长计算公式　０如下：　３２６　中国水运　第１４卷　根据前文围堰软基处理后强度增长估计及稳定性分析结果　的，二级围堰施工节点可按沉降速率２ｍｍ／ｄ控制，该控制　标准可在的类似围堰工程借鉴参考。　参考文献　【１】张文斌，谭家华．土工布充砂袋的应用及其研究进展　海洋工程，２００４，２２（２）．　易知，施工塑料排水板后间歇期４０ｄ的软土强度即可满足整体　稳定需要，并且间歇期６０ｄ与４０ｄ强度增长对围堰整体稳定　贡献差别不大，因此可以调整原设计间歇期，由６０ｄ缩减至　４０ｄ左右。二级围堰施工节点按间歇期４２ｄ控制，沉降速率仅　２ｍｍ／ｄ，之后二级围堰充填及纳泥区疏浚吹填时，尽管二级　围堰充填第一、三层砂袋沉降速率超过预警标准１０ｍｍ／ｄ，　但测斜管最大侧向位移速率仅为４ｍｍ／ｄ，考虑了陆域吹填不　１２曹俊伟．沿海大厚度淤泥地基上模袋砂围堰设计与施工Ｕ】２１　中国水运（下半月刊），２０１３，１３（２）．　『３１阮学成．大型土工织物充灌袋在上海洋山深水港海堤建设　中的应用［１１．水运工程，２（）０６，１１．　【４】范公俊，贾延权，王艳红．几种围堰施工技术在连云港滩　涂区的应用【『Ｊ．水利水电科技进展，２（１１１，３１（１）．　利因素，围堰侧向变形仍未达预警值，表明施工过程围堰稳定　基本可控，未发生破坏性滑动。因此，二级围堰施工前的插板　间歇期６０ｄ偏保守，此优化可节约工期２０ｄ左右。　施工塑料排水板时由围堰外侧向内侧施工，优先施工最　危险滑弧中部靠近滑出点区域，该区域布设塑料排水板，可　【５】何开胜，戴济群，陈学良等．水下排水板和软体排上袋装　砂围堰吹填的监测与评估Ｕｌ１．港工技术，２００２，１．　【６１陈懿，程建华．塑料排水板堆载预压法在围垦工程软基处　增强土体强度，优先施工，使该区域软：七有更多的时间完成　孔隙水压力的消散，土体强度增长，一定程度上提高其刚性　起到约束作用，限制该部位围堰侧向变形。　五、结论　理中的应用【Ｉ１．水利与建筑工程学报，２０１０，８（２）．　【７】季家俊．软土地基上排水固结法处理围堰数值分析卟水　运工程．２０１４，１．　（１）工程实例表明，袋装砂围堰施工期进行现场监测可实　【８】李守德。仲曼．浅海吹填区围堰构造优化研究ＵＩ．公路工　程，２０１３，３８（１）．　时掌握围堰变形情况，实现信息化指导施工并为优化设计服务。　（２）通过软基处理后软士强度增长估计及稳定性计算分　析，考虑强度增长对围堰整体稳定贡献明显，结合监测数据，　【９Ｊ《港口工程地基规范》ＪＴＳ　１４７—１—２ｍ０［Ｓ］．　『】ｏ１宋为群，叶志华，彭良泉．软土地基上土工管袋围堤的稳　施工时将施工塑料排水板后间歇期由６０ｄ优化至４０ｄ是可行　（上接第３２３页）　Ｐ　２定性分析卟人民长江，２００４，（３５）１２．　西南方约１，０００ｍ。大部分区域淤幅较小，为０．０５－０．１５　１ＴＩ。　码头前沿约ｌ，０００ｍ范围局部区域内约有０．０５ｍ的冲刷。　５年后，工程处的泥沙冲淤影响范围稍大于第一年影响　０．５－０．７ｍ。最远影响范围　Ｓ￣－ｏｔｏ［１＿≥（１＋　）】　（ｄ）　范围。码头附近局部区域淤积约四、结果分析　在潮流计算的基础上，利用海底床面冲淤模型进行计算，　可得第一年海域泥沙冲淤分布情况（图７）；根据式（ｃ）可　至东北方约１，６００ｍ、西南方约１，１００ｍ。码头平台前沿约　１，０００ｍ范围局部区域约有０．１ｍ的小幅度冲刷。　得５年后的总冲淤量（图８）　码头采用桩基结构，且码头引桥轴线方向与涨、落潮流　方向大致垂直，根据桩群阻力研究ｌ６ｌ，桩基附近水流脉动性　较强，局部水流阻力增大，桩群的阻力作用很明显，总流速　减少了３０％左右。流速的降低使得水流挟沙能力的下降，泥　沙落淤。根据浙江沿海相关工程资料，一般在工程结束后４—５　年内方可达到海床冲淤平衡状态。可见随着时问的推移，潮　流环境的变化率趋于稳定，因此床面冲淤也将趋于平衡。　参考文献　图７　第一年海域泥沙冲淤分布情况　【１］李淑玲．鳌山湾水动力环境及泥沙运动特征研究『Ｄ１．青　岛：中国海洋大学，２Ｏｌ２：５８—６２．　ｆ２ｌ冯秀丽，隋倩倩，林霖等．威海靖海湾港区张家埠新港建　设对泥沙冲淤影响预测分析…．海洋科学，２（）１　１，３５（３）：　７２－７（｝．　３　《宁波海湾重工有限公司迁建工程地质勘探报告》ＩＲ１＿　中交第三航务工程勘察设计院有限公司．　【４】胡春宏，王延贵，陈森美等．浙江沿海海域泥沙变化及其　对滩涂变化的影响卟浙江水利科技，２（）１２，１２：１—４．　图８　５年后的总冲淤量　根据预测结果，码头桩群附近局部区域淤积幅度最大，　淤积约０．２５￣０．３ｍ，最远影响范围至东北方约１，３００ｍ、　『５］海湾重工报告［ＲＩ．海南省海洋开发规划设计院，２（）１１，５．　【６１刘绍云，张嘉利．桩群阻力测试的研究　华北水利水电学　院学报，２００７，２８（２）：８６—９ｆ１．