真空预压固结排水法在太浦河泵站工程堤防加固中的研究与应用

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1、概述

    太浦河泵站工程位于江苏省吴江市，其修建目的主要是解决太湖枯水年份4～10月太湖水位较低情况下，当太浦闸自流难以满足下游上海市的供水要求时，通过太浦河泵站抽取太湖水补充黄浦江上游水量，满足上海市的供水要求，改善水质。工程主要由进出水渠、池、交通桥、拦污栅闸和泵房等建筑物组成。进水渠渠道为梯形复合断面，全长487.7m（桩号0-543.90m~0-56.20m），底宽70m，边坡1:3，底高程-2.50m，顶高程7.00m，在3.50m高程设置宽5m的马道，渠道边坡采用分段衬砌，高程-2.50m~3.50m采用浆砌块石护砌，高程3.50m至堤顶采用草皮喷植，渠底根据流速的分布，部分采用浆砌块石或混凝土护底。进水渠堤防按1级建筑物设计。     施工期间，2001年11月3日在进水渠南堤桩号0-413.00m~0-475.00m范围内发生滑坡，经现场踏勘，堤脚向渠中心滑移30m左右，顺堤轴线方向在坡面上出现宽度和深浅不一的较多纵向裂缝，堤脚的滑动面呈自然坡状态，未出现隆起现象。     滑坡发生后，为了尽快清理滑坡现场，恢复原设计的堤防并保证其安全，设计拟定出两个滑坡处理方案：水泥土搅拌桩加固和塑料排水板真空预压加固。在对方案进行施工现场条件、工期、处理费用等技术经济比较后，最后决定采用塑料排水板真空预压加固处理方案。     2、工程地质条件     根据工程地质报告，滑坡部位原天然地面高程约为5.30m。典型地质剖面见图1，主要土层的部分物理力学指标见表1。其中②3层淤泥质粉质粘土强度很低，属高压缩性土，且含有机质土。该层顶面高程基本保持在1.30m~1.80m左右，底部高程自西向东由-5.06m抬高到-0.32m，最厚处达6.9m。进水渠滑坡部位的渠底进入了②3层土。渠堤稳定分析表明，②₃土是影响进水渠岸坡稳定的主要土层。 图1 典型地质剖面图 表1   滑坡部位土层物理力学指标 层号 土层描述 天然容重kN/m³ 饱和容重 kN/m³ 含水量% 饱和度% 压缩系数 MP^-1 固快指标（峰值） C kPa φ度                          ①₁ 粉质粘土 水上17.8 18.7 29.4 87 0.31 8.0 32 水下18.7 18.8 32.4 98 8.0 30 ②₂ 粉质壤土 18.7 18.8 39.2 100 0.19 13 22 ②₃ 淤泥质粉质粘土 17.8 17.8 51.7 100 0.77 16 16 ③₁ 粉质粘土 20.0 20.1 20.0 99 0.15 40 20 ③₂ 重粉质壤土 19.4 19.4 19.3 100 0.19 32 20 ③₃ 轻砂壤土 18.9 18.9 19.1 99 0.12 8 35 ⑤ 粉质粘土 19.0 19.0 34.6 98 0.38 18 16 ⑥ 粉质粘土 20.4 20.5 23.9 99 0.12 55 24       3、滑坡原因分析     发生滑坡的原因是多方面的，这和该段的水文地质条件以及当时的气候条件等都有着密切的联系，经分析研究，认为发生滑坡的主要原因如下：     （1）经过现场查勘和实际测量，对照滑坡体测量图，发现滑坡体附近的②3层土基本上处于地质剖面图中的最深处，最大深度达6.9m，另一方面，该段②3层土的实际物理力学指标远较预料中的为低应是导致该处边坡失稳的主要原因。     （2）滑坡的前一天下雨，雨水渗入土坡，使土体基本处于饱和状态，由此土的物理力学指标进一步降低；另一方面，外坡的水塘一直有水，使堤防的浸润线抬高，增加了渗透压力。     （3）太浦河泵站的进水渠属于挖、填结合型，渠道为新开挖，渠道开挖属于卸荷过程，堤防回填高约3m，属加荷过程。渠道的开挖和回填几乎同时进行，工序集中，时间短促（先回填，后开挖，回填约三个月，开挖约一个月）。此外，由于进水渠边坡土体主要由渗透性能差、固结缓慢的粘土及淤泥质粉质粘土组成，在快速加荷、卸荷过程中易于产生较大孔隙水压力并较大幅度降低土体抗剪强度。     4、处理方案拟订     对滑坡的处理一般采用改变堤防的断面或堤线位置，采取堤顶卸载或堤脚堆载的办法，由于进水渠的河道断面及堤顶高程必须满足过流和防洪要求，因此该处理办法在本工程不适用；对滑坡的处理另一种方法是处理堤基，提高堤基土的物理力学指标和抗滑能力，设计先后考虑了两个方案：一是采用水泥搅拌桩加固堤基，二是采用塑料排水板真空预压加固堤基，对上述两个方案进行施工现场条件、工期、加固方案费用等技术经济比较后，采用方案二。     处理的具体步骤：滑坡体修整、真空预压的施工、渠堤回填、边坡修正。     5、真空预压设计     5.1塑料排水板布置范围     根据滑坡发生的范围和附近区域的工程地质资料，塑料排水板布置的范围为顺水流向从桩号0-496.30m~0-390.10m，垂直水流方向包含整个进水渠南堤宽度再往进水渠延伸15m，总加固面积约5400m²。排水板布置剖面图见图2。 图2  排水板布置剖面图     5.2塑料排水板布置     排水板尺寸为100mm×4mm，在滑坡中心区桩号0-478.30m~0-408.10m之间70.2m范围内，排水板间距1.3m，按三角形布置。在滑坡区两侧桩号0-496.30m~0-478.30m之间及0-408.10m~0-390.10m之间各18m范围内，排水板间距以1.5m、2.0m、2.5m间隔按三角形布置。本工程加固的主要对象是②3层淤泥质粉质粘土，以渠堤稳定为控制条件，所以排水板的长度根据最危险滑弧的深度来确定。根据土层地质资料分析和稳定计算结果，最危险滑弧底部高程与②3层土底部相切，所以排水板必须穿过②3层土，最后确定排水板底高程-9.00m。在排水板顶部铺设0.50m厚的砂垫层，当中布置滤水管，砂垫层上铺设2层密封膜。采用射流真空泵抽真空，预压期间泵真空压力不小于96kPa，膜内真空度不小于80kPa。     5.3地基固结度计算     固结度计算的目的是通过计算固结度，推求地基强度的增长，据此进行稳定分析，在此基础上判断排水系统布置的合理性并确定真空预压的施工期。.固结度根据三向固结轴对称问题的解析解进行计算，计算参数和结果见表2。由计算结果可以看出，径向固结度远大于竖向固结度，地基主要是通过径向排水固结的。由此可见，在地质情况确定的情况下，固结度主要受排水板平面布置的影响，过大的排水板深度无利于固结度的提高。     5.4抗剪强度增长值的推算     由于滑坡后土体受到很大的扰动，在滑坡区域进行的十字板试验抗剪强度随深度的变化的规律比较紊乱，设计根据滑坡体外试验点的试验数据进行线性拟合以后进行抗剪强度增长值的推算。经过推算，经过60天的预压达到88%固结度的时候，推算的平均不排水抗剪强度为31kPa。经稳定分析，该强度指标可以满足渠堤稳定的要求。 表2   固结度计算参数及计算结果 水平固结系数C_r (cm²/s) 竖向固结系数C_v(cm²/s) 井径比n 竖向排水距离（m） 30天固结度 （%） 45天固结度 （%） 60天固结度 （%） 径向 U_r 竖向 U_v 全 部 U 径向 U_r 竖向 U_v 全部 U 径向 U_r 竖向 U_v 总量 U 3.14×10^-3 3.14×10^-3 28 11 61 20 69 76 21 73 85 22 88       6、真空预压施工     6.1施工工序     修整滑坡体－铺设砂垫层－打插塑料排水板－在砂垫层中埋设滤水管－在加固区边缘挖沟－铺密封膜、填沟－安装抽气管道和射流真空泵－检验密封情况并抽气     6.2主要施工工艺及质量控制要点     ①砂垫层厚500mm，选用级配良好的中粗砂，要求含泥量<3%，渗透系数>3×10-3cm/s。     ②在打插排水板的过程中严格控制排水板的间距和深度，并注意保护板表面的滤水膜，防止其损坏而失去反滤的效果。     ③滤水管采用D100的PVC穿孔管外包无纺布，安放在砂垫层中间，平行布置，间距5m，两端接集水管。     ④在砂垫层上铺设两层聚氯乙烯塑料密封膜，需要连接的地方用热合粘接，搭接宽度大于20mm。严格保证加固区域的气密性。首先是加强对密封膜的保护，为了防止砂垫层刺破密封膜，在砂垫层和密封膜之间铺设了一层土工布。加固区四周挖了深度1m的梯形密封沟，将密封膜周边贴土铺设过沟后，在膜上填土压实。在抽真空过程中，要注意检查漏气情况，及时修补。     ⑤在加固区四周布置了6台射流真空泵，每台泵平均控制面积为900m²。为避免停泵后膜内真空度急剧下降，在真空泵和出水管的连接处布置有逆止阀和截门。     7、过程监测     为了验证加固处理的效果，并保证施工期间渠堤的安全，在真空预压期间进行了持续的表面沉降、水平位移等监测。     7.1表面沉降     预压60天以后，最大沉降为322mm，最小沉降为136mm，平均沉降值为224mm。从实测结果可以看出，在开始抽真空的30天以内，表面沉降量比较大，前10天、20天和30天的沉降量分别占到总沉降量的45%、70%和78%，以后曲线变化趋于平缓。     7.2水平位移     由实测的土层随时间和空间的水平位移数据可以看出加固区土层的变形是指向渠内的。水平变位主要发生在深度小于8m的上部土层，最大水平位移总是发生在深度小于2m的土层。从时间上看，抽真空的初期侧向变形速率较大，30天以后变形趋缓。三根测斜管的最大水平位移分别为66mm、47mm和53mm。     8、加固效果检测分析     8.1固结度分析     利用实测的沉降量与时间关系曲线，根据下式可以推求地基的最终沉降量S_∞        式中S₁ 、S₂ 和S₃为在停止预压以后的沉降－时间关系曲线上任取的三个时间T₁ 、T₂ 和T₃（令T₃－T₂ ＝ T₂－T₁ ）对应的沉降量。据此求得地基最终沉降量S=238mm，由60天的平均沉降量S₆₀=224mm求得相应的固结度U₆₀=94%，满足设计提出的固结度要求。     8.2力学强度指标分析     为了检验地基土物理力学指标在加固前后的变化，预压前在加固区内外进行了7孔十字板剪切和9孔静力触探试验，预压结束以后进行了其中3孔十字板剪切和1孔静力触探试验。预压前后力学指标比较见表3。      表3    真空预压加固处理前后淤泥层力学指标对比 十字板剪切不排水强度C_u （kPa） 静力触探比贯入阻力P_S（kPa） 预压前 预压后 前后比值 预压前 预压后 前后比值 16.4 47.3 2.88 221 1409 6.40 最大值74，最小值21.9，19点平均值47.3，均方差为17.5 -0.6~-5.4m深度范围内的平均值       由试验结果可以看出，经过真空预压加固处理以后，淤泥质土层的抗剪强度得到了显著的提高，达到了原来值的2.88倍，并大于设计推算的平均不排水抗剪强度31kPa，可以满足渠堤稳定要求。     9、结语     （1）深厚的淤泥质土层经过真空预压处理后，抗剪强度指标能得到显著提高。     （2）在塑料排水板真空预压加固处理中，水平径向固结度远大于竖向固结度，土体固结主要靠径向排水固结。     （3）土体大部分的固结发生在预压2个月左右，固结速率表现为前期很大，后期明显变小。因此，从经济角度出发，在满足加固效果的前提下，可以合理缩短后期预压时间和适当减少后期部分预压设备的运行。     （4）施工过程中注意加强气密性检查和修补是保证预压效果的重要环节。