钢管土袋围堰施工技术探析

5.3.2.1　工程区地质条件

(1)区域地质。

草海区域属于“康滇台背斜”与“滇东台褶带”交界区，地处南岭纬向构造带、川滇经向构造带与道海山字形构造及华夏系构造的交接地区。受区域性构造的影响，工程区区域地质构造较发育，以南北向构造体系为主，北东及东西向构造体系次之。滇池由断陷盆地形成，与工程区有关的区域断裂是普渡河断裂，由北向南经昆明西山与滇池边向北延伸，断裂控制了滇池盆地西缘，总体走向近南北，全长约200km。

根据1∶400万《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，工程区50年超越概率10%的地震水平动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.45s；依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，昆明抗震设防烈度为Ⅷ度，设计地震分组为第三组。

(2)场地工程地质条件。

※地基岩土特征

经地质勘察场地地基土层主要为第四系湖积层(Q4l)，按成因类型、岩性组成及力学强度等可分为6个大层、4个亚层及坝土层：

①坝土层：坝体上下两侧为碎石、块石堆积物，中间为土黄色含碎石黏土，碎石含量变化大，一般为15%～30%，上、下部含量较高，最高可达40%～50%。坝土上部为厚0.3～0.5m的碎石铺盖，密实。坝土底界起伏较大，一般厚度2.7～13.80m，平均5.10m，坝体结构受地下水影响很大，地下水位(约2.00～2.60m)以上坝土呈硬塑状。

②泥炭质土：为水面下的底淤层，黑色—褐黑色。主要由植物腐烂碳化而成，含22%～67%的有机物及半碳化的植物残体，局部有机质含量达76%，已呈泥炭(草煤)，有臭味，富含有机质，具纤维海绵状结构，松软，干后极轻，强度极低，该层土质不均匀，厚度0.30～5.60m，平均2.49m，厚度变化较大；液性指数IL为0.62～8.41，塑性指数IP为20.30～121.80，压缩系数a1-2为1.58MPa-1～11.76MPa-1，平均a1-2为4.64MPa-1，属高等压缩性土，压缩模量Es1-2为0.70MPa～1.70MPa，平均Es1-2为1.10MPa，黏聚力c为8.0kPa～26.00kPa，内摩擦角Φ为2.7°～14.77°。

③淤泥质土：灰—深灰色，流塑—软塑状，富含大量植物根须，分布比较稳定，厚度0.60～8.80m，平均4.30m，顶板埋深为0.00～13.80m，顶板高程1873.94～1885.50m，底板高程1872.04～1882.20m，厚度变化较大；液性指数IL为0.67～2.20，塑性指数IP为11.00～46.3，压缩系数a1-2为0.11MPa-1～5.39MPa-1，平均a1-2为1.87MPa-1，属高等压缩性土，压缩模量Es1-2为1.70MPa～17.30MPa。平均Es1-2为4.06MPa，黏聚力c为6.3kPa～32.70kPa，内摩擦角Φ为2.26°～18.9°；标准贯入试验N为2～8击，校正后的平均贯入击数标准值为2.3击。

④粉质黏土混粉砂：灰、浅灰色，呈饱和状，结构为稍密—中密状，局部含有粉土、粉砂，分布比较稳定，厚度1.00～13.49m，平均3.93m，顶板埋深为2.20～15.70m，顶板高程1872.04～1882.20m，底板高程1865.73～1880.80m，厚度变化较大；液性指数IL为0.12～1.47，塑性指数IP为2.60～20.70，压缩系数a1-2为0.06MPa-1～0.85MPa-1，平均a1-2为0.25MPa-1，属中—高等压缩性土，压缩模量Es1-2为2.80MPa～28.70MPa。平均Es1-2为10.81MPa，黏聚力c为4.60kPa～44.0kPa，内摩擦角Φ为10.40°～32.63°；标准贯入试验N为4～18击，校正后的平均贯入击数为标准值5.4击。

⑤1层粉质黏土：为③层亚层，呈透镜体状，灰褐、深灰色，呈软塑状，厚度0.50～3.40m，平均1.63m，土层分布及厚度不均匀，强度低。

⑥淤泥质粉质黏土：呈灰绿、深灰色，呈可塑状，局部软塑状，分布比较稳定，厚度0.76～10.45m，平均5.26m，最浅埋深6.60m，最大埋深18.50m，顶板埋深为6.60～18.50m，顶板高程1865.73～1877.40m，底板高程1859.72～1873.95m，厚度变化较大；液性指数IL为0.71～1.47，塑性指数IP为8.10～27.30，压缩系数a1-2为0.33MPa-1～1.57MPa-1，平均a1-2为0.96MPa-1，属中—高等压缩性土，压缩模量Es1-2为1.70MPa～5.70MPa。平均Es1-2为2.89MPa，黏聚力c为6kPa～48.00kPa，内摩擦角Φ为5.1°～20.50°；标准贯入试验N为4～12击，校正后的平均贯入击数标准值为4.2击。

⑦粉质黏土混粉砂：灰、深灰色，呈饱和状，结构为稍密—中密状，局部含有粉土、粉砂，分布比较稳定，局部勘探未能揭露底界(ZK14)，厚度0.70～13.27m，平均5.79m，最浅埋深11.00m，最大埋深26.28m，顶板埋深为11.00～26.28m，顶板高程1857.95～1873.95m，底板高程1852.68～1870.95m，厚度变化较大；液性指数IL为0.04～3.50，塑性指数IP为9.20～33.00，压缩系数a1-2为0.08MPa-1～1.24MPa-1，平均a1-2为0.55MPa-1，属中—高等压缩性土，压缩模量Es1-2为2.10MPa～22.10MPa。平均Es1-2为5.76MPa，黏聚力c为10.70kPa～41.00kPa，内摩擦角Φ为3.80°～22.60°；标准贯入试验N为11～56击，校正后的平均贯入击数标准值为9.5击。

⑧1层泥炭质土：为⑤层亚层，呈饱和软塑状透镜体，厚度0.5～5.00m，平均厚度约1.95m，土层分布及厚度不均匀，强度低。

⑨黏土：呈灰绿、灰褐、深灰色，呈可塑状，局部软塑状，力学强度差异大，而且埋藏深，勘探未能揭露底界，厚度0.68～10.15m，平均5.19m，最浅埋深18.50m，最大埋深33.75m。顶板埋深为18.50～33.75m，顶板高程1850.30～1866.45m；液性指数IL为0.36～1.20，塑性指数IP为10.40～32.30，压缩性系数a1-2为0.16MPa-1～0.95MPa-1，平均a1-2为0.73MPa-1，属中—高等压缩性土，压缩模量Es1-2为2.40MPa～10.90MPa。平均Es1-2为3.96MPa，黏聚力c为10.00kPa～24.00kPa，内摩擦角Φ为4.20°～17.20°；标准贯入试验N为5～20击，校正后的平均贯入击数标准值为2.7击。

⑩1层泥炭质土：为⑥层亚层，呈饱和软塑状透镜体，厚度0.10～5.21m，平均厚度1.34m，土层分布及厚度不均匀，强度低。

⑪层粉砂：为⑥层亚层，呈饱和状透镜体，结构为稍密—中密状，厚度1.0～10.10m，平均厚度约5.04m，强度低。

※腐蚀性

草海水pH值为7.69～7.80，属弱碱性水，侵蚀性CO2含量为1.05～2.63mg/L，总硬度为190.17～214.27mg/L；地下水的pH值为6.89～7.14，属弱酸—弱碱性水，侵蚀性CO2含量为0.00～47.35mg/L，总硬度为348.19～749.95mg/L。根据试验分析成果，草海水属HCO3-Ca型水，地下水属HCO3-CaKNa及HCO3-CaMg型水。对钢材具有微—弱腐蚀性。

表5.7　摇堰基土层主要物理力学指标建议值

场地范围内及周边土层分布稳定，性状相同，根据勘察施工钻孔土样腐蚀性分析，地基土层对钢结构具有微腐蚀性。

※地震效应

根据场地地脉动测试成果，场地东西(EW)向卓越周期TS为0.26s；南北(SN)向卓越周期TS为0.24s；垂直(VR)向卓越周期TS为0.25s。

※场地土类型与建筑场地类别

场地在20m深度范围内地基土层等效剪切波速值(Vse)在167～213m/s之间，平均Vse为188m/s，工程区场地土的类型为中软基场地土类型(250≥Vse＞140)，场地土类别为中软地基土及轻微液化粉砂。工程场地覆盖层厚度远大于50m，工程区场地属Ⅲ类建筑场地。

软土震陷：场地20m深度范围内分布有：泥炭质土；淤泥质土。承载力特征建议值fak为40kPa及fak为80kPa，属软土层，在Ⅷ度地震工况下，可能存在软土震陷问题，需考虑软土震陷影响。

※地基土液化

场地地表以下20m深度范围内，主要分布有粉质黏土混粉砂中的粉土、粉砂，均位于地下水位以下，局部含饱和粉土、粉砂。

液化判别方法：

①依据黏粒含量初步判定第③⑤层：

根据室内试验成果第③层黏粒含量为1.5%～11%，第⑤层黏粒含量为11%～18%，按昆明地区抗震设防烈度为Ⅷ度，初判地基土中的粉土、粉砂层存在液化的可能。

②依据标准贯入法试验详判液化：

由于第③层粉质黏土混粉砂中的黏粒含量1.5%～11%，故存在液化的可能较大，因此利用标准贯入法进行液化详判，从工程区内第③层中取具代表性的粉土、粉砂层进行室内试验和现场标准贯入法试验提取基本参数进行计算；该层室内试验液化系数Y为0.311～3.596，液化指数IlE为3.026～40.598。

第⑤层的粉质黏土混粉砂中大部分试样的黏粒含量11%～18%，但大部分的粉土、粉砂层埋藏深度大于20m，故存在液化的可能较小，因此对埋藏深度小于20m的粉砂利用标准贯入法进行液化详判；该层室内试验液化系数Y＞0，液化指数IlE＜0。

按昆明地区发生Ⅷ度近震的工况考虑，判别深度为20m深度以内的土层，当土地层中黏粒含量不小于13%时，可判为不液化；当土地层中黏粒含量小于13%时，经计算结果分析：第③层内的粉土、粉砂存在砂土液化问题，属轻微液化—严重液化土层；第⑤层内的粉土、粉砂不存在砂土液化问题。

(3)基础持力层及基础形式。

1)基础持力层选择

根据勘探揭露结合地基土的室内物理力学性试验，地基土的工程地质特征如下。

①层泥炭质土：呈饱和流塑—软塑状，土体结构松散，欠固结，具高压缩性，厚度薄，力学强度低，不能作基础持力层，承载力特征值fak为40kPa。

②层淤泥质土：呈饱和流塑—软塑状，富含大量植物根须，具高压缩性，承载力特征值fak为80kPa，力学强度低，不能作基础持力层。

③层粉质黏土混粉砂：呈饱和状，结构稍密—中密状，具中—高等压缩性，承载力特征值fak为170kPa；该层埋深较浅，厚度变化较大，为轻微液化—严重液化土层，且埋藏较浅，不宜作为桩基础持力层。

④层淤泥质粉质黏土：呈饱和状，结构稍密状，具高等压缩性，承载力特征值fak为100kPa；该层埋深较浅，厚度变化较大，不宜作为桩基础持力层。

⑤层粉质黏土混粉砂：呈饱和状，结构为稍密—中密状，分布比较稳定，具中—高等压缩性，承载力特征值fak为200kPa。据拟建场地工程特征对地基土的要求，该层是场地内较好的桩基础持力层。

⑥层黏土：呈饱和状，结构稍密状，具中—高等压缩性，承载力特征值fak为100kPa；该层勘探未能揭露底界。根据拟建场地工程特征对地基土的要求，该层也是本场地较好的桩基础持力层，但做桩基础的持力层埋藏较深。

本工程上部建筑荷载变化较大或变形要求高，基础建议采用钢管桩基，以地基土中⑤层为桩基础桩端持力层。

2)基础形式

场地内地基土层具多层结构且分布不匀，土层多为软—硬塑状土层，土层物理力学性质差异大，其空间分布和厚度变化也较大，结合场地工程地质条件，考虑场地总体抗滑稳定性，地基处理建议采用钢管桩，以第⑤层粉质黏土混粉砂作为桩端持力层，取用桩径D为800mm，桩长L为15～22m，桩端需穿过第⑤1层的泥炭质土，将桩尖置于第⑤1层以下的层中。(www.xing528.com)

3)桩基负摩阻力

根据现场地质调查及钻孔勘探，泥炭质土、淤泥质土主要为有机物及半碳化的植物残体，呈流塑—软塑状，因此，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)，泥炭质土、淤泥质土的负摩阻力系数ξn、中性点深度Ln以桩端持力层为粉质黏土混粉砂取值。建议负摩阻力系数ξn为0.15、中性点深度Ln为0.50。

5.3.2.2　围堰设计

(1)设计标准。

参照《水利水电工程围堰设计规范》(SL645～2013)，保护对象工程建筑物级别为4级；堰体高度小于15m，库容小于0.1亿m3，确定围堰工程级别为5级。围堰为土石结构，相应的防洪标准为5～10年一遇洪水重现期。

(2)堰顶高程。

根据《堤防工程设计规范》(GB50286-2013)(以下简称规范)选用以下公式：

式中：Y为堤顶超高(m)；R为设计波浪爬高(m)，可按本规范附录C计算；e为设计风壅水面高度(m)，可按本规范附录C计算确定；对于海堤，当设计高潮位中包括风壅水面高度时，不另计；A为安全加高值，按本规范表3.2.1确定(m)。

表5.8　钢管桩施工地质参数建议值表

安全超高取值见表5.9。

表5.9　堤防工程安全加高值(m)

波浪爬高计算公式：

当斜坡坡率m=1.5～5.0、H/L≥0.025时，可按下列公式计算：

式中：RP为累计频率P的波浪爬高(m)；KΔ为斜坡的糙率及渗透性系数，根据护面类型按规范中表C.3.1-1确定；Kv为经验系数，可根据风速v(m/s)、堤前水深d(m)、重力加速度g(m/s2)组成的无维量，按表C.3.1-2确定。Kp为表示RP和平均爬高比值RP/的爬高累积频率换算系数，可按表C.3.1-3确定，对不允许越浪的堤防，爬高累积频率宜取2%；对允许越浪的堤防，应根据越浪量大小，采取相应的防护措施。m为斜坡坡率；α为斜坡坡角(°)；H为堤前波浪的平均波高(m)；L为堤前波浪的平均波长(m)。

根据以上计算，滇池低水位为1885.5m，湖底水位1883.50m，考虑波浪爬高1.3m，安全超高0.5m，确定围堰堰顶高程为1887.3m。

(3)结构设计。

本工程围堰形式：钢管土袋围堰，堰顶宽5.1m，高4m；基础共设置4排钢管桩基，型号为DN60，单根长6m、入泥3m；间距1m、排距1m，竖直方向布置。围堰临水面布置土工格栅，表面铺设一层土工布600g/m2。钢管与土工布之间采用8mm钢绳绑扎，间隔1m。钢管之间堰体采用袋装碎石填筑，高3.5m。堰体上部路面铺设碎石土0.5m、硬化土0.2m。路面两侧设置C25预制混凝土槽，宽0.7m、深0.5m、覆土0.4m后种植迎春花，株距0.3m。考虑到围堰地基为淤泥层，不均匀沉降高度为0.6m。

钢管土袋围堰结构见图3.3，现状照片见图5.17。

图5.17　钢管框架土袋围堰

(4)稳定分析。

1)堰体安全稳定计算

堰体抗滑和抗倾覆稳定安全系数标准见表5.10、表5.11，稳定计算示意图5.18。

表5.10　堰体抗滑稳定安全系数标准表

表5.11　堰体抗倾覆稳定安全系数标准表

图5.18　堰体稳定计算示意图

堰体稳定计算公式如下：

①瑞典圆弧法可按下式计算：

②简化毕肖普法可按下式计算：

式中：W为土条重量(kN)；Q、V为水平和垂直地震惯性力(V向上为负，向下为正)(kN)；u为作用于土条底面的孔隙压力(kN/m2)；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角(°)；b为土条宽度(m)；c'、φ'为土条底面的有效凝聚力(kN·m)；MC为水平地震惯性力对圆心的力矩(kN·m)；R为圆弧半径(m)。

2)渗流计算

堰体渗流计算公式如下：

图5.19　无排水设备土堤计算图

式中：q为单位宽度渗流量[m3/(　s·m)]；k为堤身渗透系数(m/s)；H1为上游水位(m)；H2为下游水位(m)；h0为下游出逸点高度(m)；m1为上游坡坡率；m2为下游坡坡率；L为上游水位与上游堤坡交点距下游堤脚或排水体上游端部的水平距离(m)；ΔL为上游水位与堤身浸润线延长线交点距上游水位与上游堤坡交点的水平距离(m)；L1为渗流总长度(m)；y为浸润线上任意一点距下游堤脚的垂直高度(m)；x为浸润线上任意一点距出逸点的水平距离(m)。

3)地基沉降

堰体和堰基的不均匀沉降计算公式如下：

式中：S为最终沉降量(mm)；n为压缩层范围的土层数；e1i为第i土层在平均自重应力作用下的孔隙比；e2i为第i土层在平均自重应力的平均附加应力共同作用下的孔隙比；hi为第i土层的厚度(mm)；m为修正系数，可取1.0，软土地基可采用1.3～1.6。