苏南运河土方治理方案研究论文

请参考：苏南运河护岸工程综述姜 晔【江苏省交通规划设计院 南京210005】摘 要：本文在全面叙述苏南运河沿线水文及工程地质、地貌的基础上，介绍了航 道护岸的结构形式，并进一步详细介绍混凝土预制块、模袋(法布)护坡以及重力式、衡重 式驳岸的设计与施工。关键词：运河 护岸工程 综述1 工程概况京杭运河苏南段(又称南运河)北起长江南岸的谏壁口门，南至苏浙交界的鸭子坝，全长�，贯穿江苏经济发达的镇江、常州、无锡、苏州4市。 苏南运河按3级航道标准预留，4级航道标准实施。航道最小水深为，一般河段底宽≥40m，驳岸间口宽≥60m，最小弯曲半径≥600m，跨河桥梁通航孔净宽≥50m，净高≥7m(设计最 高通航水位以上)。设计最大船型为一拖4×500t级船队，兼顾一拖6×300t级、一拖11×100 t级、一拖12×60t级等拖带船队，且可通航一顶2×500t级顶推船队。 苏南运河整治工程于1992年8月开工，1997年9月完工，按4级航道标准整治航道共� m，其中镇江段，常州段，无锡段，苏州段。其间新 建护岸，其中混凝土预制块护坡，法布护坡，浆砌块石驳岸� km。2 基本资料 设计水位 设计特征水位采用航道沿线各水文站30年系列资料，并结合水利规划进行水文分析计算， 以20年一遇的高水位为设计最高通航水位，保证率为98%的低水位为设计最低通航水位，运 河沿线各特征水位详见表1。 地质、地貌特征 地形地貌特征 苏南运河自镇江谏壁口门向南到丹阳市以北，为宁镇山脉延伸的低山丘陵地带，沿河两岸均为起伏的岗地，并时有残丘出现，地貌属于长江漫滩一级阶地类型。由于水流侵蚀切割作用 ，形成陡坎突变景象，地面标高一般为10m(吴淞高程零点基面)左右；丹阳以南进入长江三 角洲地带，长江挟带的大量泥沙在该区持续沉积，形成广阔的三角洲平原，地面标高一般 为5～10m，西北高，东南低。常州向东至苏州吴江以北地段，地面标高为3～5m，地貌上属 于太湖流域堆积平原区太湖水网平原，河网密布，水系发育，为冲湖相或湖沼相。吴江三里 桥至八坼之间属滨湖圩田平原，地面标高4m左右，为湖沼相堆积；八坼以南至鸭子坝属低洼 湖荡平原，姜晔：苏南运河护岸工 程综述湖荡密集，地面标高1～3m， 为苏南运河地势最低地段。单位：m 苏南运河设计水位表 (吴松基面) 表1地 名最高通航水位(20a一 遇)最低通航水位(98%保证率)常水位谏 壁丹 阳～陵 口～常 州无 锡望 亭～横 塘平 望鸭子坝 工程地质 镇江段 (1)谏壁至丹阳人民桥段。 主要沉积层为灰、黄灰或灰黄色的亚粘土、粘土层，硬塑状态，中等压缩性，土质较好，其 上部由于后期冲沟或河流的切割作用，间断沉积了灰色亚粘土层，土质较差。谏壁至越河口 段因受长江沉积环境的影响，土质略有区别，上部2～3m为黄灰、灰黄色亚粘土，其下6～10 m为灰黄色粉砂夹薄层粘性土。 (2)丹阳人民桥至吕城段。 上部为棕黄、黄褐色亚粘土，硬可塑状态，局部为冲沟沉积的软土所切割。吕城附近在0. 0m标高以下为灰 黄、灰色亚粘土混粉砂或粉砂层，呈饱和、松散状态，该层土自西向东 砂性渐大，施工开挖时极易发生流砂现象。 常州段 (1)九里至西涵洞段。 上部为灰、灰黄色粘土或亚粘土，层厚3～5m，硬可塑状态，中等压缩性，土质较好；中部 为灰黄、灰色亚粘土混粉砂，软可塑状态，层底标高在以下，在奔牛镇及五星桥一带 为冲沟切割，沉积了灰色淤泥质亚粘土混夹粉砂，厚薄不一，最厚处达10m左右； 下部为灰色、黄灰色粉砂夹粘性土，饱和、稍密至中密状态。 (2)常州三号桥至直湖港段。 上部为褐色、灰黄色粘土或亚粘土，可塑至硬塑状态，中等压缩性，层厚1～5m不等，中部 灰棕色亚粘土混粉砂，软塑至可塑状态，中等压缩性，层厚1～7m不等， 但在横林镇以东及 以 西局部地段，该层为灰色淤泥质亚粘土所取代，最厚处达12～15m，土质差；另在三号桥至 戚墅堰间其下有不等厚的3～6m灰黄色粉砂层；下部为灰色、灰黄色亚粘土，可塑至硬塑状 态，土质较好。 无锡段 无锡东、西两段土质接近，上部为灰黄、灰棕色粘土和亚粘土，含铁锰结核，硬塑状态，中 等压缩性，其顶部由于后期冲沟切割，间断沉积了灰色淤泥质亚粘土，形似倒锥；中部为灰 黄、灰色亚粘土，混夹粉砂，软塑至可塑状态，中等压缩性，层厚2～４m；其下部为灰色粉 砂 土，稍密至中密状态，层厚6～8m，多见于无锡东段；下部为绿灰、灰黄色亚粘土、粘土层 ，硬塑状态，局部夹少量灰色软亚粘土混腐植物。 苏州段 (1)望亭至枫桥段。 土质与无锡段相近，不同的是浒关兴贤桥向东局部在近地表2m左右范围内，有一层灰褐色的 粘土，可塑至软塑状态，中高压缩性。 (2)宝带桥至三里桥段。 上部为灰黄色粘土、亚粘土，含铁锰质，可塑至硬塑状态，中等压缩性，该层土质较好，层 厚4～5m，分布连续，但在吴淞港河向南地段，该层顶部分布厚度为～的灰色淤泥 质粘土层，流塑状态，高压缩性；中部为灰黄亚粘土混粉砂，可塑至流塑状态，中等压缩性 ，层厚2～4m；下部为灰色亚粘土混粉砂或粉砂互层，软塑至流 塑，中等压缩性，厚度不一，分布较广； 底部为灰色粉砂，稍密至中密状态，一般顶板顶 标高以下。 (3)三里桥至鸭子坝段。 土质上部为灰黄、黄灰色亚粘土，可塑状态，局部软塑，中等压缩性，层厚1～2m；中部为 灰色淤泥质亚粘土、粘土或淤泥，流塑状态，高压缩性。该层南厚北薄，层厚10～15m左右 ，最厚处达20m以上；下部为灰黄色粘土、亚粘土混粉砂，该层主要见于平望以北地区，由 于后期冲沟切割而间断分布，顶板高程左右，层厚5～8m不等。3 护岸工程结构形式根据苏南运河总体设计的原则，以4级航道标准进行设计，并考虑三级标准规划，将来可通航千吨级船舶。同时为满足减小船舶航行阻力，降低工程费用和营运费用，便于施工等要求 ，并结合沿线地形特点，航道断面设计大多采用矩形和倒梯形断面。 矩形断面一般是在苏南运河的集镇段，采用直立式或半直立式驳岸为护岸结构形式，除了有利于航道外，还可尽量减少城镇拆迁和对沿线厂矿企业的影响，并改善城镇的环境条件。 经技术经济比较，护岸挡墙结构采用浆砌片石重力式墙及衡重式墙，墙高在～之间 ，墙底板高出航道底～，墙前留出平台，以缓坡与河底衔接，既可保护墙身基础，减少墙前冲刷，又为将来实施三级航道留有余地，墙顶高以设计最高通航水位控制。当岸边 原地面高出设计墙顶时，以斜坡或二级小挡墙与原地面相接。从施工及使用情况来看，该结 构形式适应苏南地区地质条件，可充分利用当地丰富的石料资源，造价低，且结构简单，便 于施工，加快施工进度，并有较强的防冲刷和抗船舶碰撞的能力。 倒梯形断面是在集镇段以外的农村段，除岸坡土质为砂性土考虑设置混凝土护坡外，其余河段原设计从节省工程投资，降低工程出发，均采用原状土裸坡。坡比以岸坡整体稳定控制，一般为1∶3，从而形成倒梯形断面。后在具体实施过程中取消了裸坡，改为小驳岸、化纤(法 布)或混凝土块护岸结构形式。对于护坡结构形式，经过干砌块石、浆砌片石、混凝土预制 块和现浇混凝土块等多种形式的技术经济比较，采用混凝土预制块(厚度7～9cm)下铺透水无 纺土工布的护坡形式。为增加护坡的整体稳定性，在坡顶、坡脚及坡中部设置浆砌块石格埂 。这种护坡结构的特点是结构简单，施工方便，工程造价低，可有效防止船行波对岸坡的冲刷 ，但不足之处是混凝土块受船舶碰撞后易破损且修复困难。 在镇江及常州的一些航段上较多地采用了这种护岸结构，而在无锡西段的洛社农村段，为了减少修筑施工围堰对船舶航行的影响，采用了不筑施工围堰，用挖泥船下挖方整平后，直接在坡面上进行水下浇筑混凝土的模袋(法布)护坡结构。这种护坡结构不需筑施工围堰，有利于进行不断航施工，且土方量较少，模袋混凝土厚度达15cm，整体性好，可有效抵抗船行波及船舶的碰撞，但一般多适用于岸坡土质为粘土或亚粘土。 另在苏州市河的农村段有近5km范围内，采用浆砌块石后仰式挡墙结构，墙高在3m之内，墙 后开挖边坡4∶1，墙身迎水面坡比为∶1。4 护岸结构设计与施工 混凝土预制块护坡 以苏南运河丹阳陵口段“难工河段”的航道整治中的混凝土预制块护坡为例。设计人员针对该段航道地质以极细砂为主，且夹有亚粘土、泥炭、淤泥及杂填土等多种土质互层的第4 层系全新统(Q4)现代沉积层的情况，选择在临河边采用轻型井点排水以降低地下水的施工方法。设计采用400g/m2的无纺土工布为滤层，其主要物理力学性质见表2。表2项 目单位面积重量厚 度断裂强度断裂伸长率纵横向强度比指标400g/≥600N/5cm≥80%＜项目梯形撕裂强度圆珠顶破强度有效孔径渗透系数孔隙率指标≥400N≥900N≥≥5×10cm/s≥90% 与传统的砂石滤层相比，土工织物除了具有透水、保砂的作用外，还具有固坡的特点，即土工织物将土质坡面捆成一个整体，对于防止护坡坍塌起到比较重要的作用。经测算，应用土 工布较传统的砂石滤层单位造价节省15%～20%，经过6～7年的交付使用，不仅经济效益显著 ，且工程质量优良，也成为我国内河航道使用土工织物最多的航段之一。 混凝土预制块护坡结构在施工中应特别注意的是：土工织物的铺设应一次到顶，并应立即砌筑顶格埂，顶格埂开挖后及青坎范围内应立即用30～40cm厚的粘性土分层并回填夯实，对极 细砂、粉砂质河段更应如此，主要是防止地表雨水漫流下串，涮坑后危及边坡稳定或平整度 ；采用土工织物作滤层的护坡，不宜采用现场浇筑混凝土块，这主要是因为大面积混凝土现 场浇筑质量难以保证，且水泥浆极易堵塞土工织物的孔隙，影响其排水性能，另外在今后的 通航使用中损害处维修也很困难。 需要说明的是：根据江苏省交通规划设计院与南京水利科学研究院联合进行的《苏南运河防浪护岸工程物理模型试验》，护面混凝土块的临界稳定厚度仅为4cm，之所以实际采用的混凝土块的厚度达7～9cm，一是考虑到船舶航行时的水位骤涨骤落，使得岸坡内的水不能 及时排出，从而对护面混凝土块产生不利影响，故需考虑一定的安全系数，而将其厚度增加 为7cm(从强度方面进行验算，厚度7cm时的抗裂安全系数为)；二是普遍存在的较多船舶 未按规定在指定位置(停泊锚地内)停泊，而是在航道内随意停泊，这种现象在一定时期内恐 难以消除，所以不得不通过增加混凝土块的厚度来提高其抗船舶碰撞的能力，尽可能地避免 混凝土块在使用过程中损坏(见图1)。 模袋(法布)护坡 在无锡洛社农村段，由于该航段河面较宽，如采用常规的混凝土块护坡方案，则要先填筑围堰后施工，为减少修筑围堰对船舶安全航行的影响，结合该段地形及土质情况，提出了不筑 围堰而在坡面上直接进行水下浇筑混凝土的模袋(法布)护坡结构。图1 无纺土工布在丹阳陵口航道中的应用 该段堤顶高程一般在～间，土质情况除地表为耕植土外，至河床底均为黄灰色或灰黄色粘土或亚粘土，其主要物理力学指标值均为上限，经岸坡整体稳定计算，可采用水下1∶2、水上1∶1的施工坡比进行开挖。混凝土浇筑利用机织土工模袋作为柔性模板进行施工。该模袋采用高强化纤长丝机织而成，柔性机织模袋完全适应地形条件，并能保证混凝土由下而上填充形成，适应水上、水下施工，毋须填筑围堰。另外在填充料未达到设计 强度前，模袋面层能对水流及风浪等的变化起到过渡性的保护作用。 施工时需要注意的是：(1)关于土工模袋的纵向分段接头以及顶部压顶及基脚的处理，由于航道中水的流速较小，加之该段土质较好，且高度不大，分段模袋采用搭接方法，下压 宽的土工布，并在基脚处进行水下清槽、挖沟深埋和固定压脚 ；顶部端头为防止雨淋水渗 或其它可能产生的机械性位移，须采取加压顶(宽度≥)的措施。(2)护坡泄水孔设置在 坡面高程处，泄水孔的施工与模袋的高压喷灌混凝土同步进行，排水塑料管内填塞化纤 透水材料。模袋内采用泵车自下而上从灌口喷送15号小石子(瓜子片)混凝土，坍落度15～20 cm。 土工模袋护坡结构具有占地少、开挖土方量少的特点，就经受船舶碰撞而言，较斜坡式混凝土块护坡的抗损能力强，并减少了修筑围堰的费用，且有利于施工期的通航安全。以总体造 价来说，比浆砌块石驳岸造价要节省10%～15%(见图2)。 浆砌块石重力式驳岸 一般由混凝土压顶、浆砌块石墙身、夹石混凝土底板三部分组成。20号混凝土压顶通常宽为 ～，厚，10号浆砌块石墙身不应采用风化的石料或光面卵石，砂浆或混凝土填料 应保证密实无空隙，亦不允许块石与块石直接搭接，15号夹石混凝土底板通常厚～ ，有的为满足抗滑要求而设前趾或后趾，并要求夹石混凝土底板的夹石量不大于10%。图2 土工模袋纵剖面布置图 施工时应特别注意的是，在整个驳岸施工期间必须做好基坑排水，以确保基坑边坡稳定和干 地施工，对于处于粉砂土或亚粘土夹粉砂的地段，还必须采用轻型井点排水来降低地下水位 。另当墙身浆砌块石强度达到70%以上时方可进行墙后回填，回填土必须分层回填，分层夯 实，层厚不超过，采用人工或机械夯实均可，且同时应注意边角处的夯实，回填土干容 重应控制在15kN/m3以上。 浆砌块石衡重式驳岸 衡重式较重力式驳岸，同样由混凝土压顶、浆砌块石墙身、夹石混凝土底板三部分组成，只是在墙背中部设一平台，然后以倒坡直至基底，从而形成一卸荷板，起到减小墙后土压力， 减小墙身断面的效果，如此则要求基坑土质好，基础承载力较大，达150kPa以上。 以无锡新安镇段的浆砌块石衡重式驳岸为例，详见图3。 驳岸基础的软基处理措施 苏南运河沿线驳岸基础下均存在局部厚度不一的软弱土层，根据各地驳岸高度及地质情况， 经论证分别采用不同的软基处理方案。图3 衡重式驳岸结构图 (1)通常软弱土层较薄，基础下厚度在1～2m范围内的，采用将软土挖除然后进行抛石，采用抛石基床扩大基础加固地基为最经济合理的处理措施。 (2)在常州、无锡等地段，驳岸墙高在4～5m范围内，基础下淤泥质粘土或亚粘土厚度在3～8 m，较常采用振冲碎石桩加固后复合地基承载力可达135kPa以上。 (3)而在镇江丹阳市河段，有一段长度1500m的驳岸基础落在淤泥质亚粘土上，土层厚度最高 达，最大含水量为，其地基承载力仅为60～70kPa。在考虑软基处理方案时，从 丹阳城区房屋密集、基坑开挖和施工作业面狭小，及墙后若回填大量轻质煤渣则供料困难等 多方面综合考虑，以及综合造价的比较，最终选用直径�50cm的粉喷桩加固地基。驳岸地 基采用粉喷桩处理后，形成复合地基，由于复合地基抗剪强度的提高，将改变岸坡原有的最 不利滑动面，从而增加了岸坡的整体稳定，其安全系数可提高20%左右。同时将驳岸基坑土 方开挖和混凝土底板浇筑由湿地施工改为干地施工，既提高了地基承载力，又大大减少了施 工难度，保证了施工质量。 粉喷桩加固地基在施工时需注意：由于搅拌桩施工至顶端范围内，因上覆土压力较小，导致搅拌质量较差，故必须将顶端50cm挖除，以确保桩身强度；另在混凝土底板下应设置一碎石 垫层，其作用一是避免由于顶面整平情况不良而导致“脱空”现象的出现，改善基础与复合 地基的结合条件；二是由于桩顶刺入垫层，使得桩力在垫层中扩散，从而减少了桩对底板的 应力集中(见图4)。 (4)在苏州吴江市三里桥以南段，土质表层为左右耕植土，其下为灰黄色的厚2～� 3. 5m的亚粘土层，下部为灰色淤泥切含大量腐植物，局部夹有泥炭层带细粉砂，含水量最高达76%，高压缩呈流塑状态，允许承载力仅为30～50kPa。为了既保证驳岸安全又节省投资，进 行了三种软基处理方案各试验了30m。一是小木桩群加固地基方案(见图5)，小木桩长为，桩梢直径为12cm，平面布置为50×50cm之梅花形布置；二是铺石基床加土工格栅方案(见图6)，基床在基础下超挖～，在铺石基床底部及中间各铺一层土工布格栅，基床上层为块石，下层为碎石垫层；三是铺石基床加有纺土工布方案，基床超挖～，先垫3 0cm厚中粗砂，然后铺土工布，再铺碎石及块石。图4 驳岸结构图(单位：mm)图5 驳岸 地基运用小木桩断面 通过对这3个试验段的沉降与变形测试，并经施工完建期最不利工况的检验，发现3个方案的墙身均未发生变化，14天后沉降仅1～2cm，使用一年后也未见墙身发生变形(墙前的水下方 已按设计要求挖除)，说明处理方案是成功的。 经各方面共同研究论证，认为上述三种软基处理方案技术上均可行，且造价相差不大，但小 木桩加固方案不要求基础下超挖，施工难度小，且木桩制作与施工方便、迅速，当地施工队 伍又有成熟经验，故决定采用小木桩加固方案，在吴江市软土段普遍使用。从现今运行情况 看，效果良好。图6 驳岸地基运用土工网格断面5 结束语苏南运河护岸工程在满足航道要求，节省投资和方便施工的前提下，因地制宜，可谓形式多样，种类甚多，为内河航道护岸工程建设积累了较多的成熟经验和成果。