沿海水利工程施工技术重点探析

近几年来,笔者先后参加了日照市大沙洼林场于家村防潮闸、交通桥工程,任家台防潮堤工程,日照市涛雒镇栈子橡胶坝工程,东港区第一至五期防潮堤工程,岚山二、三、五期防潮堤工程,涛雒镇庄家村中桥、东南营中桥工程,日照南沿海公路付疃河跨海大桥工程。结合于家村防潮闸、交通桥及栈子橡胶坝探析沿海水利工程施工应重点考虑的技术问题。
　　1. 于家村防潮闸、交通桥及栈子橡胶坝工程简介
　　1.1 于家村防潮闸、交通桥:于家村防潮闸、交通桥位于日照市大沙洼林场东临海侧,于家村河入海口处。该防潮闸按20年一遇防洪标准设计,主建筑物为2级。闸室总净宽40m,共分10孔,闸室顺水流向长11.5 m,垂直水流向长50.44 m,底板厚1.0m。闸门高2.5 m,宽4.28m,为C25钢筋砼梁板式平面闸门。防潮闸上设机架桥,机房净高3.3m,宽3.16m,砖混结构。闸室两端各设桥头堡一座,布置楼梯、配电设施,共三层,总建筑面积564.04 m2;闸室上游铺盖、浆砌石护坦长均为10.5 m;闸室下游消力池、海漫和防冲槽分别为10.0 m、10.0 m、3.5 m;铺盖、消力池两侧为C25钢筋砼挡土墙。交通桥三跨T型梁装置于南北边墩和中缝墩上,全长50.04m,桥面净宽8.5 m,荷载标准按汽-20、挂-100校核。该工程于99年8月26日开工,2000年4月20日完工,并于9月6日由省水利厅主持验收,被评为优良工程。于家村防潮闸、交通桥良好运行至今已10年多,对当地水产养殖、国家森林公园保护及促进旅游开发等发挥了极大的经济效益、生态效益和社会效益。
　　1.2 栈子橡胶坝:栈子橡胶坝地处东港区涛雒镇以南,栈子村北,属滨海水系,位于巨峰河下游分洪支流竹子河上。巨峰河总流域面积262.7Km2,干流长30.8 Km,为东港区第三条较大河流。该河道在涛雒镇大刘庄村西由竹子河、南店河分流入海。新建橡胶坝总长168m,包括坝体3跨,挡水高度2.5 m;调节闸2孔,闸室长8.4m;配套沉盘井1眼,充排水泵站1处,管理房5间。01年12月25日开工,02年7月20日竣工。至2010年7月20日,栈子橡胶坝已安全运行8年,运行良好。近日笔者通过参入项目后评价进行橡胶坝实际测量,发现橡胶坝无沉降变形现象;橡胶坝蓄水位4.6 m,兴利蓄水量392.8万m3,橡胶坝防洪、蓄水均满足设计要求。据统计自橡胶坝投入运行以来,共发展淡水养殖达4500亩,恢复改善灌溉面积5500亩,防止海潮侵袭15 Km2,经济效益、生态效益、社会效益显著。
　　
2. 施工导流、围堰问题
　　2.1 施工导流、围堰高度:沿海水利工程,无论是防潮闸、橡胶坝还是交通桥,一般都设在河流入海口处,受海潮影响特别严重,还得防范上游河水及汛期洪水。导流、围堰方案不但影响施工工程的施工部署和造价,还与施工工期密切相关,选择合理可行的施工导流、围堰方案非常重要。以于家村河入海口防潮闸、交通桥施工为例说明。该工程开工,首先进行轮廓放样,根据总平面布置结合于家村河流(设计泄洪量37.8m3/s,明渠内水深1.6m,入海口河床高程1.5m,平常水位3.1m)现状,施工导流明渠改设在左堤,明渠南侧采用围堰结构。围堰高度:按泄洪要求考虑,堰前水位3.1 m,计算河道波浪爬高0.9 m,取安全超高0.3 m,则堰顶高程4.3 m,需堰高2.8 m;按挡潮要求考虑,堰前潮位 2.8 m,计算非汛期海潮波浪爬高1.37 m,取安全超高0.3 m,则堰顶高程4.47 m,需堰高2.97 m;按挡潮要求确定围堰高度3.1 m。
　　2.2 围堰结构:于家村河入海口防潮闸、交通桥在施工准备的同时,一方面先进行围堰搭设,另一方面在右岸填筑施工料场、修建临时办公场所及临时施工道路。围堰结构形式的选择至关重要,围堰成功与否直接关系着主体工程施工的成败。经过反复论证,制定以下围堰结构。围堰施工中,临海侧先用挖掘机挖深 1.5 m、宽4m的沟槽,然后用柴油喷灌机下6 m长钢架管,间距0.5 m,里外对称两排,保持架管上口宽2.0 m,下口宽4.0m,高4.0 m;把(6.0 m宽,厚2mm)塑料纸用装砂麻袋压在沟槽底部,塑料纸两边各放装砂编织袋2排,编织袋外侧磊填装砂麻袋,层层叠磊,到围堰2.0 m 高时用短架管内外拉结,到3.5 m时第二层内外拉结,围堰临海侧用普通钢模板围护装砂麻袋(现场海砂质细,易从麻袋眼中被海水冲击流出),钢模板光面紧靠麻袋。围堰采用此结构,从围堰搭成到拆除,经受了6个多月4 m左右海浪冲击和两次洪水冲刷,为主体工程施工提供了坚实的保障。
　　
3. 地基处理问题
　　3.1 于家村防潮闸、交通桥地基处理
　　3.1.1 砂基:于家村河入海口防潮闸、交通桥地质情况:地表覆盖为浅黄色含贝壳细砂层,砂砾成份主要由石英、长石组成,层厚7.0～11.0m,呈半饱和～饱和状态,为密实结构,属河口冲、海积堆积相。由于砂基均匀,因而在通过基坑四周排水降至符合规范要求情况下用插入式振动器振密实。
3.2 栈子橡胶坝地基处理
　　3.2.1 淤泥地质:栈子橡胶坝坝址区域为河流相冲淤积地貌,河床地层上部以淤泥为主,3.5 m左右深,下部为淤泥质中细砂(灰褐色,松散,含有海蛎子碎皮,底板埋深11.7-17.6 m,渗透系数4.6*10-4cm/s,相对密度0.64,摩擦系数0.3,容许承载力6t/m2)。 淤泥质中细砂物理性质:含有很多细颗粒及大量有机腐植质;孔隙比>1.0,天然容量在15～18kN/m3之间。力学性质:强度极低,压缩性大,地基承载力低,强度增长缓慢,加荷后易变形且不均匀,变形速率大且稳定时间长,具有渗透性小、触变性及流变性大的特点。
　　3.2.2 地质处理:坝底板、消力池基础底设计高程以上3.5米全为稀泥,挖掘机开挖时,泥浆上反 ,根本无法开挖,经实际勘测及本村老年人回忆此入海口为老船道,多年淤积,地基复杂。后来经过方案比较,基坑开挖用吸泥船。吸泥船结构:由船体、进水系统、出水输送系统、移动系统等组成。进水系统包括高压水泵、抽真空装置、水龙头等。出水输送系统包括动力(电机或柴油机)、离合器、抽砂泵、输送管道、浮筒等。 其工作原理是利用高压水泵产生压力水,通过高压水冲击泥砂,经过水的湿化崩解流动作用,将沉积的泥砂形成泥浆,泥砂浆经抽砂泵吸出,高压水枪拼射之处流砂覆盖在未挠动淤泥层上面0.3m厚左右砂层,泥砂浆则通过抽砂泵及管道输送至作业区。经过10昼夜连续施工,底板地基设计高程0.7米以下,底板轮廓、断面、高程均达到设计变更要求(深0.7米设计变更为换填中粗河砂)。用轻型触探仪做轻便触探实验,第一击N10计算地基承载力满足,以下地基承载力达不到设计要求,因为底板地基下部5.7-17.6 m为淤泥质中细砂。鉴于淤泥地基承载力低,压缩性大,达不到橡胶坝地基承载力设计要求,故提出换填中粗河砂的技术处理方案。换砂深度及平面尺寸严格按照设计要求,换入中粗河砂(含泥量<3%),浸水后用插入式振捣器分两层(每层35cm)振密实。
　　
4. 钢筋混凝土结构施工提高耐久性问题
　　混凝土耐久性是指混凝土抵抗环境介质作用,并长期保持其良好的使用性能和外观完整性的能力。它是一个综合性概念,包括抗渗、抗冻、抗侵蚀、碳化、碱骨料反应及钢筋混凝土中的钢筋锈蚀等性能,这些性能均决定着混凝土经久耐用的程度,故称耐久性。
　　4.1 抗渗性:混凝土的抗渗性直接影响到混凝土的抗冻性、抗侵蚀性。抗渗性用抗渗等级表示,分P4、P6、P8、P10、P12,共五个等级。混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部空隙的大小和构造有关。
　　4.2 抗冻性:混凝土的抗冻性用抗冻等级表示,分F10、F15、F25、F50、F100、F150、F200、F250、F300,共九个等级。抗冻等级F50以上的混凝土简称抗冻混凝土。
　　4.3 抗侵蚀性:当混凝土所处环境中含有侵蚀性介质时,要求混凝土具有抗侵蚀能力。侵蚀性介质包括软水、硫酸盐、镁盐、碳酸盐、一般盐、强碱、海水等。
　　4.4 混凝土的碳化(中性化):混凝土的碳化是环境中的二氧化碳与水泥石中的氢氧化钙作用,生成碳酸钙和水。碳化使混凝土的碱度降低,削弱混凝土对钢筋的保护作用,可能导致钢筋锈蚀;碳化显著增加混凝土的收缩,使混凝土抗压强度增大,但可能产生细微裂缝,而使混凝土抗拉、抗折强度降低。
　　4.5 碱骨料反应:碱骨料反应是指水泥中的碱性氧化物含量较高时,会与骨料中所含的活性二氧化硅发生化学反应,并在骨料表面生成碱-硅酸凝胶,吸水后产生较大的体积膨胀,导致混凝土胀裂的现象。
　　4.6 钢筋锈蚀:混凝土在水化作用时,水泥中氯化钙生成氢氧化钙,使混凝土中含有大量的氢氧根离子,使PH值一般可达到12.5-13.5,钢筋在这样的高碱环境中,表面容易生成一层钝化膜,这种钝化膜能阻止钢筋的锈蚀,只有这层钝化膜遭到破坏,钢筋开始锈蚀。
　　4.6.1 混凝土碳化引起钢筋锈蚀:因为混凝土硬化后,表面混凝土遇到空气中CO2的作用,使氢氯化钙慢慢经过化学反应变成碳酸钙,使碱性降低,碳化到钢筋表面时,使钝化膜遭到破坏,钢筋就开始腐蚀,对于普通硅酸盐,水化产生的氢氧化钙可达到整个水化产物的10%-15%,一方面,它是混凝土高碱度的提供源和保证者,对保护钢筋起着十分重要的作用;另一方面,它又是混凝土中最不稳定的成分之一,很容易与环境中的酸性介质发生中和反应,使混凝土碳化,并逐步延伸钢筋,使钢筋开始锈蚀。
　　4.6.2 氯离子引起的钢筋锈蚀:海水浸泡下混凝土构件中,氯离子进行混凝土通常有两种途径:其一是“浇筑混凝土时掺入如含有氯盐的外加剂、使用海砂、施工用水含氯盐、在含盐环境中搅拌”,其二是“渗入环境中的氯盐通常通过混凝土的宏观、微观缺陷,渗入到混凝土中并达到钢筋表面,直接或间接破坏混凝土的包裹作用及钢筋钝化的高碱度两种屏障,使之发生锈蚀继而锈蚀产物体积膨胀,使混凝土保护层开裂与脱落”,在沿海钢筋锈蚀引起耐久性降低的情况大都如此。
　　4.7 钢筋混凝土提高耐久性技术措施
　　4.7.1 加强原材料的质量控制
　　4.7.1.1 防潮闸水泥采用425号抗侵蚀性水泥。
　　4.7.1.2 细骨料采用质地坚硬、颗粒洁净、级配良好的天然河砂。砂的细度模数为2.3-3.0。
　　4.7.1.3 粗骨料采用质地坚硬,粒形、级配良好的碎石。
　　
　　4.7.2 严格控制钢筋混凝土钢筋保护层的厚度、使用环氧涂层钢筋。针对溶解氧腐蚀和氯盐腐蚀,增加钢筋的保护层厚度。一般情况下,碳化的深度、氯离子渗透的深度和时间的平方根成正比,故增加钢筋的保护层厚度将延长钢筋脱钝和氯离子渗透至钢筋表面的时间。环氧涂层钢筋是采用静电粉末喷涂的方法对钢筋表面加工制作的,能保证涂层与基体钢筋的良好粘结,从而使钢筋具备较好耐碱性、耐化学腐蚀性。防潮闸采用增加保护层厚度、除锈等措施。
　　4.7.3 使用改善混凝土耐久性的外加剂:改善混凝土耐久性的外加剂包括引气剂、防水剂和阻锈剂等。其中引气剂是在搅拌混凝土过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。主要有松香热聚物、松香皂和烷基苯磺酸盐等。引气剂可改善混凝土拌合物的和易性,减少泌水离析,并能提高混凝土的抗渗性和抗冻性;同时,含气量的增加使混凝土弹性模量降低,对提高混凝土的抗裂性有利。防潮闸用的是引气剂、许多阻锈剂。
　
　5. 结语
　　沿海水利工程施工还会遇到台风、海潮等许多不可遇见因素,在搞好上述技术重点的同时还应注意其他因素的影响。