CN103938581B - 工厂化制造堤坝构件及快速建筑堤坝的方法 - Google Patents

Abstract

工厂化制造堤坝构件及快速建筑堤坝的方法，属于堤坝建造技术。采用了塑料排水板、土工织物、砂垫层和抽真空的联合预压等手段快速处理地基；采用了在密封膜下抽真空，在覆盖的薄膜上抛上二次砂垫层，在预制构件上输入土方；形成水位、砂垫层土方堆载和抽真空的联合预压；采用了把预制堤坝构件搭置于经处理的堤基上，互相联接形成堤坝骨架，轻质垫层方法，调整了堤坝的受力平衡，避免了不均匀沉降与滑坡；从根本上解决了地基强度和土方堆高的问题，有利于机械化、大规模施工。并具有以土代石，节省成本，施工速度提高，稳定可靠等特点。

Description

工厂化制造堤坝构件及快速建筑堤坝的方法

技术领域

本发明涉及堤坝建筑，尤其是软弱地基上快速筑堤的方法。属于堤坝建造技术。

背景技术

堤坝是堤和坝的总称，也泛指防水拦水的建筑物和构筑物，地球上有漫长的海岸线，沿岸滩涂资源极为丰富，要抵御潮水和波浪的侵蚀。堤坝是其极为重要的工程设施。在天然软土地基上建造堤坝，必然受制于天然地基土的物理力学性质，由于沿海土质含水量高，地基承载力低，渗透系数小，固结缓慢，灵敏度高，必须控制加荷速度，待地基承载力缓慢提高了，才能往上加荷。这就限制了堤坝的填筑高度和施工速度，并影响着堤坝的稳定和安全。

传统软弱地基上的堤坝在设计和施工中方法陈旧、材料单一，存在着易沉陷、滑移、渗漏、倒塌等诸多的问题。往往坡度缓、方量大、土方堆不高。而且石材紧缺、运距远、建造工期漫长、可靠性差。是海岸工程中长期以来亟需解决的难题。本发明是国家自然科学基金(40406019)、(11171306)、(10471069)和浙江省自然科学基金(599057)、(M503164)、(Y505041)项目基础上的成果。

发明内容

针对上述问题，为了快速筑堤，提出工厂化制造堤坝构件，堤坝快速建筑的新方法。做到安全适用、经济合理、质量可靠。

本发明的方案是：测量放样、堤基处理、仪器埋设、堤坝构件预制、堤坝骨架搭置、土方输入、排水固结、沉移观察、堤坝表面处理、护坡和植被，其特征是：A.在测量放样好的堤基上铺土工布，在土工布上抛砂垫层和插设竖向塑料排水带或砂井，形成水平和垂直的排水通道；B.埋设仪器，设置标志，铺设抽真空管道，覆盖至少两层封闭薄膜，做好周边的密封沟槽，安装真空泵，连接抽真空管道，在密封膜下抽真空，使膜内外形成压差，在负超静水压力下排水固结；C.在覆盖的薄膜上抛上二次砂垫层，在堤基沉降部位铺砂垫层并平整，使堤基下卧的土体压缩；D.搭置堤坝构件，并互相联接形成堤坝骨架，一边抽真空，一边把土方输入堤坝骨架内；E.在分层搭置堤坝构件和输入土方的过程中，观察堤坝的沉移情况，进行分层填筑，保持堤坝整体平衡；F.用轻质材料填充或掺于土方中填充堤坝，将基底压力控制在地基容许承载力的范围内，以保证其沉降一致，地基稳定不受破坏；G.在堤坝稳定后做好堤坝顶的表面铺设处理，在迎水面用混凝土形成护坡和砌筑防浪墙，H.在内坡堆足闭气土方，并做好植被。

所述的测量放样定位采用GPS定位系统。水上测量放样以及进行水下土工布铺设、水下塑料排水带插设和砂垫层等水下施工定位，均采用GPS实时差分定位系统。

所述的土工布，又称土工织物，它是由合成纤维通过针刺或编织而成的透水性土工合成材料。土工布具有优秀的过滤、排水、隔离、加筋、防渗、防护作用，具有重量轻、抗拉强度高、渗透性好、耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀。土工布成品一般宽度为4-6米，长度为50-100米，施工前对土工布进行拼接，采用土工布铺设船进行水下土工布铺设。

所述的塑料排水带和砂井是堤基的竖向排水通道。塑料排水带是由不同截面形状的连续塑料芯板外面包裹非织造土工织物(滤膜)而成。芯板的原材料为聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯。芯板截面有多种型式，常见的有城垛式、和乳头式等。芯板起骨架作用，截面形成的纵向沟槽供通水之用，而滤膜多为涤纶无纺织物，作用是滤土、透水。塑料排水带的宽度一般为100mm，厚度3.5～4mm，每卷长100～200m，每米重约0.125kg。陆上施工采用塑料排水带打设机，水下施工采用塑料排水带插设船进行。

所述的轻质材料为取材容易、便于施工、容重小的各种材料。用轻质材料直接填充或掺于土方中，置于堤坝的易沉陷部位。采用沉移观察和有限元分析相结合的方法，将堤坝基底压力控制在地基容许承载力的范围内，以保证其沉降一致，地基稳定不受破坏，避免出现不均匀沉降。在工厂化制造堤坝构件时，选用泡沫塑料作为轻质材料，为提高强度，可添加强剂。如聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等发泡，这些材料发泡倍数大(可达80倍左右)、价格低、重量轻(0.2-0.4kN／m3)、强度高(抗压力0.35Mpa,抗弯强度0.3-0.5Mpa)、抗渗透性好(吸水率0.0-0.2g／100cm2)、化学稳定性能好。在施工现场可选用轻质材料填入或掺入土方中，设于易沉移滑动的部位，以调整重量，使软弱地基受力平衡。

所述的砂垫层作为排水通道使用的砂要求有较好的透水性，可用中细砂或砾砂。在土工布上抛砂垫层，砂中的含泥量不大于3％。在覆盖的薄膜上抛的第二次砂垫层，用以保护薄膜和压载，不要求有较好的透水性，可用细砂或泥砂。但不应有尖锐锋利的材料，以防破坏薄膜密封性。砂垫层施工时，单元块之间要预留大于2米的间隔不铺设砂垫层，为做好周边的密封沟槽，覆盖封闭薄膜留出位置。

所述的排水固结采用真空联合堆载预压法。铺设抽真空管道，覆盖封闭薄膜，做好周边的沟槽密封，在密封膜下抽真空，使膜下真空度达到并维持在600mmHg柱高，相当于80KPa的堆载压力以上时。使膜内外形成压差，在负超静水压力、水深压力、封闭薄膜上部的堆载物的共同作用下加速排水和土体固结。真空预压法是通过抽气产生真空，降低孔隙水压力，产生负的超静孔隙水压力来增大土体的有效应力。由于孔隙水压力是中性压力，加固中只产生球形有效应力增量，不产生剪应力增量，加固地基产生向加固区中心的侧向变形，所以真空预压法加固中不存在地基失稳的问题，膜下真空度可以一次性连续地加到设计值。堆载预压是逐步加载，堤坝构件互相联接形成堤坝骨架和土方输入，都是根据地基的强度一层一层逐步堆高，也不存在地基失稳的问题。采用真空联合堆载预压法大大提高施工速度。

所述的预制堤坝构件包括堤坝骨架、堤坝外壳和人工护面块体。堤坝芯采用轻质材料以减轻堤坝重量和调整堤坝的平衡，采用硬质高强材料以支撑堤坝形成骨架。可通过工厂预制生产，也可现场制作。材料可选用强度大、防渗性好的各种材料，比如钢材、混凝土、玻璃钢、竹胶板、塑料等。预制堤坝构件搭置于经处理的堤基上，整个堤坝构件采用紧固件和锁扣相互联接，连成一体；形成堤坝骨架。围堰和小型临时堤坝可形成堤坝外壳。使土方不坍塌，不滑移，成为坝体的有效方量。预制的人工护面块体有扭“王”字块体、扭“工”字块体、四脚空心块体等，可选用混凝土和钢筋混凝土。为减少运输距离，一般在与堤坝相近的便于吊装运输的场地预制。

所述的覆盖封闭薄膜真空预压的密封膜采用抗老化性能好、韧性好、抗穿刺能力强的不透气材料。封闭薄膜可采用聚氯乙烯薄膜，密封膜热合时宜用两条热合缝的平搭接，搭接长度应大于15mm，密封膜至少铺设2层，应按先后顺序同时铺设。防止尖锐物触破漏气，要求气密性好，密封不透气。或采用膜上全面覆盖密封，既密封好，又减缓薄膜的老化。

所述的周边的密封沟槽布置在各单元块的四周，覆盖膜周边可采用挖沟现铺，在真空预压施工中它主要起周边密封的作用。根据密封沟的位置，可分为加固块外侧的密封沟和两单元块之间的密封沟，它们分别具有不同的断面。在铺设密封膜时应注意在真空加固块的四周，密封膜四边应保留有足够富余的压边条，并且加固四周，在离基坑线外缘2m开挖深0.8～0.9m的沟通槽，将薄膜的周边放入沟通槽内，用粘土或粉质粘土回填压实，以做好周边的沟槽密封。

所述的抽真空管道，铺设主支滤排水管：主支滤排水管分为主(干)管和支虑管。主管为4寸镀锌铁管，支虑管为2寸镀锌铁管，外包土工布滤水网。主管和支滤管间采用变径三通、四通连接，同管径的对接采用丝扣连接。全部吸水管均须埋入砂层中，并通过出膜器及吸水管与真空泵连接。在挖密封沟的同时，可进行主(干)管和支滤管的加工、连接和安装埋设。进行此道工序的同时，应将露出砂垫层表面的塑料排水板头埋入砂垫层中。距离适当，分布均匀，管外滤膜渗透系数不应小于10^-2cm／s。

所述的搭置堤坝骨架的同时，一边抽真空，一边把土方输入堤坝骨架内；由计算机控制堤坝的变化，有排水板处理的地基垂直沉降速率每天≤5cm，无排水板处理地基的垂直沉降速率每天≤3cm，水平位移速率每天≤1cm，超静孔隙水压力比控制在0.6。采取分段间隙施工，循序渐进，阶梯推进，分层加高，足而不超，抛填厚度接近地基土的极限承载值，且石方每次层厚小于2.0m，土方每次层厚小于0.8m。在负超静水压力、水深压力、封闭薄膜上部的堆载的共同作用下加速排水和土体固结，当地基固结度Ut≥80％时，就基本完成了堤基土体的压缩。

所述的土方为就近取材、便于施工、有一定强度的各种材料。在堤坝边取土时，须离开堤坝脚20h米以外，h为堤坝的高。通常可采用原状土远距离管道输送设备进行取土。

所述的堤坝顶的表面铺设处理一般和砌筑防浪墙可同时进行，在沉降基本完成，堤坝稳定后进行施工。

所述的迎水面用混凝土形成护坡应在地基和堤身沉降基本稳定后施工。大块石理砌、干砌块石护面、浆砌块石护面、混凝土灌砌块石防护墙及护坡、模袋混凝土护面、埋石混凝土防护墙、人工护面块体的预制在迎水面用混凝土形成护坡在迎水面用土工模袋灌入混凝土护坡和砌筑防浪墙。

所述的内坡堆足闭气土方并做好植被。闭气土方上的护面结构，应在土方基本沉降稳定后施工。

本发明的优点和积极效果

由于本发明采用了塑料排水板法、土工织物法、砂垫层法和抽真空的联合预压等手段快速处理地基；克服了传统的施工方法中出现的坝体堆不上去、固结度的提高缓慢、出现大方量的沉滑的问题，加快了建设速度，缩短了工期。

由于本发明采用了在密封膜下抽真空，在覆盖的薄膜上抛上二次砂垫层，在预制构件上输入土方；形成水位、砂垫层土方堆载和抽真空的联合预压。使堤坝下卧土层快速固结和地基强度的快速提高。

由于本发明采用了把预制堤坝构件搭置于经处理的堤基上，互相联接形成堤坝骨架，从根本上解决了地基强度和土方堆高的问题，有利于机械化、大规模施工，提高了堤坝的稳定性。节省材料，减少了坝体的无效方量。由于整个堤坝构件联成一体，使堤坝刚中有柔刚柔相济，并与地基溶为一体，以消除不均匀沉降，确保堤坝的安全。由于采用计算机技术、有限元分析和高效立体筑堤施工方法，实时监控堤坝的垂直沉降、水平位移、孔隙水压力和地基承载强度的变化，统筹兼顾软基承载力与快速筑堤过程中的时间、空间的关系，较好的处理了安全，经济，高效的关系。

由于采用了轻质垫层方法，一方面减轻了堤坝易沉陷处的重量，提高了坝体的强度与整体性，调整了堤坝的受力平衡，避免了不均匀沉降与滑坡；另一方面，轻质材料相当于一个有一定强度的垫层铺于软弱地基上，扩大了荷载力扩散范围，使压力均匀分布，同时对下卧土体有约束作用，限制了地基的侧向变形。从而避免了盲目性，达到软弱地基上快速高效建造堤坝的目的。

由于采用原状土管道输送设备和轻质硬壳堤坝等方法快速形成闭气土方；使土方易堆高，可以增大坡比，如从1∶16提高到1∶1.5-4，可以减少大量土石方。在缺少石材的地区，以土代石，还可省去大量石方。

由此可得，本发明比传统筑堤技术不但施工速度更快，工期更短，而且更具有可靠性和经济性。

附图说明：

图1为实施例1堤坝示意图，图2为实施例2堤坝示意图，图中包括：塑料排水板(1)、土工布(2)、密封沟槽(3)、砂垫层(4)、封闭薄膜(5)、二次砂垫层(6)、堤坝骨架(7)、土工模袋灌入混凝土(8)、防浪墙(9)、堤坝顶面层(10)、填充堤坝芯(11)、闭气土方(12)、植被(13)、人工护面块体(14)、混凝土(15)、顶面混凝土(16)、轻质材料(17)、填充土方(18)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1为某海岸软基堤坝建造工程，分成16个施工单元块，其堤坝断面如图1所示，其方法包括如下步骤：

A.在测量放样好的堤基上铺500g/m²针刺无纺土工布(2)，在土工布(2)上抛厚度为2m的含泥量少于5％中粗砂作为砂垫层(4)，插设间距为1.5m三角形布置的，深度为16m的竖向塑料排水板(1)，形成水平和垂直的排水通道；B.埋设仪器，设置标志，铺设滤排水抽真空管道；覆盖三层聚氯乙烯封闭薄膜(5)，开挖真空预压密封膜沟，铺设密封膜后用淤泥回填，做好周边密封沟槽(3)的密封；安装真空泵，连接主支滤排水抽真空管道，抽真空预压，膜下真空度达到600mmHg柱高，膜内外形成压差并保持，使密封膜下的土层在负超静水压力下排水固结；C.在覆盖的封闭薄膜(5)上抛第二次砂垫层(6)，在堤基沉降部位铺砂垫层并平整，使堤基下卧的土体压缩；D.搭置堤坝构件，并互相联接形成堤坝骨架(7)；一边抽真空，一边用管道输送设备把土方输入堤坝骨架(7)内；E.在分层搭置堤坝骨架(7)和输入土方的过程中，观察堤坝的沉移情况，进行分层填土，注意堤坝的整体平衡；F.用发泡塑料填充堤坝芯(11)的易沉陷部位，将基底压力控制在地基容许承载力的范围内，以保证其沉降一致，地基稳定不受破坏；G.在堤坝稳定后做好堤坝顶面层(10)的表面铺设处理；在迎水面用混凝土形成护坡和砌筑防浪墙(9)，护坡采用土工模袋灌入混凝土(8)，在水下部分的混凝土加絮凝剂，应对块石垫层进行检查和修整，预制人工护面块体，自下而上安放护面块体，底部块体应与下部棱体接触紧密；H.在坝脚200米以外用原状土远距离管道输送设备进行取土，内坡堆足闭气土方(12)；然后整坡，做好植被(13)。

实施例2为某软基堤坝的围海工程，其堤坝断面如图2所示，其方法与实施例1大同小异，所不同的是：F.用轻质材料(17)填充堤坝芯(11)的易沉陷部位，在用轻质材料(17)掺拌于填充土方(18)中。G.在堤坝稳定后做好堤坝顶面层(10)的表面铺设处理；在堤坝上部用顶面混凝土(16)，迎水面采用混凝土(15)形成护坡和砌筑防浪墙(9)，用预制8吨的扭“王”字块体消浪护面，自下而上安放人工护面块体(14)。

通过多种堤坝的对比分析，本发明的优点得到了充分的体现：加设的堤坝构件，并互相联接形成堤坝骨架，提高坝体边坡系数，与常规边坡土坝相比，减小填土方量45％以上，同时增强了防渗性能；其轻质材料的利用，进一步减轻了坝重，节省堤坝基础处理的投资，且提高了整体抗滑稳定性。并具有以土代石，节省成本，提高施工速度，稳定可靠等特点。

Claims (6)

1.用工厂化预制构件快速建筑堤坝的方法，包括测量放样、堤基处理、仪器埋设、堤坝构件预制、堤坝骨架搭置、土方输入、排水固结、沉移观察、堤坝表面处理、护坡和植被，其特征是：A.在测量放样好的堤基上铺土工布，在土工布上抛砂垫层和插设竖向塑料排水带或砂井，形成水平和垂直的排水通道；B.埋设仪器，设置标志，铺设抽真空管道，覆盖至少两层封闭薄膜，做好周边的密封沟槽，安装真空泵，连接抽真空管道，在密封膜下抽真空，使膜内外形成压差，在负超静水压力下排水固结；C.在覆盖的薄膜上抛上二次砂垫层，在堤基沉降部位铺砂垫层并平整，使堤基下卧的土体压缩；D.搭置堤坝构件，并互相联接形成堤坝骨架，一边抽真空，一边把土方输入堤坝骨架内；E.在分层搭置堤坝构件和输入土方的过程中，观察堤坝的沉移情况，进行分层填筑，保持堤坝整体平衡；F.用轻质材料填充或掺于土方中填充堤坝，将基底压力控制在地基容许承载力的范围内，以保证其沉降一致，地基稳定不受破坏；G.在堤坝稳定后做好堤坝顶的表面铺设处理，在迎水面用混凝土形成护坡和砌筑防浪墙；H.在内坡堆足闭气土方，并做好植被。

2.如权利要求1所述的用工厂化预制构件快速建筑堤坝的方法，其特征是：堤基上铺500g/m²针刺无纺土工布(2)，在土工布(2)上抛厚度为2m的含泥量少于5％中粗砂作为砂垫层(4)，插设间距为1.5m三角形布置的，深度为16m的竖向塑料排水板(1)，形成水平和垂直的排水通道。

3.如权利要求1所述的用工厂化预制构件快速建筑堤坝的方法，其特征是：堤坝芯采用轻质材料以减轻堤坝重量和调整堤坝的平衡，采用硬质高强材料以支撑堤坝形成骨架，整个堤坝骨架用紧固件和连接扣相互联接，连成一体。

4.如权利要求1所述的用工厂化预制构件快速建筑堤坝的方法，其特征是：由计算机控制堤坝的变化，有排水板处理的地基垂直沉降速率每天≤5cm，无排水板处理地基的垂直沉降速率每天≤3cm，水平位移速率每天≤1cm，超静孔隙水压力比控制在0.6，采取分段间隙施工，循序渐进，阶梯推进，分层加高，足而不超，抛填厚度接近地基土的极限承载值，且石方每次层厚小于2.0m，土方每次层厚小于0.8m。

5.如权利要求1所述的用工厂化预制构件快速建筑堤坝的方法，其特征是：在堤坝边取土时，须离开堤坝脚20h米以外，h为堤坝的高。

6.如权利要求1所述的用工厂化预制构件快速建筑堤坝的方法，其特征是：安装真空泵，连接主支滤排水抽真空管道，抽真空预压，膜下真空度达到600mmHg柱高，膜内外形成压差并保持，使密封膜下的土层在负超静水压力下排水固结。