新型圍墾堤防工程的設計與施工技術

新型圍墾堤防工程的設計與施工技術

1主要測試技術防洪排澇工程的安全監(jiān)控是對圍欄工程的施工和運營時間進行監(jiān)測，并計算沉降量，以檢查和改進設計。一旦發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象,可及時分析原因,采取防護措施,防止事故發(fā)生,保證工程安全運行。通過原型觀測積累觀測資料,檢驗設計的正確性和合理性,并為科學研究打下基礎,以提高圍墾堤防工程設計與管理水平。在工程實踐過程中,國內外對圍墾堤防工程安全監(jiān)測都非常重視。隨著充填管袋筑堤工藝的不斷發(fā)展,國內外對相關工程施工安全的監(jiān)測主要集中在施工前原始基礎地質的監(jiān)測和筑堤過程中堤防自身變形監(jiān)測兩方面:巖土地質監(jiān)測主要是測量堤基泥面的標高,較常采用GPS配合探測儀進行;而筑堤過程中堤身變形監(jiān)測主要圍繞垂直沉降和水平位移測量進行,一般采用直接水準測量法與測斜法進行監(jiān)測。經過幾十年的工程實踐與科學研究,我國在圍墾堤防工程的規(guī)劃、設計、施工等方面取得了一定的成果,2008年頒布的SL435—2008《圍墾堤防工程設計規(guī)范》對圍墾堤防安全監(jiān)測的監(jiān)測項目、監(jiān)測設施、監(jiān)測內容提出了原則性的意見。但對低灘圍墾堤防、潮溝區(qū)圍墾堤防以及采用充填管袋施工堤防的安全監(jiān)控、質量檢測與安全評估的研究尚不充分,國內相應的標準和規(guī)范還沒有建立,在不同地區(qū)的不同工程中對圍墾堤防工程相關措施研究也不盡相同,仍處在探索階段。由于圍墾堤防工程具有與其他擋水建筑物不同的特點和復雜性,如堤線長、潮(洪)水位變化迅速,臺汛期容易出現(xiàn)險情等,其監(jiān)測設計在確定監(jiān)測項目、量測儀器、代表性的監(jiān)測斷面選擇、數據的整理與傳輸等方面還面臨諸多需要進一步研究的問題。圍墾堤防工程安全監(jiān)測與隱患探測相輔相成,不可偏廢。安全監(jiān)測能揭示堤壩的長期運行規(guī)律和結構性態(tài),安全檢測能在短期內對圍墾堤防工程的缺陷、隱患或險情進行局部或全面的分析與評價。國外用于堤防工程安全檢測的技術和方法較多,其中以無損檢測技術最為突出。在一些發(fā)達國家,無損檢測技術已經由無損檢測、無損試驗發(fā)展到了無損評估階段,完成了由一般檢測技術向高科技過渡的歷程,并提出了在無損檢測技術中增加定量無損評估、評定材料缺陷危險性、預測剩余壽命等新設想與技術體系。鑒于目前單一無損檢測技術尚無法保證能夠識別所有的結構缺陷,在實際檢測過程中,常常通過2種或2種以上的不同方法相互補充驗證。多年來,國內許多單位在堤防隱患探測方面亦進行了大量研究,文獻對國內該領域的研究做了詳細的綜述,取得的主要成果有:1985年山東省水利科學研究所研究出一種堤壩隱患探測儀器及5種探測方法,形成了一套綜合探測堤壩隱患的技術系統(tǒng);九江市水利科學研究所鄧習等研制出TTY1型便攜式智能堤壩探測儀;徐廣富提出利用自然電場法探測堤壩滲漏量的設想;王理芬等研究了荊江大堤堤基管涌破壞機理;劉康和應用K剖面法探測堤壩隱患;葛建國等采用淺層地震反射波法探測堤壩隱患;陳紹求提出用雙頻激電法探測堤壩隱患;吳相安等對利用地質雷達探測堤壩隱患的有效性進行了研究;底青云、王妙月等將高密度直流電阻率法用于珠海堤壩隱患探測;黃河水利委員會研制出ZDT1型智能堤壩隱患探測儀,編制實行了國內堤防隱患探測方面最早的一份技術規(guī)定“黃河堤防工程隱患電法探測管理辦法”;中國水利水電科學研究院研制出SDC2堤壩滲漏探測儀;江蘇省農科院完成的“壩基滲流場探測中多含水層穩(wěn)定流混合井流理論與綜合示蹤法研究”項目,獲國家科技進步二等獎;“智能化單井地下水動態(tài)參數測試儀”獲倫敦與日內瓦國際博覽會金獎;中南大學完成水利科技創(chuàng)新項目“流場法堤壩滲漏管涌檢測方法及儀器研究”,成果屬國際領先水平。目前常用的地球物理探測方法包括:電阻率法、瞬變電磁法、地質雷達探測技術、彈性波檢測、核物理檢測、流場法檢測等。多年來,這些方法都得到了實際運用,取得了不少實踐經驗。圍墾堤防工程是個復雜的系統(tǒng)工程,其在設計、施工、運行和管理過程中存在眾多的不確定性因素,同時由于人們認識水平的局限所引起的主觀不確定性,使得堤防工程存在失事和破壞的風險,基于可靠性理論的風險分析方法將多種影響因素綜合考慮,并可根據不同堤防結構重要性程度采取相應設計,具有先進性和科學性?；诖?將風險理論應用于堤防工程中,對堤防工程在復雜環(huán)境下進行風險分析研究,可以全面反映堤防系統(tǒng)的安全性,為存在諸多不確定性情況下的堤防安全決策提供科學方法、手段和依據,進而有針對性地采取相應技術措施,必然會帶來巨大的社會效益和經濟效益。堤防安全風險評估以堤防工程安全管理現(xiàn)狀和現(xiàn)代化堤防管理要求為出發(fā)點,考慮堤防工程的安全影響因素、分析流程、指標體系、量化處理、賦權方法以及分類標準等,涉及主要內容有:①分析工程存在的不安全因素;②分析各因素對工程安全的影響程度;③判定堤防的安全程度;④根據堤防安全程度采取相應的措施等。綜合來看,國內外對于堤防工程的安全評判研究尚處于起步階段,目前還沒有形成一套成熟適用的理論和方法。國外有關國家已經開始利用先進的計算機信息技術,對堤防信息進行管理和集成。堤防工程的技術分析、安全評判已成為今后堤防工程科學管理的發(fā)展方向。荷蘭等發(fā)達國家在灘涂圍墾、海堤風險評價方面的研究較為深入[13,14,15,16,17,18,19],采用概率設計原理、熵理論以及數理統(tǒng)計模型等方法對海堤防洪系統(tǒng)進行了分析,并通過引入成本效益來反映堤防工程系統(tǒng)的容許風險水平和決策問題。在綜合風險評價方面,考慮了失事概率和失事后果,研究了圍墾工程洪水風險的定量分析技術。荷蘭在分析實際工程基礎上,建立了一套較為適合當地國情的堤防風險評價技術,并將堤防的安全等級劃分為優(yōu)、良、中、差4級。相對于國外發(fā)達國家,我國現(xiàn)階段對堤防工程安全評價的研究還很少,針對傳統(tǒng)圍墾堤防工程,采用層次分解法、專家調查法和幕景分析法,對圍墾堤防工程系統(tǒng)可能出現(xiàn)的失事形式、失事形式的影響因素以及系統(tǒng)失事可能造成的后果分析已取得一定的進展;采用模糊綜合評判模型進行風險估計和風險決策雖然亦已有所應用,但尚不成熟。隨著圍墾堤防工程結構型式的改進,建筑新材料的研發(fā)以及施工工藝的不斷改造與創(chuàng)新,圍墾堤防工程施工中的安全影響因素也隨之發(fā)生變化,施工安全監(jiān)控、質量檢測及風險評估模式與常規(guī)海堤亦有所不同。現(xiàn)有基于高灘圍墾堤防的安全監(jiān)控、質量檢測及風險評估體系,已不能滿足新時期低灘圍墾、潮溝區(qū)圍墾以及深水區(qū)堵口安全評估要求。針對新時期圍墾堤防工程的特殊性,研究圍墾堤防施工與運行安全監(jiān)測項目、預警標準與保障運行體系是保證圍墾工程順利實施的必要條件;快速、高效的圍墾堤防質量檢測技術與隱患識別方法已成為確保圍墾安全的必要手段;基于新時期圍墾堤防工程的安全監(jiān)控及施工期質量隱患檢測,構建堤防安全評價指標體系及安全風險評價模型,進而采用先進的風險分析理論對其進行安全評估,也是確保圍墾堤防工程安全的重要技術手段。2圍墾水利工程安全監(jiān)測方案設計新型圍墾堤防工程堤壩具有矮長,建筑物基礎條件差,水深較大,水下地形復雜,潮汐、波浪等水動力條件更加惡劣的特點,與常規(guī)堤壩相比,圍墾堤防的設計、施工技術均具有其特殊性,常規(guī)堤防施工技術在新型圍墾堤防施工中的應用尚不成熟,工程施工難度加大,施工及運行過程的失事風險也隨之增大。針對圍墾堤防工程上述特殊性,以江蘇蘇北沿海東臺條子泥特大型圍墾工程為依托,結合圍墾堤防具體的工程地質條件、水文條件、地基處理方式、斷面結構形式及采用的不同施工工藝,研究高低灘、深水、潮溝、龍口等施工與運行安全影響控制因素,提出經濟合理的安全監(jiān)測項目的設置、預警標準與評估體系;提出適合沿海特殊環(huán)境條件下圍墾堤防質量隱患檢測的科學有效的方法;提出圍墾堤防安全風險評價指標體系,建立圍墾堤防安全風險評估模型,采用先進的風險評估理論和方法,從而為圍墾堤防安全風險決策和管理提供科學方法、手段和依據。3本研究3.1監(jiān)測儀器設備與技術標準研究a.依據海堤工程的級別、水文氣象條件、地形地質條件、堤型特點及工程運用要求,研究圍墾堤防施工安全的主要影響因素,進行現(xiàn)場監(jiān)測與數值分析,研究設置經濟合理的監(jiān)測項目、相應的監(jiān)測方法、監(jiān)測資料的整理分析技術以及預警標準。b.針對沿海特定環(huán)境,研究提出抗腐蝕性、實用方便、技術先進的監(jiān)測儀器、設備的技術標準。c.研究提出新型圍墾堤防施工安全監(jiān)測保障運行技術體系。3.2高效質量檢測方法與配套儀器a.通過現(xiàn)場實測、對比分析目前常用的探測方法(人工或機械錐探、地質雷達探測法、彈性波法、高密度電法等)對于圍墾堤防質量檢測的有效性,從而達到評價圍墾堤防工程質量的目的。b.提出適合沿海特殊環(huán)境條件下圍墾堤防高效質量檢測方法與配套儀器。c.研究提出高效的圍墾堤防隱患識別理論與方法,并應用于實際工程。3.3圍墾防風工程安全風險評估體系構建a.通過分析圍墾堤防工程的水文條件,地質條件,監(jiān)測、檢查及隱患探測結果,堤防建設和出險情況等因素,確定圍墾堤防安全的主要影響因素。b.在研究圍墾堤防安全風險主要影響因素的基礎上,從圍墾堤防工程安全風險評估的特點出發(fā),分析堤防工程安全風險評估體系建立的基本原則,構建圍墾堤防安全風險評估體系。c.根據圍墾堤防工程的具體條件、運行環(huán)境,在圍墾堤防安全風險評估體系的基礎上,應用數學理論和方法,建立圍墾堤防工程安全風險評估數學模型。d.通過分析圍墾堤防安全主要影響因素的特殊性,借鑒已有堤防安全風險分析成果,以圍墾堤防安全風險評估模型為基礎,研究適用于圍墾堤防安全風險評估的計算方法,并對計算結果進行驗證,從而為圍墾堤防安全風險決策和管理提供科學方法、手段和依據。4圍墾式防洪工程措施專題采用理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測與檢測、數值計算相結合的技術路線進行研究,總體技術路線如圖1所示。a.針對存在問題,進行廣泛調研和勘查,充分收集資料,制定研究方案。b.依據設計資料,建立圍墾堤防結構有限元模型,仿真模擬堤防充填管袋施工過程,計算預測圍墾堤防堤基及堤身結構的變形發(fā)展過程及相關量值,為現(xiàn)場監(jiān)測方案的設計提供初步的參考依據,同時也為圍墾堤防風險分析評估提供定量分析資料。c.依據數值仿真分析結果,參照傳統(tǒng)圍墾堤防工程安全監(jiān)測項目,結合圍墾堤防場地條件,選擇代表性斷面布設深層沉降位移、深層水平位移等觀測設備,監(jiān)測充填管袋施工過程中堤基及堤防結構的一系列變形,通過分析監(jiān)測數據,研究確定影響圍墾堤防施工安全的主要因素、控制指標以及控制措施。d.初步的研究表明,充填管袋層間滑移是新時期充填管袋施工圍墾堤防工程失事的主要原因之一,因此針對該新施工工藝,需要研發(fā)可以監(jiān)測充填管袋層間滑移量的監(jiān)測設備,并研究其量值與管袋穩(wěn)定性的關系,從而可以通過該指標的監(jiān)控達到保障圍墾堤防施工安全的目的。e.結合堤防結構數值仿真模擬結果、典型斷面的現(xiàn)場監(jiān)測結果,通過分析可以選擇出保障新型圍墾堤防施工安全必須且經濟合理的安全監(jiān)測項目、配套儀器、不同階段的監(jiān)測頻率及不同監(jiān)測項目的預警指標。f.在上述工作基礎上,提出新型圍墾堤防安全監(jiān)控運行體系。g.對比分析地質雷達探測法、彈性波法、高密度電法等對于圍墾堤防質量檢測的有效性,結合現(xiàn)場試驗對比,優(yōu)選出新型圍墾堤防工程質量檢測的有效方法以及適合沿海環(huán)境的配套儀器。h.對影響工程安全因素進行歸納總結,結合安全監(jiān)測、質量檢測,篩選、確定圍墾堤防安全的主要影響因素,以此構建圍墾堤防安全風險評估模型,以圍墾堤防安全風險為總目標,提出適合圍墾堤防實際情況的安全風險計算方法。i.集成上述成果,在條子泥圍墾工程中示范應用。5圍墾超導體的風險評估a.結合圍墾堤防具體的工程地質條件、水文條件、地基處理方式、斷面結構形式及采用的不同施工工藝,提出經濟合理的安全監(jiān)測項目的設置、預警標準與評估體系。