欢迎访问南京路恒工程材料有限公司!
当前位置:网站首页>新闻中心>行业资讯行业资讯
土工格栅复合土工膜在北京奥林匹克水上公园项目上的应用
发布时间:2016/6/26 18:27:02作者:阅读次数:
    北京2008年奥运会顺义奥林匹克水上公园(以下简称奥运水上公园)位于北京市顺义区马坡镇向阳闸东北侧,潮白河东岸。
      场地位置属潮白河冲洪积扇的中下部,地形较为平坦,地面标高为31.13~33.70m。场地所在区域具有典型的温暖带半湿润半干旱大陆性季风气候的特点,多年平均降水量为640㎜,北京地区多年平均水面蒸发量为843.80。尽管场地位于潮白河岸边,由于密云水库的兴建及北京市用水增加,潮白河此段河段常年无水,水资源非常短缺。
      该项目为2008年北京奥运会水上运动项目的比赛场地,包括赛艇,皮划艇(静水)比赛场地和皮激流回旅划艇(动水)比赛场地。比赛场地内由比赛用水域,水上比赛设施,陆上比赛设施等部分组成。建设用地总面积为140公顷,总建筑面积为31424㎡,其中永久建筑面积18269㎡。静水赛道有两条,一条是比赛用的正式赛道,另一条是练习赛道,长度约为2272米,总宽度约280m。水平防渗范围内面积为695876㎡,静水赛道水面标高32.6m,底部标高为29.10m,水深3.5m堤岸标高为33.40m,边坡坡度为1:6。由于北京水资源的紧缺,工程的水域的防渗问题成为最关键的技术问题,经过反论证和多次的勘察,最后决定采用土工膜水平防渗的方案。这在北京地区是很有代表性的,对于类似工程有重要的参考意义。
      在奥运水上公园工程中,静水赛道的开挖约有200万m3弃土,现场开挖的3-4米深范围基本是砂质粉细砂。另一方面,高达8m的动水赛道的填筑需要大约80-70万m3土料。因而,利用开挖的弃土填筑动水赛道及其附属建筑物是经济合理的方案:不但省工省事,减少工期,节省造价,也避免了上百万方土料的长途运输,这显然有利于北京的生态和环境,具有明显的社会效益。
      可是,开挖出的粉细砂和含砂量较高的砂质粉土其工程性质很差。其特点是压实性能差,抗剪强度较低,抗变形性能很差(压缩变形,湿陷等),抗震性能差。(振陷,液化),水力性能极差(易冲蚀,流土,接触冲刷与流滑等),抗冻害性能较差。
      可见粉细砂和砂质粉土中的工程问题几乎都与水有关,而工程的特殊性又在于动水赛道是位于填方工程之上。宽度近30m,长度超过300m.流速很高的水从坡顶曲折回转,急速流下。赛道采用分段的混凝土浇注,其接缝的止水、防渗、排水和反滤的设计和施工至关重要。既便如此,漏水、溅水和溢水仍是不可避免的。填方土体中浸水、渗流及明流,将会发生不均匀沉降、局部失稳和冲蚀,使建筑物的止水和排水结构性能进一步恶化,渗漏进一步加剧,工况急剧恶化,可能造成整体破坏的灾难性后果。所以粉细砂和高含砂量粉土在输水的填方工程中的应用是一个极具有挑战性的技术难题。在水利工程中,即使是流速很慢的渠道也避免建造在这类土之上。
         在动水赛道的填筑方面,对粉细砂和砂质粉土进行了加密、加固和用土工格栅加筋等措施,成功的建成了动水赛道,并在奥运的预赛中经受了考验。
      2.静水赛道的防渗方案
      2.1方案的提出
         
      于2003年对场地进行了初步勘察,初勘报告表明,整个场地地基土层上部为人工填土层,其下为新近沉积土层和一般第四纪沉积土层,地层由人工填土、砂质粉土、粉细砂、粉质粘土及卵(砾)石构成。大致可以分为:
      ① 人工填土:层厚为0-2.0m左右;
      ② 砂质粉土与粉细砂:层厚5.0-6.0m;
      ③ 卵砾石:层厚5.0-6.0m;
      ④ 粘质粉土和粉质粘土:厚度3.0m左右。
      ⑤ 卵石:很厚。
      第一层地下水主要埋藏于卵石③层中,稳定水位埋深为9.80~16.00m,属层间潜水。第二层地下水埋藏于卵石⑤层中,稳定水位埋深为17.6~24.00m,属潜水~微承压水。
         
      针对这样的地质条件和近百万m2的水域防渗面积,初步防渗方案是采用复合土工膜水平防渗。这一方案可以有效阻止赛道中的水入渗,大大降低用水量和运营成本(每立方米用水达几元)。在2004年春季的方案审查中,本文第一作者李广信提出可以考虑以垂直防渗为主的方案。亦即在赛道的四周布置塑性混凝土地下连续墙,底部达到④层粘质粉土和粉质粘土,赛道底部采用上层的粉土夯实以减小渗透系数,减少渗漏量。
      这种防渗措施具有如下优点:
      工程量与造价降低。由于其防渗总面积约为水平防渗面积878960m2的1/10,材料与施工造价都很低;
      具有较好的耐久性,抗老化、抗腐蚀和温度稳定性;
      由于赛道内的水与地下水是连通的,水温稳定,夏季不会因水温提高而水质恶化,有利于周边生态环境和水环境。
      这一方案受到水质与水环境专家组的积极支持。
      2.2防渗方案的比较
       
      上述方案的关键是利用第④层粘质粉土和粉质粘土作为底部的隔水层,它的厚度、分布和渗透系数成为该方案成败的关键。于2004年由兵器工业勘察设计研究院对该场地进行了详细勘察。详堪的结果表明,场地地层整体为水平状分布,但场地北侧和南侧差异较大。土层④(粉质粘土、粘质粉土),在场地北侧较薄,厚度小于1.0m,部分地段缺失,在场地东、西、南三侧较厚一些,为2.0~3.0厚,埋藏深度为12.50~16.0m。
       
      试验测得:粘质粉土---砂质粉土④渗透系数k=0.0428m/d;重粉质粘土---粘土④1k=0.0055m/d.由于该层以上主要为细砂土和卵砾石层,渗透系数很大,基本上不起防渗作用。以粘质粉土---砂质粉土④的空间分布分区计算,在878960m2的面积上,在13m平均水头的作用下,每天的渗漏量约为12万m3/d。
      这样,赛道渗水速度甚至超过蓄水速度,为了减少渗漏,需要在渠底铺设和压实粘土防渗层,而附近没有粘土料场,远途运输成本也很高。所以这一方案被放弃。又回到复合土工膜防渗的方案。所以在如北京这样的缺水地区,土工膜防渗常常是不可避免的。
      具体构造为“二布一膜”(既:无纺土工布+HEPE膜+无纺土工布),总共防渗面积67万平米,预算造价6600万元,经过现场的实测,目前水位下降量与蒸发量吻合,说明基本达到零渗透的目标。
      3.动水赛道的加密加固加筋
      3.1材料性质与试验
       对现场开挖的砂质粉土和粉细砂进行了系统的物理力学性质试验。砂质粉土塑限含水量wp=22.5%,塑性指数IP=5.0。
      击实试验表明,砂质粉土的最优含水量为W­­­op=19.0%,最大干密度Pdmax=1.60g/cm2;粉细砂的击实曲线没有呈现明显的峰值,在10%--16%含水量下击实,干密度对于含水量不敏感,在18%含水量时出现一个不明显的“峰值”,但在击实时出现泌水现象。
      两种土均按压实度93%制样:得到有效强度指标为:砂质粉土c`=11.7kpa, u`=33,°, 粉细砂c=‵0, u=40.5°。
      土工加筋采用的土工格栅为EG65R ,EG90R ,EG130R    单向土工格栅,其主要的技术指标如下表所示。
       
      3.2粉细砂土的加密、加固与加筋处理方法
      3.2.1加密处理
      对于基地土进行强夯加密,夯击能为2000kN.m,强夯的地基承载力大于后200kpa,同时可减少填方体的沉降量,填土采用震动碾和羊足碾多次碾压方法加密。
      3.2.2加固处理
      在粉细砂和砂质粉土中加入一定比例的水泥和粉煤灰进行加固,对不同比例水泥,粉煤灰含量的填土进行了系统试验,施工中没有采用粉煤灰,只在动水赛道的底部基础使用了掺加比例分别为水泥重量比5%和8%的填土。
      3.2. 3加筋
      对于填筑的陡坡和回水池的挡土墙等采用单向拉伸塑料土工格栅。
      3.3加筋土体的设计计算
      3.3.1土坡的稳定分析与加筋计算
      在动水赛道的填方设计中,存在不同坡高和直度的土坡,首先采用了STAB95边坡稳定计算程序,考虑地震作用,按枚举法及瑞典条分法计算了不同设计高度和坡度和各种断面的边坡的安全系数。可见断面4-4 
      5-5 6-6 的安全系数均小于1.2, 需要进行加筋处理:
      参照(土工合成材料应用技术规范)(CB50290-98),对于安全系数不足的土坡,所需筋材总拉力Ts按式规范中(6.4 2-1)计算:
      Ts=(Fsr-Fsu)Mo/d   式中Ts-筋材总拉力(Kn),MO-末加筋土坡的最小安全系数对应的圆弧滑动面对应的总滑动力矩(Kn·m):
      D-对应于滑弧Ts对圆心的力臂(m)作用点可以设定在坡高的1/3处:Fsr-设计要求的安全系数:Fsu末加筋土坡计算的最小安全系数。
      边坡设计采用EG65R格栅:筋材设计容许抗拉强度Ta=18.3KN.对于断面4-4,按4层布置格栅,计算最长为L=3.185m,为施工方便为3.5m,从底层每层下到上80cm等长布置。坡面编织袋内冲填表层土和草籽,保护边坡和绿化环境。对于5-5、6-6断面,格栅取为4层,等间隔布置,筋材从下到上间距80cm布置,计算最大加筋长度3.693m,取为4m。
      3.3.2加筋挡土墙
      加筋挡土墙主要用于回水池的侧壁,设计参数如表3所示:
                表3渐进挡土墙设计参数
            高度H(m)r (kN /m3)¢°C(kPa)土工格栅T(kN )
            51830588
            粉土                            EG90R

      设计应用《土工合成材料应用技术规范》(GB50290-98)中公式(6.2.5-1),同时验算整体稳定性。结果采用EG90R土工格栅加筋处,间距为0.5m,加筋长度3-4m,包裹式的墙面部分,在其外再浇筑一层不受土压力,但防渗的混凝土面层。
      3.4现场足尺模型试验
       
      为了研究粉细砂和含砂量很高的砂质粉土经过加密、加固和加筋以后物理力学性能的变化亦即它们在负载和水的作用的稳定性,探索施工掺合与压实方法,取得必要的设计、施工和检验的参数,寻求快速有效的质量检测和确定监理指标,在现场进行了足尺试验。场地位于工程现场的东南角,试验模型以后将成为水上公园的一处景观山体。
       
试验主要内容包括:确定粉土加固在不同施工条件下所需的最优水泥添加量及最优的施工方案:土工格栅加筋土工程的研究与检测;回填土的抗冲刷能力及湿陷性质等。
      加筋挡土墙为回水池的边墙,设计方案:高度5m,墙后填土为粉土,加筋材料为EG90R型塑料单向土工格栅。设置10层土工格栅,顶部三层土工格栅长度4m,下部七层土工格栅长度3m每层格栅间距0.5m,坡面采用编织袋内灌碎石起镇压与排水作用,每层土工格栅折回段长度1.5m,坡面外侧砌筑厚度150mm厚的钢筋混凝土墙,混凝土墙下设置条形基础。在地板下和墙面板后设置土工膜防渗层。
      试验过程中对加筋土挡墙进行了加筋土工程的外观尺寸测量、加筋土填土的密实度检测、加筋土体的变形和应力测试、在墙后地面上加载试验和挡土墙后的浸水试验等。
      实测结果表明,加筋后的土体对墙面的作用力很小;土工格栅正常工作状态下,其应力的大小只相当于土工格栅极限抗拉强度的2.1-15.9%,采用土工格栅加筋挡土墙具有较高的安全系数。
      4.结论
      4.1北京地区水资源紧缺将是长期性的问题,各种水域的防渗措施是目前和今后的不可回避的工程课题。另一方面,北京的许多地区地下水位低,地基土渗透系数偏大,防渗土料分布不均,垂直防渗与地基土质隔水层水平防渗的方案的使用范围受到限制。采用土工膜防渗是主要的方法。成功的防渗保护和节省了水资源,实际上是有利于环境的工程措施。
      4.2对粉细砂和砂质粘土通过加密、加固和加筋处理,成功地用开挖的弃土填筑了动水赛道,取得了很大的经济和社会效益,为奥运水上公园项目降低了造价,缩短了工期。并在奥运的预赛中经受了考验和得到成功的应用。
      4.3采用土工格栅对陡坡和挡土墙进行加筋处理,同时配合绿化,使填筑的动水赛道工程安全,环境宜人;回水池满足稳定和防渗的要求。