青草沙水庫深水段拋填砂袋筑堤關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐

劉漢中，吳彩娥

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院，200434，上海)

一、工程區(qū)域概況

青草沙水庫工程位于長江口南支下段南北港分流口水域，由長興島西側(cè)和北側(cè)的中央沙、青草沙以及北小泓、東北小泓等水域組成，總面積66.15 km2，總庫容 5.27 億 m3，是上海市最大的飲用水水源地，供水規(guī)模719萬m3/d,可解決上海市1000萬人的供水問題。水庫環(huán)庫大堤由南堤、西堤、北堤、東堤及長興島海塘組成，總長48.5km，其中新建北堤、東堤長22 km，加高加固中央沙南堤、西堤長10.5km，加高加固長興島海塘長16km。

青草沙水庫新建大堤深水段位于東堤范圍。東堤起點(diǎn)與新建北堤連接，自東北小泓北側(cè)水下沙體順勢下延約1.5 km后，橫向穿越東北小泓漲潮溝深槽，終點(diǎn)與長興島現(xiàn)有海塘連接，全長3 030 m。東堤約有1 900 m堤線灘面高程為-5～-11 m，實(shí)質(zhì)上屬東北小泓深槽堵泓工程。同時，根據(jù)青草沙水庫堤壩總體實(shí)施計(jì)劃，龍口也選址在東堤深水段，東堤深水段堤壩的成功構(gòu)筑成為青草沙水庫建設(shè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。

二、工程條件與特點(diǎn)分析

1.風(fēng)浪、水流條件

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析，本地區(qū)多年平均風(fēng)速差異不大，但季節(jié)性的變化較為明顯，尤其是11月至來年的3月，偏北風(fēng)發(fā)生頻率較高，而4～10月則以東到偏南風(fēng)為主，較大風(fēng)速出現(xiàn)在偏北向。東堤處以海向風(fēng)涌混合浪的偏東向(E～ESE)的波浪所控制，100年一遇高潮位與100年一遇波浪（設(shè)計(jì)風(fēng)速）組合時，其概率為1%大波波高可達(dá)3.98 m。東北小泓漲潮溝深槽天然條件下大潮漲落急流速達(dá)2.0 m/s左右。

從風(fēng)浪、水流條件分析，青草沙水庫東堤段水深大、水流急、風(fēng)浪大，全部工序均需依靠船舶，施工作業(yè)受風(fēng)、潮、浪、流的影響大，可作業(yè)時間短，施工強(qiáng)度高，施工組織難度大。因東堤深槽段漲落潮流速較高，必須趕潮施工，且水深超出了目前常規(guī)充填袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)的適用范圍，所以必須改變傳統(tǒng)的筑堤方式。

2.工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程詳勘勘察報告顯示，東堤深水段范圍內(nèi)圍堤堤基淺表層為3-1粉性土混黏性土、3-2砂質(zhì)粉土、3-2灰色粉砂、3-3灰色砂質(zhì)粉土，厚度3.20～17.00 m，表部呈松散狀，向下呈稍密狀，中等透水性。中部為厚度較大的淤泥質(zhì)黏土、1-1灰色黏土層，其中淤泥質(zhì)黏土厚度5.70～16.00 m，呈流塑狀，具高壓縮性，土體強(qiáng)度低，屬軟弱土，承載力低，是堤基的主要壓縮層；1-1灰色黏土厚度3.10～10.00 m，具高壓縮性，也是主要壓縮層，均對圍堤沉降控制不利。

從工程地質(zhì)條件分析，淺層粉土及粉砂層分布厚度變化明顯，從東堤起點(diǎn)經(jīng)深槽到終點(diǎn)，厚度自11 m至5.0 m再至17 m，隨堤身結(jié)構(gòu)高度的增加，上部淺層粉土層及粉砂層的厚度卻逐漸減小，而淤泥層的厚度卻有所增大，地基土的壓縮性也逐漸增大，淤泥質(zhì)黏土、1-1黏土主要壓縮層的影響也逐漸突出，而且由于固結(jié)速度慢，使用期沉降量大，大堤選型時要注意大堤使用期對地基變形的適應(yīng)性，并適當(dāng)考慮采取地基處理措施減少后期沉降。土層的強(qiáng)度指標(biāo)相當(dāng)?shù)?，大堤的整體穩(wěn)定問題尤其突出，特別是深槽段，由于覆蓋層薄，若采用土石混合斜坡堤，需要較長的壓載平臺才能滿足大堤整體穩(wěn)定的要求。同時，東堤深水段河床淺層主要為厚度3.20～17.00 m的粉土、粉砂層，長江口表層及灘面的粉細(xì)砂層抗沖刷能力較差，在水流的作用下極易運(yùn)動，在施工過程中沿堤流和堤頭繞流可能將產(chǎn)生較大沖刷溝，危及建筑物自身的穩(wěn)定和造成河勢的不良變化，必須采取保灘護(hù)底措施。

3.水庫堤壩受力特性

水庫大堤作為水庫工程的蓄水擋潮結(jié)構(gòu)，青草沙水庫建成后最高蓄水位為7.0 m，死水位為-1.5 m，堤壩外側(cè)設(shè)計(jì)低潮位為-0.33 m（P=1%），設(shè)計(jì)高潮位為6.13 m（P=1%），最大水位差將近7.33 m。水庫大堤承受內(nèi)外雙向水頭作用，且外海潮位變化較大。深水段新建大堤堤基淺層為砂質(zhì)粉土和粉砂地層，砂土滲透系數(shù)較大，抗?jié)B透變形能力弱，是主要透水層；堤身采用庫區(qū)淺層砂土吹填筑成，也易產(chǎn)生滲透變形破壞。因此，在庫內(nèi)外雙向水頭差作用下，水庫堤壩的滲流和滲透穩(wěn)定問題不可忽視，應(yīng)采取相應(yīng)的防滲措施。

4.龍口布置的影響

根據(jù)本工程總體布置，圍堤主龍口設(shè)在東堤深槽段，龍口保護(hù)期寬800 m，底高程-3.00 m。龍口分兩階段實(shí)施，一階段先施工至-3.00 m高程進(jìn)行龍口保護(hù)度汛，二階段進(jìn)行龍口合龍，施工上部結(jié)構(gòu)。龍口水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，隨著龍口段的逐步抬高和縮小，流速將逐步增大，在不利工況下，龍口局部流速高達(dá)8.0 m/s以上。由于主龍口設(shè)在東堤，給東堤堤型的設(shè)計(jì)帶來了諸多難題。

三、堤壩結(jié)構(gòu)研究

1.堤壩結(jié)構(gòu)選型

目前，浙江及福建沿海地區(qū)灘涂圈圍工程的主要材料是開山石料，多為拋石筑堤；上海及江蘇沿海地區(qū)的主要材料是砂料，多為采用土工布袋充填砂料成型堆砌筑堤。根據(jù)類似已建工程的成熟經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)形式、材料強(qiáng)度、施工設(shè)備、施工工效和施工成本等綜合分析，認(rèn)為在水深約-5.0 m以上灘面采用常規(guī)的充填袋裝砂斜坡式土石混合堤是比較經(jīng)濟(jì)合理的。目前充填袋裝砂斜坡堤在長江口地區(qū)已得到廣泛應(yīng)用，并積累了不少成功經(jīng)驗(yàn)，充填袋裝砂的施工工藝也比較成熟。但是，在-5.0 m以下深水區(qū)域充灌砂袋的施工非常困難，存在充填管袋袋體飄移、破損、水下充砂難等問題，施工質(zhì)量也難以保證。

在調(diào)研分析大量工程實(shí)例基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外圍海造地工程及海港工程中的深港防波堤、深水碼頭等深水筑堤技術(shù)，對拋石棱體斜坡堤、沉箱直立墻混合斜坡堤、拋填砂袋雙棱體斜坡堤等堤型進(jìn)行了深入研究，經(jīng)比選后深水段堤型推薦采用拋填砂袋雙棱體斜坡堤形式。該堤型為常規(guī)充填袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)的技術(shù)改進(jìn)，突破了深水區(qū)常規(guī)充填管袋筑堤工藝的局限性。其優(yōu)勢體現(xiàn)為：①將深水充灌砂袋改為船上甲板充灌砂袋，袋裝砂自身固結(jié)好，拋填重量可控制，堤身后期沉降量較小，可直接構(gòu)筑大堤基礎(chǔ)。②大型翻板船充灌、拋填流水作業(yè)，分區(qū)填筑，可保證填筑面的均勻上升，且砂袋柔性較好，適用性強(qiáng)，地基受力均勻。③深水拋填袋裝砂施工工序較少，船機(jī)種類較單一，施工組織難度一般，施工進(jìn)度較易控制。其劣勢主要是①袋裝砂自身抗波浪水流作用能力較差，需設(shè)置拋石護(hù)坡護(hù)腳結(jié)構(gòu)。②深水拋投袋裝砂，定位與密實(shí)性控制難度較大。

2.堤壩結(jié)構(gòu)斷面

拋填砂袋雙棱體斜坡堤，在深槽灘面高程-5.00 m以下堤身內(nèi)外側(cè)直接分層拋填小袋裝砂形成2個拋填袋裝砂棱體，然后在堤心部分水下吹填管袋，形成堵泓大堤弱透水堤身，在-5.0～-3.0 m高程設(shè)通長高強(qiáng)充填袋裝砂覆蓋，兼作防沖和過渡層，在內(nèi)外側(cè)跟進(jìn)施工反濾層并及時進(jìn)行拋石護(hù)坡施工以滿足施工期大堤保護(hù)要求。-3.0 m以上采用常規(guī)充填袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)形式，即以充填袋裝砂構(gòu)筑內(nèi)、外兩側(cè)棱體，棱體間吹砂形成大堤下部堤身，棱體平臺以上土方采用充填袋裝砂小棱體并吹填砂土逐步抬高到設(shè)計(jì)堤頂高程。

東堤堤頂設(shè)直立式防浪墻，墻頂高程9.20 m，堤頂設(shè)瀝青混凝土路面，高程8.0 m，寬度9.5 m。內(nèi)外坡坡比均為1∶3，外坡護(hù)面采用厚0.40 m鋼筋混凝土柵欄板，內(nèi)坡護(hù)面采用混凝土框格+厚0.35 m灌砌塊石。堤身內(nèi)外在2.0 m高程結(jié)合堤身處灘面高程和地質(zhì)條件，通過堤身穩(wěn)定計(jì)算設(shè)不同寬度的鎮(zhèn)壓平臺。堤基寬度約200 m。

3.護(hù)底結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)模計(jì)算成果，在施工過程中因水流速增加，庫內(nèi)外灘地沖刷嚴(yán)重。為保證施工期灘地穩(wěn)定，東堤庫內(nèi)側(cè)鋪設(shè)長40～150m砂肋軟體排進(jìn)行保灘護(hù)底，砂肋軟體排規(guī)格為Φ300@500 mm，基布為 230 g/m2機(jī)織布，肋布為200 g/m2機(jī)織布。庫外側(cè)根據(jù)各段沖刷情況設(shè)長度40～100 m混凝土鉸鏈排護(hù)底，混凝土鉸鏈排規(guī)格400×400×160 mm，基布為 500 g/m2機(jī)織布。同時，庫內(nèi)外堤前設(shè)寬5 m、厚1.5 m拋石護(hù)腳，拋石下設(shè)800 mm厚袋裝碎石墊層壓在反濾砂肋軟體排上，以確保安全。

4.軟弱地基處理

東堤天然地基屬軟弱地基，綜合比較各種軟弱地基處理方式的優(yōu)缺點(diǎn)，針對本工程中圍堤堤線長、地基處理范圍廣以及采用充填袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)，根據(jù)上海地區(qū)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，推薦采用塑料排水帶與堤身自重加載預(yù)壓相結(jié)合的處理措施。水平排水體充分利用表層上覆的粉土、砂土層及堤身砂，豎向排水體采用長21～25 m塑料排水帶，呈正三角形布置，間距1.4 m，塑料排水帶設(shè)置范圍確定在壓載平臺及堤心范圍，以滿足穩(wěn)定沉降控制要求。

5.滲控措施

東堤深槽段為滲控特殊部位，該堤段堤身填筑荷載大，堤基土層中存在淤泥質(zhì)黏土和黏性土，堤身堤基工后沉降大，對防滲墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利，墻體容易產(chǎn)生變形、拉裂而失去防滲作用；灘面高程-5.0 m以下采用散拋袋裝砂填筑，堤身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土層均勻性可能很差，而且上覆通長高強(qiáng)充填袋裝砂，另外因度汛、龍口保護(hù)的需要，堤身有多層排體，且堤身下有一層厚度達(dá)1.4 m的龍口保護(hù)網(wǎng)兜拋石或預(yù)制塊體水平夾層，僅在堤頂下約6～8 m范圍對預(yù)制塊體進(jìn)行了拆除并置換成袋裝砂。東堤承受一定水頭后，尤其是庫內(nèi)高水位運(yùn)行條件下，易形成連續(xù)貫穿性的滲漏通道。因此，東堤必須進(jìn)行滲流控制設(shè)計(jì)。經(jīng)方案比選，推薦采用雙排三軸水泥攪拌樁加高壓旋噴樁防滲墻方案，以確保防滲效果可靠。

四、拋填砂袋堤身設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)

深水段堤壩采用拋填砂袋雙棱體斜坡堤結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是下部拋填砂袋堤身和上部常規(guī)充填袋裝砂斜坡堤的有機(jī)結(jié)合，因此拋填砂袋堤身設(shè)計(jì)和施工控制是技術(shù)關(guān)鍵，其要點(diǎn)在于拋填砂袋的袋布設(shè)計(jì)、施工期砂袋在波浪水流作用下的穩(wěn)定性以及作為水庫大堤堤身的密實(shí)性。

1.拋填砂袋袋布設(shè)計(jì)

砂袋的保砂性與袋體材料和所充填的砂質(zhì)有關(guān)，在施工過程中，特別是位于變動回水區(qū)和直接迎浪面的袋體材料，由于受水流和波浪作用，砂粒將從袋體布內(nèi)析出。根據(jù)《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，土工織物保土性應(yīng)以土工織物有效孔徑（O95）與土的特征粒徑之間關(guān)系表征，對于靜載荷和單向滲流條件下，其有效孔徑應(yīng)符合O95不大于d85；對有動力作用和往復(fù)水流的情況不論保護(hù)何種土類材料，其有效孔徑應(yīng)符合 O95不大于 0.5d85；d85為被保護(hù)土的特征粒徑即土中小于該粒徑的土質(zhì)量占總質(zhì)量的85%。

為保證拋填砂袋施工充填效率，應(yīng)保證滲透水通暢且不被細(xì)土粒淤堵，則拋填砂袋的袋布材料還應(yīng)兼顧透水性和防堵性。防堵性要求對于被保護(hù)土級配良好、水力梯度低、流態(tài)穩(wěn)定、修理費(fèi)用小及不發(fā)生淤堵時，其孔徑應(yīng)符合O95不小于3d15；透水性要求袋布材料滲透系數(shù)為充填砂的滲透系數(shù)的1～10倍。

拋填砂袋材料強(qiáng)度與拋投水深、水流強(qiáng)度、袋體體積形狀、充填砂砂質(zhì)以及充盈度有關(guān)。砂袋布強(qiáng)度是重要指標(biāo)，包括拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、握持強(qiáng)度、頂破強(qiáng)度、脹破強(qiáng)度、材料與土相互作用的摩擦強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)和抗老化性、抗化學(xué)腐蝕性等耐久性能指標(biāo)，砂袋布各種強(qiáng)度指標(biāo)目前還難以理論計(jì)算確定，主要通過大量的工程調(diào)研和現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

根據(jù)長江口地區(qū)多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)來確定拋填袋裝砂袋體的材料。先期選用了800 g/m2的機(jī)織布、500 g/m2的機(jī)織布、260 g/m2的機(jī)織布進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，前兩種材料的泌水性能不如后者，在充灌砂的過程中，飽滿度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，充灌效率也很低。后期又選用了410 g/m2的復(fù)合布和260 g/m2的機(jī)織布進(jìn)行試驗(yàn)比較，前者布體的強(qiáng)度能符合要求，且透水性較好，對于減少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用，但相對來講成本較高，而260 g/m2的機(jī)織布通過砂袋制作時增加排水袖口的措施，可彌補(bǔ)透水性較差的缺點(diǎn)，最終選用了260 g/m2的機(jī)織布。實(shí)踐證明該布體的強(qiáng)度和透水性均能滿足施工和使用要求，充灌效率較高。

2.拋填砂袋尺度設(shè)計(jì)

拋填砂袋尺度應(yīng)根據(jù)各種施工設(shè)備的特點(diǎn)采用不同尺寸大小、不同加工方法的砂袋，充分發(fā)揮各種設(shè)備的功用和施工效率，并最大限度地減少破損率和降低成本。

影響和決定袋體形狀的因素主要是施工工藝。翻板跟網(wǎng)絡(luò)拋袋袋體的形狀采用方形；溜槽拋袋，袋體的形狀采用長條形。袋體的大小取決于船機(jī)設(shè)備的有關(guān)性能。翻板拋袋應(yīng)考慮翻板的寬度、工作面的最大利用率、施工效率及翻板安全工作下的極限允許承載力等因素；網(wǎng)絡(luò)拋袋應(yīng)考慮吊機(jī)的起重能力及平板駁工作面的大小等因素；溜槽拋袋應(yīng)考慮溜槽的孔徑大小等因素。砂袋單層最大厚度主要受砂袋布強(qiáng)度限制，過厚不利于設(shè)計(jì)斷面形狀的形成，過薄砂袋布用料多，將不經(jīng)濟(jì)。

綜合考慮以上因素，并結(jié)合實(shí)際情況，在青草沙水庫工程中主要采用翻板拋袋船施工拋填袋，通過現(xiàn)場實(shí)施試驗(yàn)，推薦采用4 m×6 m和6 m×8 m兩種規(guī)格的拋填砂袋，每層砂袋厚度以0.6～0.8m為宜。充盈度應(yīng)控制在60%～70%左右，有利于控制砂袋密實(shí)性。

3.拋填砂袋施工期穩(wěn)定性

通常由于存在袋內(nèi)砂體在波浪作用下單向搬移的不利因素，單層砂袋的臨界穩(wěn)定波高一般在1.5 m以下。根據(jù)河海大學(xué)的深水航道整治工程物理模型試驗(yàn)成果，在袋裝砂頂部覆蓋了兩層大砂袋，并對頂部兩層砂袋作隔倉處理，其臨界穩(wěn)定波高可提高至2.8 m。因此，本工程在-5.0～-3.0 m高程設(shè)通長高強(qiáng)充填袋裝砂覆蓋，兼作防沖和過渡層，以滿足施工期穩(wěn)定性要求。本工程范圍水深較大，為防止拋填時袋裝砂破裂和增加拋填砂袋施工期穩(wěn)定性和密實(shí)性，要求拋投時上下兩層砂袋按品字形排列，交叉重疊，并注意水流對其的影響，以大大提高砂袋的抗滑穩(wěn)定性。

考慮到龍口設(shè)置在深水段，-3.0 m高程需要度汛，且在圍堤抬高過程中深水段大堤范圍的水流速將進(jìn)一步加大，受水流沖刷強(qiáng)烈，大尺度管袋既需要有一定的強(qiáng)度又要有較好的保砂性能，因此袋布采用410 g/m2高強(qiáng)復(fù)合土工布，內(nèi)層為加強(qiáng)保砂性能采用150 g/m2無紡?fù)凉げ?，外層為抗沖刷采用260 g/m2機(jī)織土工布。

4.拋填砂袋施工期密實(shí)性控制

拋填砂袋堤身的密實(shí)性直接決定工程質(zhì)量和安全，必須加強(qiáng)施工期密實(shí)性控制。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)、結(jié)合砂源情況等，選擇以拋填效率最高的大型翻板船側(cè)翻拋袋為主要施工方式，日最大拋填量可達(dá)2 000 m3左右。施工中采用船載GPS和專用定位軟件進(jìn)行定位，拋填精度較高。

拋袋時砂袋入水后會產(chǎn)生一定距離的漂移，從而影響水下堤身實(shí)際成型效果。施工時采用在砂袋上系浮漂的方法進(jìn)行砂袋漂移試驗(yàn)，測出相同水深條件下各種規(guī)格的砂袋在漲急、落急情況下的大致漂移距離，依據(jù)測定結(jié)果對拋袋的施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。并通過檢測浮漂位置和潛摸的方法檢測實(shí)際拋放位置和拋放質(zhì)量，及時對堤身斷面進(jìn)行測量，掌握水下袋裝砂堤心斷面成型情況，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，決定是否需要補(bǔ)拋，何處需要補(bǔ)拋，確保水下堤身成型質(zhì)量。

拋填砂袋堤身施工完成后，采用水域走航式高密度地震映像法對東堤深槽段局部已拋的水下砂袋體進(jìn)行了試驗(yàn)性檢測，基本查清了布置測線下方拋填砂袋體的平整度、厚度及搭接情況，共發(fā)現(xiàn)17萬m2范圍拋填砂袋體內(nèi)部空洞或搭接異常部位42處，探測結(jié)果表明拋填砂袋內(nèi)部的搭接情況整體上反映良好。