淺談水域橋梁樁基水土保持監(jiān)測(cè)

林曉渝,汪海飛,王 森,江 濤

(1.杭州華辰生態(tài)工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310014；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310014)

目前交通項(xiàng)目水土保持的主要監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)殛懮喜糠?且監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段較為成熟；水域部分因其施工的特殊性,水土保持監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)為泥漿鉆渣的防護(hù)與處置,樁基施工對(duì)水域的影響等。但截至目前,尚無(wú)關(guān)于專(zhuān)門(mén)針對(duì)水域橋梁樁基施工造成的水土流失的成熟觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)與方法,對(duì)于橋梁樁基施工產(chǎn)生的水土流失量觀測(cè)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè),需要在實(shí)踐中進(jìn)行技術(shù)方法的思考和探索。

1 水土保持監(jiān)測(cè)的目的和意義

1.1 項(xiàng)目本身的需要

陸上部分涉及的主要水土保持監(jiān)測(cè)對(duì)象如棄土(渣)場(chǎng)、土(石)料場(chǎng)、高填深挖路段和土 (石)料臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)場(chǎng)等,根據(jù)目前的技術(shù)規(guī)范,對(duì)該類(lèi)對(duì)象可采取的地面觀測(cè)和調(diào)查監(jiān)測(cè)方法均很成熟。但是,對(duì)于工程施工對(duì)水系的影響、水域中橋梁樁基施工造成的水土流失等鮮有可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和手段。水域橋梁樁基施工多采用松木樁、鋼板樁和鋼套筒等防護(hù),樁基管樁施工擾動(dòng)河床,對(duì)水系水域輸沙過(guò)程、河床和下游區(qū)域產(chǎn)生的影響,防護(hù)措施的防治效果等,因缺乏可操作的監(jiān)測(cè)方法或手段而難以獲取相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此,需亟待探索交通項(xiàng)目水域橋梁樁基施工區(qū)域可采取的水土保持監(jiān)測(cè)方法。

1.2 對(duì)地方水文勘測(cè)的補(bǔ)充

目前,已有部分地區(qū)開(kāi)始將水土保持監(jiān)測(cè)和水文監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)開(kāi)展[1],因?yàn)閮烧叽嬖谙嚓P(guān)性,主要表現(xiàn)為水土保持監(jiān)測(cè)中的自然環(huán)境因素、人為活動(dòng)影響因子等與水文勘測(cè)要求大致相同,監(jiān)測(cè)方法也有相似可借鑒之處。因此,在交通項(xiàng)目水域橋梁樁基施工過(guò)程中開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)工作,能夠補(bǔ)充完善地方水文站網(wǎng)勘測(cè)功能。

1.3 幫助區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的改善

水域橋梁樁基施工造成的水土流失主要反映在水域泥沙含量變化上,而河流泥沙含沙量監(jiān)測(cè)是水利建設(shè)、環(huán)境保護(hù)以及水土流失等獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要手段,與地方國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展關(guān)系密切[2]。因此,對(duì)橋梁施工水域進(jìn)行水土流失量監(jiān)測(cè),既可滿足水土保持監(jiān)測(cè)定量化的要求,又可以對(duì)該區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)提供幫助。

2 水域橋梁施工特點(diǎn)及水土流失機(jī)制

2.1 水域橋梁施工特點(diǎn)

水域橋梁施工主要分為輔助設(shè)施和主橋2部分,在空間上按照從下到上的工序進(jìn)行施工。

2.1.1 輔助設(shè)施施工工藝

水域橋梁施工輔助設(shè)施主要有棧橋、臨時(shí)碼頭和鉆孔平臺(tái)等。在施工時(shí),將起重機(jī)和振動(dòng)錘配合使用沉放管樁,再用起重機(jī)安裝梁、板,之后進(jìn)行焊接等工作。

2.1.2 主橋施工工藝

主橋施工主要由以下幾道工序構(gòu)成：鉆孔樁施工、承臺(tái)施工、墩身施工、橋臺(tái)施工、箱梁施工、附屬結(jié)構(gòu)物施工。

鉆孔樁施工時(shí),采用起重機(jī)、導(dǎo)向架和振動(dòng)錘將鋼護(hù)筒沉放至設(shè)計(jì)高程,之后用回旋鉆機(jī)或者沖擊錘配合起重機(jī)進(jìn)行鉆孔施工,成孔后進(jìn)行清孔操作。成孔檢驗(yàn)合格后,安裝、接長(zhǎng)鋼筋籠,并將鋼筋籠固定在護(hù)筒上,2次清孔后進(jìn)行水下混凝土施工。

按照泥面高程不同,承臺(tái)施工方法分為鋼板樁圍堰施工和有底鋼吊箱施工。鋼板樁圍堰施工用于泥面高程較高的情況,施工時(shí),先用起重機(jī)配合振動(dòng)錘對(duì)鋼板樁進(jìn)行施打沉放,然后抽水清淤,用混凝土封底后安裝側(cè)模。有底鋼吊箱用于泥面高程較低的情況,主要工序?yàn)榈跸渲?、?cè)板安裝、鋼護(hù)筒割除、樁頭鑿出、混凝土施工等。

墩身施工工序主要為墩身鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑養(yǎng)生、墩帽底模安裝、鋼筋加工安裝、混凝土澆筑養(yǎng)生和模板拆除等。

橋臺(tái)施工工序主要為清表、放線、基坑開(kāi)挖、基礎(chǔ)混凝土澆筑、臺(tái)身模板安裝、混凝土澆筑養(yǎng)生、臺(tái)帽背墻鋼筋安裝、模板安裝、混凝土澆筑和模板拆除等。

箱梁施工一般采用移動(dòng)模架進(jìn)行現(xiàn)澆施工。附屬結(jié)構(gòu)物施工主要為橋面系、伸縮裝置、墊石和支座的施工。

2.2 水域橋梁施工水土流失機(jī)制及危害

2.2.1 水域橋梁施工水土流失機(jī)制

通過(guò)對(duì)華東地區(qū)的溫州市大門(mén)大橋一期工程、椒江二橋及接線工程和諸永高速公路溫州段延伸工程等項(xiàng)目水域橋梁施工水土保持監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),水域橋梁施工水土流失主要發(fā)生在船舶運(yùn)輸、輔助設(shè)施建設(shè)和主橋建設(shè)3個(gè)階段。

根據(jù)水域橋梁施工特點(diǎn),相關(guān)建材靠船舶運(yùn)輸,在運(yùn)輸過(guò)程中運(yùn)輸船對(duì)項(xiàng)目建設(shè)區(qū)水體上層流速產(chǎn)生影響,使該層的泥沙搬運(yùn)狀態(tài)產(chǎn)生變化。

因棧橋、臨時(shí)碼頭和鉆孔平臺(tái)等輔助設(shè)施的施工需要,在河(海)床、沿河 (海)灘涂和河 (海)岸等處沉放、施打大量的管樁基礎(chǔ)。在沉放和施打管樁的過(guò)程中,必然會(huì)影響水文勘測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí),改變水域泥沙運(yùn)移的自然狀態(tài),其中包括管樁對(duì)水體懸移質(zhì)和推移質(zhì)搬運(yùn)過(guò)程的阻滯,改變河(海)床底泥穩(wěn)定狀態(tài),產(chǎn)生新的懸移質(zhì)和推移質(zhì),海潮和降水沖刷灘涂將泥沙帶入水體,河岸受到鑿擊后碎屑掉入水域等。

主橋鉆孔施工過(guò)程中,需不斷向管樁內(nèi)加水稀釋管樁內(nèi)的泥漿,然后由水泵抽至中轉(zhuǎn)臺(tái),再由中轉(zhuǎn)臺(tái)抽至運(yùn)輸車(chē),外運(yùn)至附近泥漿池,或者由泥漿船駁運(yùn)至指定地點(diǎn)。如未能夠安排足夠數(shù)量的運(yùn)輸車(chē)或泥漿船,將會(huì)造成中轉(zhuǎn)臺(tái)泥漿滿溢,流入水體中,污染水環(huán)境。鋼筋籠固定好之后,混凝土澆筑時(shí),如不合理控制加水比例,亦可能使管樁中的泥漿滿溢進(jìn)入水體。因此,鉆孔灌注樁是水域橋梁施工過(guò)程中最容易產(chǎn)生水土流失的過(guò)程。

此外,承臺(tái)和墩身施工過(guò)程中需進(jìn)行泥漿灌注和現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑,若鋼套筒或模板防護(hù)不到位,泥漿和混凝土很可能落入水體。因此,河(海)床、沿河(海)灘涂和河(海)岸成為水土流失發(fā)生的主要部位。

2.2.2 水域橋梁施工對(duì)水土流失的影響及危害

根據(jù)華東地區(qū)水域水文條件和橋梁施工特點(diǎn),橋梁施工對(duì)下游影響更甚,范圍比上游更廣；上游受河(海)床地形和漲、落潮等因素影響產(chǎn)生回流的情況下,在局部有限區(qū)域受到影響。

水域橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)周邊基本為江河水域及灘涂泥地。橋梁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁施工產(chǎn)生的水土流失將直接或間接進(jìn)入附近水域,致使工程周邊水域產(chǎn)生局部污染和泥沙淤積,影響其局部水體水質(zhì)；同時(shí),橋梁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁施工征占海域、航道和養(yǎng)殖水面較大,使原有的自然景觀被施工場(chǎng)地和工程景觀所替代,影響通航和行洪能力,對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成不良影響,造成水體生物多樣性下降,并影響當(dāng)?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)和日常用水。

3 監(jiān)測(cè)原則、內(nèi)容、范圍、方法和設(shè)備

3.1 監(jiān)測(cè)原則

水域橋梁樁基施工的水土保持監(jiān)測(cè)是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作的組成部分,水域橋梁因其施工的特殊性,其于水土保持監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展不同于常規(guī)陸上監(jiān)測(cè)。為做好水域橋梁水土保持監(jiān)測(cè)工作,建議遵循以下原則：

(1)根據(jù)施工工序、施工內(nèi)容,將監(jiān)測(cè)期細(xì)分為施工準(zhǔn)備監(jiān)測(cè)期、正式施工監(jiān)測(cè)期和施工結(jié)束監(jiān)測(cè)期等,以便確定各階段監(jiān)測(cè)的頻次和主要內(nèi)容。

(2)經(jīng)濟(jì)和安全條件允許的情況下,布設(shè)相當(dāng)密度和有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,包括臨時(shí)性監(jiān)測(cè)點(diǎn)和長(zhǎng)期性監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(3)采用多樣化、針對(duì)性強(qiáng)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)內(nèi)容是根據(jù)已審批的水土保持方案確定的,在水域橋梁施工水土保持監(jiān)測(cè)工作中,應(yīng)對(duì)以下幾方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)：

(1)生態(tài)環(huán)境變化情況。水域橋梁施工引起的地形地貌、水系等變化情況,上下游河流泥沙量變化等。

(2)泥漿鉆渣運(yùn)輸、臨時(shí)貯存、外運(yùn)處置等情況應(yīng)全過(guò)程跟蹤調(diào)查,尤其要主要實(shí)地調(diào)查外運(yùn)綜合利用地。

(3)樁基周邊臨時(shí)防護(hù)措施的實(shí)施情況,如防護(hù)材質(zhì)、形式、實(shí)施時(shí)間、有無(wú)滲漏等。

(4)如有泥漿鉆渣溢出或因防護(hù)問(wèn)題引起亂流,或有亂排、亂倒等違法事件發(fā)生,則應(yīng)調(diào)查對(duì)水系和周邊造成的危害。

3.3 監(jiān)測(cè)范圍

監(jiān)測(cè)范圍根據(jù)項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍確定,應(yīng)覆蓋項(xiàng)目建設(shè)區(qū)和可能涉及的直接影響區(qū)。一般而言,項(xiàng)目建設(shè)區(qū)范圍根據(jù)項(xiàng)目主體資料較容易確定,而直接影響區(qū)需經(jīng)綜合分析后確定,而不應(yīng)簡(jiǎn)單外延。位于河道行洪范圍內(nèi)的水域橋梁施工區(qū),直接影響范圍可沿施工場(chǎng)界,向上游側(cè)延伸20～50m,向下游側(cè)延伸500～2000m,兩側(cè)以河道行洪范圍為邊界。

3.4 監(jiān)測(cè)方法和設(shè)備

3.4.1 水體泥沙含量監(jiān)測(cè)

水域橋梁樁基施工產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為對(duì)水體中泥沙含量的影響,在施工過(guò)程中影響原有泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律并可能產(chǎn)生新的泥沙。因此,對(duì)水域橋梁造成的水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)需綜合分析懸移質(zhì)、推移質(zhì)和底泥的變化情況。

國(guó)內(nèi)外測(cè)量泥沙含量的方法主要分為2大類(lèi)：直接測(cè)定法和間接測(cè)定法。

3.4.1.1 直接測(cè)定法

直接測(cè)定法是通過(guò)取樣,除去泥沙中的水分,以確定其含沙量。直接測(cè)定法中應(yīng)用最廣泛的是烘干法,該方法通過(guò)在施工水域上下游取樣,過(guò)濾、稱(chēng)重、求差,來(lái)反映施工擾動(dòng)產(chǎn)生的水土流失。通過(guò)對(duì)溫州市大門(mén)大橋一期工程、椒江二橋及接線工程和諸永高速公路溫州段延伸工程等線性項(xiàng)目和火電、水電等點(diǎn)狀項(xiàng)目的貨運(yùn)碼頭水土保持監(jiān)測(cè)工作實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、易行,精度較高。通過(guò)施工前、施工高峰期和自然恢復(fù)期在溫州市大門(mén)大橋一期工程上下游50m范圍內(nèi)取樣、烘干、稱(chēng)重推算出橋梁防治責(zé)任范圍內(nèi),土建高峰時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)比施工前和自然恢復(fù)期高出100～500t/(km2·a)。但是,該方法存在易擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、測(cè)量周期長(zhǎng)、點(diǎn)位不固定、不能連續(xù)測(cè)量和勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷。

另一種直接測(cè)定法是比重計(jì)法。比重計(jì)法利用比重計(jì)在施工水域上下游進(jìn)行讀數(shù)來(lái)反映水體泥沙含量的變化。受施工水域水流、船舶航行和施工等因素影響,水面起伏較大,影響正確讀數(shù),因此用比重計(jì)直接測(cè)定泥沙含量獲取的數(shù)據(jù)誤差大。

3.4.1.2 間接測(cè)定法

間接測(cè)定法是通過(guò)泥沙特性來(lái)確定含沙量的方法,其不破壞實(shí)驗(yàn)環(huán)境,可作定點(diǎn)連續(xù)測(cè)量,是水域橋梁樁基施工水土保持監(jiān)測(cè)研究的最佳方法。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外科技人員一直在積極探求含沙量的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)方法,如超聲法[4-8]、紅外線法[9]、激光法[4,10]、γ射線法[11]、振動(dòng)法[4,12]、電容法[13-14]等。

(1)超聲法利用遇到沙時(shí)產(chǎn)生的反射波,轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào),經(jīng)放大電路放大后,由計(jì)數(shù)電路將電脈沖的數(shù)量記下來(lái),所記下的數(shù)量與脈沖數(shù)成比例,即與沙粒成比例,從而可測(cè)含沙量。該法對(duì)低含沙量水流特別靈敏,且測(cè)量精度較高,只是測(cè)量范圍較窄。此外,可以根據(jù)超聲波在含沙水流中的衰減律,將超聲波在含水流中的衰減系數(shù),經(jīng)一定的變換后達(dá)到檢測(cè)含量的目的。

(2)紅外線法利用光電傳感器測(cè)量懸沙對(duì)紅外光源的影響,經(jīng)過(guò)相應(yīng)電路將信號(hào)放大,有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理,得出泥沙含量。

(3)激光法利用先進(jìn)的激光測(cè)量?jī)x器,對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的流速進(jìn)行矢量測(cè)定。通過(guò)在測(cè)量時(shí)在流動(dòng)介質(zhì)中加入示蹤粒子,跟隨介質(zhì)一起運(yùn)動(dòng),以此測(cè)得泥沙含量和分布情況。但由于泥沙顆粒具有不規(guī)則性、非均勻性和弱反光性,這些都會(huì)對(duì)激光法測(cè)量泥沙結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

(4)γ射線法利用一定強(qiáng)度的γ射線穿過(guò)一定厚度(即放射源與探頭間的距離)的渾水后,γ射線會(huì)被渾水所吸收。根據(jù)水、沙對(duì)γ射線共同吸收的原理測(cè)得含沙量。

(5)振動(dòng)法利用棒體諧振原理,用一充滿水的金屬空管代替棒體,其密度與金屬空管材料和水的質(zhì)量相關(guān)。當(dāng)注入不同含沙量的水體時(shí),棒體密度發(fā)生了變化,產(chǎn)生不同的振動(dòng)周期,因此,可以通過(guò)測(cè)量密度可得含沙量。

(6)電容法是利用泥沙與水的混合物引起的介電常數(shù)差異的電物理特性,采用變介電常數(shù)電容式傳感器原理,將被測(cè)泥沙含量轉(zhuǎn)化成電容量的變化,從而測(cè)得水體中的泥沙含量。

此外,還有日本學(xué)者應(yīng)用日本土木研究所開(kāi)發(fā)的河床侵蝕觀測(cè)裝置,超聲波堆積層厚度監(jiān)測(cè)儀、振動(dòng)計(jì)和推移質(zhì)采樣器等進(jìn)行姬河流沙系統(tǒng)泥沙監(jiān)控[15]。

3.4.2 泥漿鉆渣監(jiān)測(cè)

橋梁樁基施工過(guò)程中產(chǎn)生的泥漿鉆渣常存放在臨時(shí)的鋼套筒、鋼套箱或者泥漿池內(nèi),用來(lái)造漿護(hù)壁,多余的泥漿鉆渣用泥漿船外運(yùn)或用輸漿管輸送至指定區(qū)域沉降。然而在施工過(guò)程中,往往會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)鋼套筒、鋼套箱和泥漿池破損,導(dǎo)致泥漿外溢；或者泥漿船運(yùn)輸頻次不夠、輸漿管破裂等情形,導(dǎo)致泥漿鉆渣直接向水域排放。對(duì)此,在監(jiān)測(cè)工作中建議做好以下3個(gè)方面的工作：首先,明確泥漿鉆渣排放及去向情況；其次,加大現(xiàn)場(chǎng)巡查頻次,密切關(guān)注泥漿鉆渣存放和去向情況,督促施工單位委托有資質(zhì)的單位進(jìn)行泥漿鉆渣外運(yùn)工作,并安排合法臨時(shí)存放點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)泥漿鉆渣外溢,及時(shí)通知相關(guān)責(zé)任單位進(jìn)行整改；其次,建議施工單位建立泥漿鉆渣外運(yùn) (或排放)臺(tái)賬,報(bào)監(jiān)理單位審核,每次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)進(jìn)行查閱。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷開(kāi)展,交通項(xiàng)目水域橋梁施工的水土保持監(jiān)測(cè)工作將成為必不可少的一項(xiàng)工作。

目前,交通項(xiàng)目水域橋梁施工水土保持監(jiān)測(cè)實(shí)際可操作方法和設(shè)備比較單一,測(cè)量精度低、不連續(xù)性和高勞動(dòng)強(qiáng)度等缺陷已表明傳統(tǒng)泥沙直接測(cè)定方法使用受到限制。一些現(xiàn)代監(jiān)測(cè)方法因儀器穩(wěn)定性、量程、設(shè)備成本等原因未被廣泛應(yīng)用。因此,結(jié)合水域橋梁施工過(guò)程,進(jìn)一步研究操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用范圍廣的監(jiān)測(cè)方法,將會(huì)為交通項(xiàng)目水域橋梁施工水土保持監(jiān)測(cè)工作提供必要的幫助；繼續(xù)研發(fā)和不斷完善具有價(jià)格適中、寬量程、高集成度、較好的穩(wěn)定性以及高精度泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備,對(duì)交通項(xiàng)目水域橋梁施工水土保持監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

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