冰上石籠沉排施工在工程中的應用

郭海

（水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

1 冰上石籠沉排工程的試驗研究

松遼流域冬季漫長寒冷，夏季溫濕多雨，這種氣候特點，決定了東北地區(qū)水利工程的施工期非常短，同時不少大江大河的險工段長年處于水位變化區(qū)域，常規(guī)的防護方式無法滿足大規(guī)模河道治理的需要。

1991—1994年，松遼水利委員會科研所、吉林省松原市水利水產局、吉林省扶余縣水利局在松花江扶余段進行了《深水冰上大面積土工織物沉排技術研究》獲得了成功。研究立足于險工河段的治理，以現(xiàn)場工程試驗和觀測為主，結合理論分析，科學地提出了該技術的設計方法和施工工藝，為江河的護岸增添了一項新技術。

項目針對傳統(tǒng)江河護岸方法中存在的問題和大量險工護岸的需要，利用北方河流冬季結冰的特點，以現(xiàn)場工程試驗和觀測為主，結合理論分析，研究出質量好、技術先進、造價低、施工快的護岸新技術。主要研究排體結構、鋪排和可靠的沉放技術。 冰上大面積和深水沉排，對排體結構的特殊要求是其具有良好的整體性和柔性。設計中采用了土工織物鋪底層，上加壓載并相互連結的基本結構，解決了反濾、防沖和排體穩(wěn)定問題。壓載根據(jù)工程要求采用厚0.30 m的方形鐵絲石籠和石籠網(wǎng)格加土袋。冰上沉排的最大優(yōu)點是順岸單塊排寬可以很大，對護岸的整體穩(wěn)定性和加快施工速度很有利。研究采用的單塊排寬最大600 m，最小300 m，相應單塊排體面積12000 m2和6000 m2。對沉排的剪力和穩(wěn)定性進行了分析，確認足夠安全。 軟排施工經嚴密組織，充分準備，采取了分段快速鋪排、加強冰層溫度和排體變形監(jiān)測、均勻破冰、一定強迫整體沉放等技術措施，保證了大面積排體在水深13.4 m，流速1.2 m/s條件下，達到基礎均勻和順利下沉就位的目標。成果已在4處險工護岸中推廣應用，總護岸長度3485 m，經過3年和4年運行，排體穩(wěn)定，護岸效果良好，與原設計多柳枝壓石和拋石護岸分別節(jié)省工程費25.7%和47.2%。成果經1994年鑒定后，分別在松花江、第二松花江和遼河沿岸地區(qū)廣泛推廣應用，取得顯著的經濟社會效益。松花江干流有近百處險段，嚴重威脅著人民群眾的生命財產和安全。因此，該項成果的應用前景廣闊。

2 冰上石籠沉排的應用情況

1998年松花江特大洪水發(fā)生后,哈爾濱市水利規(guī)劃設計研究院在“松干堤防應急渡汛防洪工程”設計引進了軟體沉排新技術,應用在護岸工程上。其中，木蘭縣松干堤防護岸總長1000 m，軟體排面積20000 m2，雙城市松干堤防護岸總長2150 m,軟體排面積56000 m2；黑龍江農墾勘測設計研究院設計的黑龍江干流勤得利十三隊臥?？谧o岸工程、烏蘇里江八五九東安護岸工程，兩處護岸沉排面積共80100 m2，分別于1999年和2004年完成，到2014年底，所調查沉排工程運行狀態(tài)良好。

2002年，松遼委嫩江右岸省界堤防工程建設管理局負責建設的嫩江右岸省界工程中，在嫩江右岸省界堤防工程的白沙灘險工護岸設計中，采用軟體沉排鉛絲石籠網(wǎng)格、沙袋壓載的設計方案進行險工治理。該段險工長3.3 km，沉排橫向長15 m，沉排面積為49500 m2。工程2003年3月完工，經過1年運行，由于嫩江水位變化較大，壓載的沙袋在枯水期暴露在水上，使沙袋老化破裂嚴重，砂土被水沖刷流失。經過專家論證，在枯水位區(qū)域內，使用石塊進行壓載處理。此后經過10年的運行，工程未出現(xiàn)任何河岸崩塌，尤其是2013年嫩江大水后，該險工護岸工程完好。2008年，在嫩江右岸省界堤防工程馬蹄子險工護岸工程和半拉山泵站進水口護底工程，黑龍江省水利水電設計院，提出了格柵石籠軟體沉排的方案進行該段險工治理和灌溉站進水口底部防護，兩項工程2009年完工。經過4年的運行，防護效果顯著，尤其是經過2013年嫩江大洪水的考驗，工程運行良好。

近年來，隨著石籠沉排技術完善和外包材料的發(fā)展，這種冬季冰上石籠沉排新工藝、新技術，在松遼流域的河道險工治理和國境界河國土防護工程上得到了廣泛的應用。延長了東北地區(qū)水利工程建設的施工期，滿足了大規(guī)模水利工程建設的需要。實踐證明，這種方法在近年來完成的護岸工程中防護效果比較好，并且在結構上更適用于東北獨有的凍脹變形特點，適用于東北冬季施工。

3 石籠沉排工程設計要點

險工護岸工程結構由護坡段、固腳及其以下設護腳段。石籠沉排是河道險工護岸的組成部分，一般以河流多年枯水位為界，枯水位以下使用石籠沉排護腳形式，其上部用干砌塊石、混凝土砌塊等常規(guī)護砌形式。冰上石籠沉排由沉排固腳、排體組成。固腳體一般設計為鋼筋石籠、干砌塊石或混凝土結構；排體結構是由反濾布、沉排壓載體組成。工程設計時，首先應進行河道險工位置地形圖、縱、橫斷面圖，造床流量及相應的流速，冬季冰層厚度，多年平均枯水位及土質類別等資料的收集，以便確定排體結構尺寸。

3.1 沉排固腳體設計

固腳為擔負沉排排體穩(wěn)定的錨固體，同時也是上部護岸結構物的底腳，為此，在設計固腳的結構時要能夠同時保證上下兩部分結構的穩(wěn)定，又要考慮施工條件、工期要求等因素確定。

混凝土固腳為剛性結構，對地基要求較高。由于固腳建基位置為多年平均枯水位附近，高程較低，基礎處理較為困難，在軟弱地基上澆筑固腳混凝土，運行期因基礎沉陷或凍脹變形將會產生斷裂、傾倒等現(xiàn)象。工程建設期正遇豐水年，秋季江河水位較高，混凝土難于施工，入冬后水位下降，東北氣溫又不允許混凝土施工，造成工期延誤。

鋼筋石籠固腳、干砌石固腳對地基要求相對較低，較小的變形不會影響固腳的穩(wěn)定性，施工期不受季節(jié)限制，負溫條件下可正常施工，工程工期有保證。

鋼筋石籠固腳一般由直徑12 mm鋼筋焊接籠體骨架，內襯鉛絲（或格柵）網(wǎng)片、無紡布組成，籠內人工砌裝滿塊石后封蓋并焊牢，同時兩側填土夯實。

鋼筋石籠固腳斷面尺寸，一般寬100 cm左右，高120～150 cm能夠滿足工程穩(wěn)定要求。不同的地形、水深及上部護坡高度，其固腳尺寸亦不相同，應根據(jù)實際情況而設定。

3.2 排體的設計

軟體排具有良好的柔韌性,適應水下河床表面形狀和變化,緊貼其上；軟體排因其連結方式具有良好的連續(xù)性和整體性，并有足夠的強度,因此能夠發(fā)揮整體效應。軟體排的物理學性質滿足工程要求,底布具有良好的反濾、防沖作用,有較高的抗拉強度,在水下又不易老化，使用年限耐久。

冬季冰上軟體沉排是在冰上制排。經破冰沉放后，體排覆蓋可能沖刷的部位,使其河床穩(wěn)定。它由土工織物墊(或稱底布、各底布由足夠強度的尼龍繩連接成一整體)加筋帶，鉛絲石籠壓載等組成。

排體的底布要求有足夠的強度，不僅能夠滿足沉放過程因排體沉降速度不均勻產生的拉力，而且要保證水下地形起伏變化產生的拉力下不被破壞，保持排體在沉放過程和運行期的完整性。因此要經計算和試驗確定，以保證土工織物的經向和緯向滿足設計強度。在排體運行過程中,需要具有反濾功能。所以，在選擇排布時要根據(jù)河床土質顆粒組成，設計土工織物的等效孔徑。

一般選用400 g/m2的編織土工物做排布，根據(jù)壓載重量大小也可用400～600 g/m2的無紡布做排布，造價低且適應性強。

排體伸入河底長度，即排長。一般說來排尾伸到護腳斷面的最低點，由于水流側蝕作用受到了限制，護腳處河床必然沖深加大，護腳尺寸，應滿足河床沖至最低高程時護腳坡度仍能維持穩(wěn)定，也就是說，設計排體長度時，要通過計算確定護腳后的沖刷深度，在河床受沖刷后，排體仍能有效地保護岸坡。

3.3 沉排壓載設計

鉛絲石籠沉排護腳是用鉛絲編制成網(wǎng)格的籠狀物體，內砌塊石，網(wǎng)格大小以不漏填充的石塊為限。鉛絲一般采用8號鉛絲編制成網(wǎng)格，并按（0.3～0.5）m×（0.3～0.5）m 的間距布置好對拉鉛絲，將上下網(wǎng)片與砌體綁緊，以增加石籠的整體性。

隨著新材料的發(fā)展，使用高強的土工格柵、加筋格賓網(wǎng)、格賓網(wǎng)、格賓籠、鉛絲籠、雷諾護墊等作為外包材料發(fā)展趨勢很快，極大地推動了沉排工程的使用范圍和規(guī)模。

確定石籠沉排厚度時應考慮兩個因素。1）排體運行期受水流作用或風浪作用能過滿足穩(wěn)定要求；2）根據(jù)施工期冰層厚度，壓載體重量應滿足排體沉放要求。在滿足工程運行安全的情況下，如果施工期冰層過厚，壓載厚度相應增加；否則，排體難于按設計位置沉下，發(fā)生排體隨冰排漂移現(xiàn)象。而施工期冰層較薄，排體設計過厚，冰層承載力不足，則易造成施工安全問題。

多年來，東北地區(qū)排體壓載厚度一般為0.3～0.5 m。嫩江下游、第二松花江及其以南地區(qū)取小值，黑龍江干流及嫩江上游、松花江下游取大值。

4 冰上石籠沉排工程施工

冰上石籠沉排工程施工完全是在冰上作業(yè)，冰層厚度和當?shù)刎摎鉁厥潜献鳂I(yè)的必要條件。石籠厚40 cm以內沉排，冰層初期厚度不小于60 cm，施工期最高氣溫不高于-5℃；石籠厚度大于50 cm沉排，冰層初期厚度不小于70 cm。遼河流域僅在1月份具備施工條件；松花江流域冰上沉排施工期一般在12月中下旬至2月中下旬；黑龍江流域和松花江流域北部最遲工期應控制在3月10日之前。

軟體沉排工程主要用于河道或堤防迎水坡腳險工護岸工程。一般以冬季枯水位高程位置設置固腳，固腳以下設置石籠沉排，固腳以上采取砌石或混凝土護坡（岸）。沉排施工包括固腳和冰上沉排兩部分施工。

4.1 施工準備

4.1.1 水下地形測量與補填

根據(jù)設計和施工要求，按照設計圖紙和現(xiàn)場提供的施工測量坐標對施工現(xiàn)場進行測量放線，并作出平面圖和斷面圖。如發(fā)現(xiàn)陡坎在冰上做好浮標記號以便于施工。軟體沉排雖能夠適應地形變化，但對于較陡地形，沉排沉放后對固腳下脫力較大，影響固腳穩(wěn)定，對工程安全不利。為此，對于水下陡于設計坡比的地形，要進行土方或拋沙（土）袋回填，調整排下水下地形坡度。

4.1.2 施工材料準備

1）排布。 根據(jù)設計排體結構準備排布，一般排布采用雙層布，上層以反濾為主，下層用編織布增加排體強度，使排體具有整體性；也可用加厚的單層無紡布，可起到雙重作用。白沙灘護岸工程沉排使用雙層排布，上層采用針刺滌綸短絲無紡布，單位質量不小于150 g/m2，縱橫向抗拉強度不小于225 N/5 cm，滲透系數(shù)不小于1×10-3cm/s，等效孔徑不大于0.17 mm。延伸率不小于25%，撕裂強度不小于120 N，CBR頂破強度不小于600 N。下層采用滌綸機織長絲土工布，單位質量不小于160 g/m2，縱向抗拉強度不小于2000 N/5 cm，橫向抗拉強度不小于1500 N/5 cm滲透系數(shù)不小于1×10-2～1×10-3cm/s，等效孔徑不大于 0.12 mm。延伸率不小于25%，CBR頂破強度不小于4000 N。馬蹄護岸工程沉排使用單位質量為600 g/m2土工布，同樣收到良好效果。

2）鐵線。 采用工地常用的8號鐵線，抗拉強度T不小于380 N/mm2，伸展率12%，鋅層量 30 g/m2。材料進場后存放在鉛絲籠預制廠。

3）毛石。毛石根據(jù)施工現(xiàn)場實際施工情況從附近采購。采購的標準按照毛石的抗壓強度T不小于30 MPa，石籠內塊石粒徑大于20 cm應占85%。材料進場后存放在施工區(qū)堆放。

4.1.3 固腳鋼筋和鉛絲籠網(wǎng)片加工

冰上石籠沉排固腳一般設計為鋼筋骨架石籠形式，并用粗鋼筋加以錨固，保證沉排沉放和運行時穩(wěn)定。白沙灘險工護岸和馬蹄護岸沉排石籠固腳均用Φ12鋼筋做骨架，白沙灘險工護岸沉排石籠固腳設置了2 m長Φ28的鐵樁錨固。 按照設計和施工要求人工編制鉛絲網(wǎng)片，采用8號鍍鋅鐵線編制，鉛絲網(wǎng)格尺寸為13 cm×13 cm棱形，節(jié)點不小于兩扣。鉛絲石籠斷面鐵線不少于20根，鉛絲石籠斷面鐵線間距8～10 cm。鉛絲籠網(wǎng)片預制寬度和長度根據(jù)設計石籠斷面、排長確定。編制好的網(wǎng)片卷好待用。

4.2 施工方法

4.2.1 錨固槽開挖及坡面處理

錨固槽開挖采用人工挖槽或機械開挖人工修槽的方法進行，無論使用何種開挖方法，錨固槽底部達到設計高程后必須密實無松土，槽寬與設計石籠同寬，保證固腳穩(wěn)定。 排布定點廠家進行制作或批量進料現(xiàn)場縫合，順水流方向可連續(xù)縫合，或根據(jù)設計分成單塊排體；垂直水流方向長度要大于設計排長1 m，用以包裹排尾，保證排體沉放時整體穩(wěn)定。兩層排布之間采用間距2.0 m×2.0 m結點帶子縫合成整體，結點帶子后期與鉛絲石籠綁扎在一起。排布在現(xiàn)場采用尼龍線縫合方法連接?，F(xiàn)場縫合宜用手提式縫合機?？p合強度不宜低于母體強度80%。排布垂直水流方向鋪設，沿垂直水流方向縫合，縫接方式采用折疊縫。對接長度30 cm。

4.2.2 錨固槽鉛絲籠砌石

采用裝載機裝5 t翻斗車到運石料到裝籠現(xiàn)場，按照設計和施工規(guī)范要求人工填砌石籠，毛石粒徑不小于15 cm，孔隙可用小塊石填充，石籠空隙率不大于20%。待石籠石料填充完成后，用8號鐵線將鉛絲石籠兩端連接使之形成完整的石籠，上部骨架筋焊接牢固。待石籠石料填充完成后，用8號鐵線將鉛絲石籠兩端連接使之形成完整的石籠。兩條單條石籠間用8號鐵線間隔2 m連在一起，保持沉排整體性。

4.2.3 沉排沉放

鋪排、沉排均在冰上一次完成，排體應連成整體和具有一定的柔性。排的前端和兩側應加重邊載。施工時間不宜過長，在石籠壓載的情況下，凍結期施工時的冰厚以不小于60 cm為宜，施工時間以控制在20 d左右為宜。軟體排沉放前，排首應牢固地錨固在岸坡上，以防排體沉放時滑入水中。冰上沉排深水位置宜采取強迫沉排方法，特別是在深水中和單塊排體面積很大的情況下，以控制排體能均勻下沉，加快沉排速度。

4.3 施工質量保證措施

1）嚴格控制毛石的質量。毛石石質要堅硬，抗壓強度不小于30 MPa的塊石。

2）鉛絲網(wǎng)編制應滿足設計和規(guī)范要求，編制過程中，經常檢查網(wǎng)眼尺寸及鉛絲網(wǎng)尺寸。若出現(xiàn)與設計不符情況下，及時返工。

3）石籠砌筑過程中檢查砌石質量，保證平整石面放置在下層，以防止土工布破損，還要保證外露各面盡量平整，毛石粒徑大于20 cm應占85%。

4）在進行軟體沉排施工時，選派有經驗的工程技術人員在現(xiàn)場進行監(jiān)督和指導，應密切配合監(jiān)理工程師的工作，及時報告施工檢查中發(fā)現(xiàn)的問題，并及時提供自檢的資料。

5）每一段軟體沉排施工完畢后，按監(jiān)理工程師要求和規(guī)定及時報請監(jiān)理工程師進行檢查驗收，檢查后認為質量不合格，及時按監(jiān)理工程師的指示及時返工至合格為止。

6）當軟體沉排工程完工后，按監(jiān)理工程師的要求測量水下斷面并負責編制包括分布工程驗收、竣工圖及資料。

7）貫徹執(zhí)行質量“三檢制”，對質量進行檢查、監(jiān)督、驗收，嚴格控制各道工序施工質量，做到“三不放過”，確保工程施工質量優(yōu)良。

5 結論與建議

通過松遼流域水利工程建設實踐，冬季冰上石籠沉排工程效果良好，施工方法簡單易行，在松遼流域內得到了廣泛應用，而且有效延長了東北地區(qū)工程的施工期，加快了工程建設進度。

建議在《水利建筑工程概（預）算定額》中，增補冬季冰上石籠沉排定額，可以有效地適應寒冷地區(qū)水利工程建設和市場經濟體制的需要，合理確定和有效控制水利工程基本建設投資，提高投資效益。