膜袋砂圍堰施工在鯉魚島水閘改造工程的應(yīng)用

黃舜祥

（福建省惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 泉州 362100）

1 工程概況

外走馬埭海堤位于福建省湄洲灣南岸惠安縣境內(nèi)，地處惠安縣輞川、東橋、凈峰三鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)，海堤全長14.011 km。原設(shè)計(jì)為3 級堤防，防潮標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，保護(hù)對象為外走馬埭墾區(qū)。該工程施工期為2004年8 月～2009 年3 月。外走馬埭墾區(qū)原用途為農(nóng)業(yè)開發(fā)，2012 年下半年，其用途轉(zhuǎn)變?yōu)槭I(yè)開發(fā)，外走馬埭海堤保護(hù)對象的變化使得海堤的功能規(guī)格、防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)相應(yīng)提高。因此，經(jīng)泉州市人民政府研究后決定，外走馬埭海堤防潮標(biāo)準(zhǔn)由50 年一遇升至200 年一遇，工程等級由3 級升至1 級。

鯉魚島水閘是外走馬埭海堤全線四座水閘之一，位于2#海堤和鯉魚島相交處（鯉魚島東南角），其余3 座水閘分別為大嶼島閘、塘頭閘及板嶼閘，其功能主要為擋潮、排澇及防洪。鯉魚島水閘改造工程作為外走馬埭海堤提級加固工程關(guān)鍵路線上的關(guān)鍵單位工程，還承擔(dān)著外走馬埭海堤工程另一座大型水閘的導(dǎo)流及滯洪區(qū)泄洪任務(wù)，開挖難度較大?？卓诔叽?.6 m×3.5 m（寬×高），共7 孔，泄流凈寬60.2 m，閘室底板頂高程-1.5 m。水閘建筑物級別為1 級，地層主要以淤泥、淤泥質(zhì)土及砂質(zhì)粘性土為主，下伏基層為花崗巖。

2 圍堰設(shè)計(jì)

2.1 圍堰斷面設(shè)計(jì)

鯉魚島水閘臨海側(cè)石渣圍堰填筑前需先修建吹砂充填膜袋圍堰做為石渣圍堰堰腳。吹砂充填膜袋頂高程3.00 m，頂寬4 m，邊坡1∶2.0。圍堰迎水面采用20 cm厚C20 膜袋混凝土防滲，膜袋混凝土與石渣圍堰間鋪設(shè)20 cm 砂礫石墊層，基礎(chǔ)采用拋石擠淤，擠淤深度2 m。圍堰與原堤相接處為保證基礎(chǔ)防滲需對原堤防臨海側(cè)拋石體進(jìn)行水泥砂漿防滲灌漿。膜袋砂圍堰斷面如圖1。

2.2 圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算

一般認(rèn)為，自然界中土坡由均質(zhì)土構(gòu)成時，其失穩(wěn)時的滑動面表現(xiàn)為接近圓弧的曲面，因此可將滑裂面近似為圓弧計(jì)算，目前規(guī)范中常采用瑞典條分法和畢肖普法。本工程圍堰假設(shè)滑動土體為不變形剛體，穩(wěn)定性采用畢肖普法驗(yàn)算。因圍堰所處位置受潮位影響大且含水量大，具有較大孔隙水應(yīng)力，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析時應(yīng)考慮孔隙水壓力的影響。沿豎直方向劃分土坡，土體被分為若干豎直長條，假設(shè)任意選取第i 條土條進(jìn)行受力分析，則該土條上存在著土條自重Wi、作用于土條弧面上的法向反力Ni和切向阻力Tri、土條弧面上總的孔隙水應(yīng)力Ui及土條兩側(cè)面上的作用力Xi、Ei和Xi+1、Ei+1。如圖2 所示。

圖1 臨海側(cè)圍堰斷面圖

圖2 畢肖普法受力簡圖

畢肖普法中考慮整體力矩的平衡以及每一土條豎直方向力的平衡，因此使用豎向力平衡和力矩平衡的原理推導(dǎo)出圍堰土坡穩(wěn)定安全系數(shù)為：

式中 Fs——土坡穩(wěn)定性系數(shù)；

c——土層粘聚力；

γ——土層計(jì)算重度；

θi——第i 條土到滑動圓弧圓心與豎直方向的夾角；

hi——第i 條土的平均高度；

φ——土層內(nèi)摩擦角；

bi——第i 條土的寬度。

本工程圍堰計(jì)算示意圖如圖3 所示。

圖3 圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算示意圖

圍堰相關(guān)參數(shù)如下：

基本參數(shù):條分塊數(shù)50，基坑開挖深2.37 m，外側(cè)水位到坑頂距1.5 m，內(nèi)側(cè)水位到坑底距2.37 m。

放坡參數(shù)：放坡高度2.37 m，放坡寬度3.555 m，平臺寬度16 m。

荷載參數(shù)：載重汽車荷載550 kN，基坑邊線距離1m，荷載寬度1 m。

土層參數(shù)：土名稱砂礫，土厚度2.37 m，土重度20 kN/m3，內(nèi)摩擦角15°，粘聚力12 kPa，飽和重度22 kN/m3。

根據(jù)圍堰相關(guān)參數(shù)，結(jié)合式（1）、式（2）算出圍堰開挖內(nèi)部整體穩(wěn)定性安全系數(shù)KS=2.400，滿足規(guī)范中要求≥1.35 的要求。

3 圍堰施工

圍堰施工工藝流程為：圍堰基礎(chǔ)拋石擠淤→充填膜袋砂→圍堰石渣填筑→圍堰復(fù)合土工膜→圍堰C20膜袋混凝土→圍堰塊石護(hù)坡→圍堰背水側(cè)防滲→閘室臨堤側(cè)支護(hù)換填粘土→圍堰內(nèi)降水→舊閘拆除。

3.1 充填膜袋砂

充填膜袋砂采用外購料，泥漿泵吹填海砂，人工鋪設(shè)膜袋。

3.1.1 膜袋材料要求

充填袋選用透水性和保土性較好的機(jī)織土工布，必須有齊全的出廠合格證和檢測報(bào)告，進(jìn)場時應(yīng)按批次檢查外觀質(zhì)量。水面以上的砂袋需采用防老化土工布，要求自然暴露3 個月后的強(qiáng)度不小于原強(qiáng)度的80%。

3.1.2 膜袋充填主要施工程序

1）膜袋縫制：圍堰橫斷面方向上的膜袋袋體應(yīng)連續(xù)，不應(yīng)分袋，縱斷面方向上膜袋寬度可根據(jù)施工機(jī)具條件確定，以利于制作和施工，即膜袋接縫應(yīng)垂直于圍堰軸線。對膜袋縫制和拼接時采用三股錦侖線以包縫法處理，縫制接頭處應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，防止縫合部位在受外力作用后發(fā)生劈裂、縫線滑移等問題，本工程要求膜袋縫制接頭處強(qiáng)度應(yīng)大于原布強(qiáng)度的70%。同時，膜袋表面布置袖口直徑為30 cm，長度以能浮出水面20～30 cm 為宜。

2）膜袋鋪設(shè)定位：將滿足結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)要求的膜袋縫制好后運(yùn)到現(xiàn)場，膜袋的縱向沿圍堰軸線方向擺放，采用人工將膜袋平整的鋪設(shè)在設(shè)計(jì)邊線以內(nèi)。膜袋鋪設(shè)完成后,在圍堰邊線外側(cè)打設(shè)若干根直徑10 cm的木樁，將膜袋通過預(yù)先縫制在袋體上的連接帶固定在木樁上。膜袋定位示意圖如圖4。

圖4 膜袋定位示意圖

3）膜袋充灌：圍堰充填材料采用海砂，6PN-150水力沖挖機(jī)組將海砂充填到膜袋內(nèi)，由中間向兩邊充灌，以防皺褶，第二塊膜袋沉放前先預(yù)留搭接長度，再丈量定位，這樣依次沉放。

4）膜袋檢查驗(yàn)收：在進(jìn)場、堆放、鋪設(shè)、充填等過程中應(yīng)注意保護(hù)膜袋，盡量避免出現(xiàn)破損。若出現(xiàn)破損現(xiàn)象，應(yīng)及時按要求進(jìn)行縫補(bǔ)或外覆式縫接。膜袋充灌時應(yīng)保證飽滿度和平整度，充填飽滿度要求≥80%，充填料干重度≥14.5 kN/m3，平整度高差應(yīng)控制在±10 cm。膜袋充灌完成后應(yīng)檢查相鄰膜袋間的搭接緊密程度，如兩膜袋間出現(xiàn)空隙，應(yīng)用袋裝土或粘土填滿整平后再充灌上層膜袋，以防止圍堰滲漏。

3.2 石渣填筑及墊層施工

石渣填筑采用自卸汽車運(yùn)輸至施工區(qū)域，裝載機(jī)攤鋪，震動壓路機(jī)壓實(shí)；人工鋪設(shè)土工膜、砂礫石墊層及塊石護(hù)坡。

方干又有詩《題龜山穆上人院》，據(jù)《宋高僧傳·越州妙喜寺僧達(dá)傳》載：“釋僧達(dá)姓王氏，會稽人也，稚齒英奇不參戲，參與龜山妙喜道場?！庇钟小端胃呱畟鳌ぬ坪橹輰殮v寺幽玄傳》：“未幾移居湖心龜山妙喜古寺?！盵11]可知龜山便處于鏡湖當(dāng)中。

1）鋪料：運(yùn)料機(jī)械采用30 t 自卸汽車，施工時，將石料運(yùn)至現(xiàn)場，卸料位置為填筑工作面的前沿（離端點(diǎn)2～3 m 處），采用進(jìn)占法鋪料（鋪料厚度50 cm），裝載機(jī)推料攤鋪，使大面基本平整，起伏差不超過10 cm。

2）灑水：在氣溫較高或風(fēng)力較大時，碾壓石料前應(yīng)先利用灑水車進(jìn)行一次灑水，灑水過程不能間斷，應(yīng)連續(xù)均勻，壓實(shí)應(yīng)與灑水同步進(jìn)行。

3）碾壓：石渣層大面采用18 t 振動碾碾壓。碾壓方法采用進(jìn)退錯距法，應(yīng)沿與圍堰軸線垂直的方向前進(jìn)，即振動碾行駛方向及鋪料方向?yàn)檠貦M斷面方向。碾壓具體過程為先對第一個壓實(shí)寬度前進(jìn)及后退壓實(shí)，再壓實(shí)第二個壓實(shí)寬度，按此進(jìn)退行駛碾壓依次延伸壓實(shí)相鄰單元，應(yīng)保證連續(xù)施工，每次錯距30 cm。工作面之間交接處進(jìn)行搭接碾壓，搭接寬度為0.5 m，嚴(yán)禁無振碾壓、欠碾和漏碾。碾壓全過程中應(yīng)隨時關(guān)注振動碾的振幅、頻率和碾壓質(zhì)量，及時調(diào)整至最佳工作性能和狀態(tài)。

4）砂礫石墊層：由運(yùn)石車輛將石料運(yùn)至堰頂卸料，人工鋪設(shè)砂礫石墊層，分段施工，保證拋撒均勻，同時經(jīng)常用自制鋼筋三角板檢測坡度，不滿足設(shè)計(jì)要求的及時整理。

5）土工膜鋪設(shè)：土工膜鋪設(shè)前應(yīng)對鋪設(shè)基地檢查，確保鋪設(shè)基地平整堅(jiān)實(shí)。鋪設(shè)時，由4 人在坡頂上拉住土工膜，由2 人在坡面左右兩側(cè)（1 人在左側(cè)、1 人在右側(cè)）扶住土工膜卷，在坡面上鋪開土工膜過程應(yīng)緩慢有序，避免產(chǎn)生人為折皺。相鄰兩幅土工膜之間必須考慮拼接重合疊加，拼接縫合處一般控制寬度在15～20 cm 之間。土工膜鋪設(shè)完成后應(yīng)盡量減少膜上行走，禁止穿鐵釘鞋或高跟鞋在膜上行走，以防止土工膜損壞。

3.3 膜袋混凝土

3.3.1 施工流程膜袋攤鋪→輸送及充灌混凝土→模袋混凝土表面清洗及養(yǎng)護(hù)→循環(huán)至下一塊模袋。

3.3.2 施工要點(diǎn)

2）輸送及充灌混凝土。混凝土輸送方式為泵送，充灌前首先確保甭管與充灌口扎牢，將拌制好的混凝土直接倒入混凝土輸送泵，泵管應(yīng)垂直插入膜袋內(nèi)，同時管口應(yīng)設(shè)置緩沖擋板，2 人共同扶住泵管防止其擺動。膜袋混凝土塊開始充灌，由下而上，先壓頂后護(hù)腳、最后護(hù)坡，充灌過程中應(yīng)及時調(diào)整膜袋上緣張緊程度，以保證完工后坡面順直美觀。充灌壓力、速度及均應(yīng)滿足要求，一般灌口壓力在0.2～0.3 MPa 之間，充灌速度在0～15 m3/h 之間，充灌距離≤50 m。充灌混凝土關(guān)鍵在于保持混凝土良好的流動性及和易性，每一充灌口的充灌應(yīng)連續(xù)，為避免膜袋充填不嚴(yán)密，出現(xiàn)鼓脹狀態(tài)，同時要使膜袋達(dá)到規(guī)定厚度，操作工在剛充灌未凝結(jié)的膜袋上應(yīng)用腳踩踏，隨時觀察充灌情況，保證膜袋內(nèi)混凝土密度。充灌一段時間后膜袋接近飽滿狀態(tài)，此時應(yīng)停止充灌3～5 min。等待過程中膜袋會析出水分，這時才恢復(fù)充灌，直至膜袋飽滿，再撤去充灌管，扎緊充灌袖口，人工清洗袖口內(nèi)混凝土后將袖口塞入護(hù)坡體內(nèi)并縫合。

3）模袋混凝土表面清洗及養(yǎng)護(hù)。膜袋混凝土充灌結(jié)束30 min 后，及時用水將膜袋表面的灰渣沖洗、清理干凈，確保膜袋混凝土表面清潔美觀。膜袋混凝土結(jié)束充灌后的8 h 內(nèi)，不得踩踏膜袋混凝土或在膜袋混凝土上壓放重物，待膜袋混凝土終凝，應(yīng)在其上覆蓋草袋，并適時灑水養(yǎng)護(hù)。

3.3.3 質(zhì)量控制措施

膜袋混凝土施工前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底，施工所需原材料檢驗(yàn)應(yīng)加強(qiáng)，嚴(yán)格進(jìn)行技術(shù)檢查及復(fù)核，膜袋鋪設(shè)時注意鋪設(shè)位置、搭接等問題，通過試塊試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)檢驗(yàn)充灌用混凝土的配合比、質(zhì)量等是否符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，同時，膜袋布是否存在脫線、破漏等問題也對膜袋混凝土的質(zhì)量有重要影響。

在制作混凝土試塊時，為使試塊最接近膜袋中混凝土狀態(tài)，應(yīng)在泵送管口提取樣品后放入布袋（由制得膜袋的材料制成）中濾水，濾水時間控制在5～10 min之間，盡可能減小膜袋混凝土較大坍落度所造成的差異性。

3.4 膜袋砂圍堰質(zhì)量要求

3.4.1 水泥砂漿防滲技術(shù)要求

1）拋石擠淤的厚度為2 m，淤泥層厚度不足2 m處，拋石擠淤至淤泥層底部。

2）圍堰石渣填筑相對密度不低于0.7。

3）水泥漿的技術(shù)指標(biāo)：水灰比為1∶1，水泥漿摻入速凝劑，要求水泥漿1 h 初凝，2 h 達(dá)到終凝。水泥漿的攪拌時間大于30 s。水泥漿攪拌均勻，漿液自制備至用完的時間小于2 h。

4）砂漿的技術(shù)指標(biāo)：灰砂重量比為1∶3。

3.4.2 鋼板樁臨時支護(hù)技術(shù)要求

1）鋼板樁選用熱U 型鋼板樁，鋼板樁寬60 mn，高度430 mm。

2）鋼板樁施工方法優(yōu)先考慮靜壓法，局部地基較硬部分可采用螺旋鉆并用的靜壓法。

4 膜袋砂圍堰優(yōu)點(diǎn)

1）充填膜袋砂時采用膜袋既能在施工現(xiàn)場加工，也能在工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)并按要求縫制好后運(yùn)到現(xiàn)場直接使用；充填用海砂可就近取材于海灘、內(nèi)河航道疏浚棄料，且可直接利用船舶運(yùn)輸至鋪設(shè)好的膜袋處泵送充填，對廢棄物實(shí)現(xiàn)資源化高效利用，施工工藝簡單，具有良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。

2）對淤泥質(zhì)基礎(chǔ)有良好的適用性，膜袋砂圍堰斷面一般小于常規(guī)土石圍堰斷面，屬于輕型圍堰，且其對充填入袋中的砂土實(shí)際上是用水沉法密實(shí)，筑成圍堰陷入淤泥中后對軟土地基產(chǎn)生的變形和沉降適應(yīng)性強(qiáng)，對淤泥地基擾動小，因此膜袋砂圍堰不僅穩(wěn)定性較好，還能為受場地限制的水利工程創(chuàng)造更多空間，施工方便且速度快。

3）抗水壓強(qiáng)，圍堰寬度可根據(jù)水深情況設(shè)計(jì)，圍堰越寬其抗水壓能力越強(qiáng)；同時膜袋能對充填海砂起到加筋和模板作用，能提高堰體整體性，還能耐腐蝕、耐沖刷，提高其使用耐久性。

5 結(jié) 語

膜袋砂圍堰用于本工程取得了有效的防浪擋水效果，且其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、施工材料易得、施工方便、工期短、造價低，不僅能提高施工速度，節(jié)約時間成本，還能就地取材，達(dá)到環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效果，推廣該施工技術(shù)具有良好的社會效益。同時，也應(yīng)考慮土工膜和土工布等材料的回收利用或是采用新材料，進(jìn)一步降低工程造價。