大型土工砂袋邊坡防護(hù)高效高精度技術(shù)研究

周 林，于學(xué)付，張雪嬌

（中國(guó)電建集團(tuán)港航建設(shè)有限公司，天津 300467）

引 言

孟加拉國(guó)河流眾多，恒河、雅魯藏布江流經(jīng)入海，孟加拉經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期貧弱，加之境內(nèi)無河道治理必須的塊石，幾乎無大型水利設(shè)施。從上世紀(jì)九十年代開始，孟加拉國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、沿河修建了大型橋梁，相應(yīng)區(qū)段的河道需要進(jìn)行防護(hù)以保護(hù)橋梁及沿河重要商業(yè)區(qū)的安全。孟加拉國(guó)內(nèi)建筑所需塊石基本上來自印度，價(jià)格極其昂貴，因此在國(guó)際社會(huì)支持下，嘗試采用70～250 kg土工袋砂袋進(jìn)行河道的防護(hù)，2003年～2006年土工砂袋防護(hù)逐步發(fā)展為孟加拉河河道防護(hù)的重要輔助方法。用土工砂袋進(jìn)行岸坡防護(hù)，可就地取材，利用河道治理開挖砂石裝填土工袋進(jìn)行河道防護(hù)能夠及時(shí)適應(yīng)河床的變化。土工砂袋大規(guī)模施工研究應(yīng)用在國(guó)際上并不多見，沒有成熟的國(guó)際規(guī)范，尤其是深水（水深超過20 m）高流速（2 m/s）的土工砂袋拋填護(hù)坡，沒有可借鑒的工程案例。

孟加拉國(guó)帕德瑪河屬于游蕩型河流，岸坡穩(wěn)定性差，經(jīng)過研究、模型試驗(yàn)可采用土工砂袋拋填結(jié)構(gòu)的“自適應(yīng)補(bǔ)償性”岸坡防護(hù)設(shè)計(jì)，土工砂袋應(yīng)用可節(jié)省大量進(jìn)口塊石，而且土工砂袋防護(hù)的目的是岸坡坡腳被沖蝕后能夠通過土工袋的進(jìn)一步墜落從而形成新的防護(hù)層，使河道岸坡坡腳在不斷的沖蝕—自愈中逐漸形成穩(wěn)定的河槽。河道整治在中國(guó)具有悠久的歷史，采用塊石防護(hù)岸坡是一種重要的手段，加之中國(guó)河流大多是山區(qū)河流，塊石資源非常豐富。如果孟加拉帕德瑪河道整治工程的設(shè)計(jì)理念能夠應(yīng)用到中國(guó)的大江大河，將能夠充分利用河道治理得到的砂石進(jìn)行土工砂袋岸坡防護(hù)，極大地節(jié)約塊石用量，減少山體開挖，保護(hù)珍貴的青山綠水。

1 項(xiàng)目概況

孟加拉帕德瑪河道整治工程主要目的是保護(hù)大橋上下游岸堤免受洪水侵蝕。800 kg土工砂袋的護(hù)坦防護(hù)設(shè)計(jì)在孟加拉國(guó)屬首次，這些大型土工砂袋需精準(zhǔn)拋填到水面以下5～27 m，在國(guó)際上尚無如此規(guī)模的成功案例可供借鑒。中國(guó)電建港航公司使用的大型土工砂袋拋填設(shè)備在拋放側(cè)加裝了可升降導(dǎo)向架裝置，使用導(dǎo)向架裝置精確控制土工袋拋填落點(diǎn)，提高拋填精度、覆蓋均勻、表面平整度高，機(jī)械化程度高，船舶施工靈活，作業(yè)效率高。工程斷面見圖1。

圖1 護(hù)坡斷面示意

河道水流流速大小及方向、水深、水位變化以及潮汐變化均與土工袋拋填落點(diǎn)密切相關(guān)，是影響土工袋落點(diǎn)的幾點(diǎn)關(guān)鍵因素。土工袋的漂移可分為順?biāo)鞣较虻钠屏亢晚槖佁罘较虻钠屏浚凉ご槖佁罘较虻钠屏縎1與土工袋大小、拋填的力度、入水姿態(tài)、水深有關(guān)，土工袋順?biāo)髁魉倨屏縎2與土工袋大小、水流流速、水深有關(guān)。國(guó)內(nèi)外對(duì)土工砂袋漂移研究、總結(jié)并形成了很多的公式，公式形式繁瑣復(fù)雜，相關(guān)因素較多。如圖2所示。

圖2 土工袋拋填落點(diǎn)示意

本工程土工砂袋作為永久防護(hù)結(jié)構(gòu)，工程量大，拋填深度大，施工期最大流速可達(dá) 3 m/s，因此提高拋填效率及控制拋填精度是施工的關(guān)鍵技術(shù)要求。自項(xiàng)目開工，現(xiàn)場(chǎng)施工人員試驗(yàn)了多種拋填方法，積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，最終確定采用“帶導(dǎo)向架的拋填平臺(tái)船”作為主要施工設(shè)備。該拋填平臺(tái)采用GPS定位系統(tǒng)，結(jié)合“水上自由行”軟件實(shí)時(shí)顯示拋填位置，實(shí)現(xiàn)拋填船精確定位；大型土工砂袋采用噸包機(jī)裝填和鏈板機(jī)拋放方式，實(shí)現(xiàn)砂料倒運(yùn)、裝袋、拋填施工流程的集約化和高效化；利用拋填設(shè)備上的導(dǎo)向裝置，引導(dǎo)土工砂袋準(zhǔn)確下落至預(yù)定拋填點(diǎn)，約束土工袋下落過程的漂移，提高拋填位置精度，達(dá)到土工袋精準(zhǔn)著床的效果，目前已經(jīng)將該方法固化為施工工法并應(yīng)用于所有土工袋拋填施工中。

圖3 噸包機(jī)+鏈板機(jī)裝袋示意

拋填砂袋設(shè)備主要由專業(yè)浮箱、導(dǎo)向架、垂直起升支架、舷外固定支架、吊桿、卷?yè)P(yáng)機(jī)、滑輪組、電氣控制設(shè)備、系統(tǒng)及其他輔助設(shè)施組成，浮箱采用中部中空放置導(dǎo)向籠。每段導(dǎo)向架間使用可拆卸螺釘相連，兩側(cè)垂直起升支架上的卷?yè)P(yáng)機(jī)通過滑輪組以及掛鉤與導(dǎo)向架相連，拋填過程中可對(duì)導(dǎo)向架進(jìn)行升降作業(yè)，起升架僅在升降導(dǎo)向架過程中受力，導(dǎo)向架工作過程中由導(dǎo)向架兩側(cè)牛腿與浮箱甲板上牛腿連接受力。

圖4 拋填導(dǎo)向機(jī)構(gòu)縱向布置

2 施工工藝

大型土工砂袋拋填項(xiàng)目的實(shí)施，可分為施工準(zhǔn)備階段、施工生產(chǎn)階段和竣工驗(yàn)收階段三個(gè)階段，見圖5。

圖5 土工袋深水精確拋填施工流程

2.1 定位控制系統(tǒng)

定位系統(tǒng)安裝：在已知控制點(diǎn)架設(shè) GPS基準(zhǔn)站。根據(jù)駁船船型尺寸，安裝移動(dòng)站模塊。施工船舶采用“水上工程-自由行”軟件對(duì) GPS主機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，操作人員可實(shí)時(shí)對(duì)比和調(diào)整拋填船和拋填底圖的位置關(guān)系。

2.2 測(cè)量及沉降測(cè)量

開始施工前，采用多波束對(duì)拋填區(qū)河底原始地形進(jìn)行測(cè)量，保證每條測(cè)線之間測(cè)量數(shù)據(jù)有足夠的重疊區(qū)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性。

拋填前沉降測(cè)量采用裝有相同厚度土工袋數(shù)量的籠子拋放在施工區(qū)，進(jìn)行多波束測(cè)量及潛水丈量觀測(cè)，主要為后續(xù)驗(yàn)收及計(jì)量提供基礎(chǔ)資料。

2.3 導(dǎo)向裝置裝配

孟加拉帕德瑪大橋河道整治工程土工袋拋填施工區(qū)水深為3～27 m之間，最深位置需要使用7段導(dǎo)向架拼接而成，最淺位置使用1段導(dǎo)向架，河床坡度為 1:6，拋填船沿坡腳到坡頂、由深到淺的方向進(jìn)行拋填。拋填船舶根據(jù)水深安裝適當(dāng)長(zhǎng)度的導(dǎo)向架，在保證導(dǎo)向架安全的前提下盡可能與河床接近，從而實(shí)現(xiàn)土工袋精確拋填，后續(xù)根據(jù)邊坡的高程變化再進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 土工袋裝填、縫合、拋填

土工袋拋填船總體上分為四個(gè)區(qū)域：砂料存儲(chǔ)區(qū)、裝填縫合區(qū)、拋填區(qū)和集成控制區(qū)、GPS接收機(jī)，如圖6所示。

圖6 施工船舶平面

1）土工袋填充料供應(yīng)。本工程基本采用運(yùn)砂船停靠至拋填船存儲(chǔ)區(qū)一側(cè)，挖掘機(jī)進(jìn)行運(yùn)砂船卸料的方式，該方式操作簡(jiǎn)單、成本低、效率高，能滿足大型土工袋裝填填充料的持續(xù)消耗。

2）土工袋裝填。使用挖掘機(jī)為噸包機(jī)料斗上料→將土工袋展開放入于半圓柱的套筒內(nèi)，并將土工袋袋口多余部分外翻套于套筒上，套筒高度為土工袋重量合格對(duì)應(yīng)高度→打開料斗閥門填充土工袋直至上料與套筒等高，將土工袋袋口取出套筒→啟動(dòng)鏈板機(jī)后端將土工袋移至鏈板機(jī)前端上進(jìn)行縫合→縫合土工袋的同時(shí)開始下一組裝填作業(yè)。該方法優(yōu)點(diǎn)是土工袋裝填和縫合分區(qū)進(jìn)行，互不干擾，極大地節(jié)約了時(shí)間，提高了拋填效率。

3）土工袋縫合。土工袋縫合采用手持式縫紉機(jī)人工縫合的方式進(jìn)行。

4）拋放。土工袋縫合完成并檢查合格后，前端鏈板機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行拋填，該方法自動(dòng)化程度高，減少土工袋入水姿態(tài)的差異性。

3 施工監(jiān)測(cè)及質(zhì)量控制

3.1 施工監(jiān)測(cè)

拋填質(zhì)量通過多波束測(cè)量檢測(cè)，土工袋拋填效果采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)分析。拋填完成后進(jìn)行拋后多波束測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理。拋填過程中應(yīng)定期進(jìn)行測(cè)量檢測(cè)，實(shí)時(shí)掌握拋填質(zhì)量，測(cè)量后使用專用軟件分析拋填質(zhì)量。對(duì)不合格區(qū)域進(jìn)行精確定點(diǎn)補(bǔ)拋，補(bǔ)拋后及時(shí)測(cè)量分析直至全部合格。

圖7 監(jiān)測(cè)不合格區(qū)域（紅圈）

3.2 質(zhì)量控制

1）材料質(zhì)量控制

土工砂袋填充料細(xì)度模數(shù)、含泥量等指標(biāo)滿足規(guī)范要求，土工袋應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行檢測(cè)并出具報(bào)告，無合格報(bào)告的不允許投入使用。

2）裝填質(zhì)量控制

土工袋填充重量要滿足最低干重的要求。由于大型土工砂袋稱重不便，采用量取高度計(jì)算體積及參考含水率指標(biāo)的檢查方法。

3）縫合質(zhì)量控制

縫紉線應(yīng)使用規(guī)定且檢測(cè)合格的縫紉線，土工袋封口縫線的道數(shù)、形式、位置及形式等要滿足規(guī)范要求。

4）拋填質(zhì)量控制

現(xiàn)場(chǎng)施工人員必須嚴(yán)格按照技術(shù)交底進(jìn)行施工，拋填時(shí)船駁實(shí)際與設(shè)計(jì)拋填位置平面定位誤差要小于10 cm。拋填過程中要進(jìn)行階段性測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果及時(shí)調(diào)整拋填參數(shù)，對(duì)不合格區(qū)域及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)拋。

4 經(jīng)濟(jì)效益

大型土工砂袋深水、精準(zhǔn)定位拋填施工工法區(qū)別于以往施工方法的最重要方面表現(xiàn)在拋填精度和拋填效率高，兼顧了工程質(zhì)量和進(jìn)度的要求。下面對(duì)大型土工袋拋填進(jìn)行質(zhì)量、效率及經(jīng)濟(jì)三個(gè)指標(biāo)分析得出：

從質(zhì)量指標(biāo)上來看，傳統(tǒng)人工散拋完成后，土工袋厚度離散度大，表面不平整，厚度不足的點(diǎn)數(shù)量較多，質(zhì)量控制難度相當(dāng)大（補(bǔ)拋袋子個(gè)數(shù)約為3 %）。而按照新工法施工完成后，拋填厚度均勻，只需要對(duì)個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)拋即可滿足規(guī)范要求（補(bǔ)拋袋子個(gè)數(shù)不足0.5 %）。

從施工效率要求上來看，傳統(tǒng)散拋效率約為1 500個(gè)/天，而且需要重復(fù)補(bǔ)拋，新工法拋填效率4 000個(gè)/天，施工速度提高約167 %。新工法中的設(shè)備替代了大量人工，集約化程度高，施工管理受控。

從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上來看，新工法投入的勞動(dòng)力數(shù)量少，傳統(tǒng)拋填成本為 1 475.82 孟加拉塔卡/袋，采用新型拋填方式拋填成本為 1 416.37孟加拉塔卡/袋，節(jié)約了4.03 %的成本單價(jià)。同時(shí)極大地減少了補(bǔ)拋工作量，節(jié)省了補(bǔ)拋時(shí)間和成本，加快了工程進(jìn)度，為項(xiàng)目創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

在項(xiàng)目設(shè)備不斷優(yōu)化的過程中發(fā)現(xiàn)制約大型土工砂袋施工效率的最主要因素是砂袋裝袋后的縫合，由于袋子裝填后形狀扭曲，采用人工手動(dòng)縫紉，受外部環(huán)境影響較大，為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，每4個(gè)800 kg土工袋配備一位縫紉機(jī)工，同時(shí)至少有3臺(tái)備用縫紉機(jī)。但在實(shí)際生產(chǎn)中還是出現(xiàn)縫紉跟不上拋填現(xiàn)象，下步將進(jìn)一步研究自動(dòng)化縫包工藝及拋填設(shè)備自身吊裝導(dǎo)向裝置工藝，使整套設(shè)備產(chǎn)能最大化。隨著“一帶一路”的不斷深化發(fā)展，國(guó)際項(xiàng)目在企業(yè)發(fā)展中的地位越來越重要，新工藝新設(shè)備的應(yīng)用成為了滿足國(guó)際規(guī)范要求和樹立企業(yè)國(guó)際形象的重要手段。