深水條件下護岸處理關鍵技術袋裝沙施工的研究與應用

黃 偉 汪貴成

(長江河湖建設有限公司，湖北 武漢 430010)

1 概 述

長江干流遭遇超標洪水進行崩岸治理時，拋填物位置無法精確定位、流失量大、施工效率較低，導致工程進度、安全、質(zhì)量得不到有效保障，若不及時進行后期防護，極有可能形成二次崩塌。

袋裝沙施工技術，在深水條件下護岸施工具有水下拋投定位準確、可持續(xù)作業(yè)時間長、施工效率高、受水流水深和風浪影響小、拋填物流失量小、成型的堤身密實性好的特點，適用于水深6m以下、工程量大、成型斷面大、水流風浪條件差的、施工強度高的深水區(qū)域，能有效避免二次崩岸發(fā)生。

2 工藝原理

袋裝沙施工技術，通過對水流的流速、流向和水深的分析，預先計算拋投物的著床點，并將施工船只準確定位。利用土工織物材料縫制加工成不同規(guī)格的袋子，在工作平臺上預先對袋內(nèi)充好沙。

首先在陡坎、深漕區(qū)域通過翻板拋袋施工工藝把充填好的小型袋裝沙拋至陡坎、深漕底部，進行封堵找平，降低深度，減緩流速；再利用拋填大型袋裝沙進行壓頂，提高拋投的整體性，在深水中形成設計斷面，再及時采用拋石下壓軟體排的形式進行防護。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工主要程序包括施工準備、定位、拋袋、測量等(見圖1)。

圖1 工藝流程

3.2 操作要點

3.2.1 施工準備

工程施工前，對施工區(qū)域進行水下地形測量，繪制斷面圖與平面圖與原設計圖進行對比。設計圖紙時，往往采用的地形數(shù)據(jù)經(jīng)歷了一個甚至兩個汛期，原始地形發(fā)生了變化，尤其是陡坎、深漕區(qū)更為明顯。原始地形的復測有利于分區(qū)的真實，更能準確地指導施工。

根據(jù)地形復測數(shù)據(jù)和水深條件對灘地恢復區(qū)不同部位進行分區(qū)(見圖2)。

圖2 灘地恢復區(qū)分區(qū)斷面①區(qū)為陡坎、深漕區(qū)，用小型袋裝沙拋填進行封堵找平；②區(qū)用大型袋裝沙拋填施工，進行壓頂；③區(qū)用1m厚拋石下壓軟體排施工，進行防護。

3.2.2 拋投試驗

深水水域往往水流湍急且水流流向不穩(wěn)定，特別是陡坎、深漕區(qū)。根據(jù)水下地形，設計并準確拋填合適尺寸的袋裝沙到達水下灘面，形成具有一定自然坡比的袋裝沙棱柱體斷面。水深、水流速度、施工期間袋裝沙的尺寸、重量、水流流向、袋體入水角度等因素均直接影響拋填袋裝沙的落點。

考慮諸多因素對拋填袋裝沙到達泥面線的最終位置影響，施工前進行拋投試驗為深水袋體施工提供可靠的技術參數(shù)并指導施工時袋體著床精確定位是非常重要的一步。

假設施工船舶的翻板寬度為L，施工區(qū)域的水深為H，袋裝沙沉陸位置為S(袋體離開翻板后在水流作用下的運動距離，作為拋投位置預留量)，翻板上沙袋的重量為G(G=mg，m為沙袋的質(zhì)量)；當沙袋開始滑動時，當沙袋與水平方向成一定θ角度時(假設沙袋的襟翼剛剛附著在水面上)，沙袋襟翼垂直高度h=Lsinθ;當沙袋與襟翼分離時，沙袋具有與水平面成一定θ角度的初始速度v0，此時沙袋具有水平方向的速度v0cosθ，垂直方向上的速度v0sinθ(見圖3)。

圖3 水中袋裝沙的運動軌跡

設沙袋與翻板摩擦系數(shù)為S，根據(jù)動能定理有

(1)

可以得到

(2)

從沙袋落入水中開始，承受的力主要有浮力F和水流力P。一般來說，袋裝沙拋填方向與水流方向相同。不妨設水流流速為v水，沙袋從脫離翻板到落在泥面上所經(jīng)歷的時間為t，當浮力F恒定時，有

S=(v0cosθ+v水)t

(3)

(4)

當翻板角度θ、沙袋與翻板摩擦系數(shù)μ、翻板寬度L和水流流速v水確定時，可以通過式(3)初步測算袋裝沙沉陸位置S。

然而施工時的水流流速和流向往往是變化的，特別是水深條件受潮汐影響。因此，在施工過程中，翻板船上應配備測量水深、水流流速和流向的設備來時時采集數(shù)據(jù)校正拋投位置預留量S。

考慮到小型袋裝沙和大型袋裝沙受水流作用的影響是不一樣的，在拋投試驗時，應對不同尺寸的袋體進行拋投試驗，獲得不同的技術參數(shù)，以保證袋裝沙水下成型的質(zhì)量。

3.2.3 船舶定位

由于拋投采用順水流方向作業(yè)，在進行船舶定位時，應考慮式(3)中的S(拋投位置預留量)的大小，在設計袋體邊線逆水流方向移船S，以確保袋體在離開翻板后運動的范圍。

值得注意的是，由于水下袋裝沙棱體斷面大，但是專業(yè)施工船舶的翻板長度一般在40m左右，因此，施工船舶只固定在斷面的某一位置進行定點填沙和袋裝施工，形成的斷面寬度往往不能滿足設計袋裝沙棱柱體斷面寬度的要求。此時，需要通過施工定位軟件安排好預定位置，在施工過程中根據(jù)不同的施工位置進行船舶的移動定位和拋投，使沙袋形成設計斷面寬度的棱柱體。將分好的網(wǎng)格圖轉換成“.dxf”格式導入翻板船的船舶定位軟件中，船舶自帶的兩臺GPS衛(wèi)星信號接收機運用“RTK”技術根據(jù)已導入的網(wǎng)格圖進行精確定位來指導施工。

3.2.4 拋填小型袋裝沙

拋填小型袋裝沙目的是對陡坎、深漕區(qū)進行找平，同時，可以更好保證水下圍堤斷面的成型和袋體之間的密實，對整個袋裝沙大堤形成穩(wěn)定的基礎，便于上部大型袋裝沙的拋填。

a.展袋與充灌。將運送至翻板船的小型沙袋展鋪在翻板上，袋體的長度方向與船身垂直，整齊均勻擺放。考慮到一次拋填量最大化的原則，盡量在袋體展平好的情況下多鋪沙袋。用泥漿泵對袋體進行袋裝沙的充灌。對于深水拋填袋裝沙，充盈度控制在60%～70%。

b.拋投。翻板船帶有可控制上下翻動的翻板，拋投時采用順水流方向作業(yè)。充灌完畢后，翻板下落，袋體自由滑行，落入水中。施工時用GPS進行精確定位，施工船舶按預設的位置進行袋裝沙的充灌和拋填作業(yè)。拋投至預定高程以后,移至下一拋投區(qū)進行拋投。

3.2.5 拋填大型袋裝沙

大型袋裝沙拋填、施工定位的原理同3.2.3所述(見圖4)。

圖4 大型袋裝沙拋填示意圖

拋填小型袋裝沙對堤基基礎進行找平，隨后即進行大型袋裝沙的施工。一般利用大型鋪排船進行大型袋裝沙的施工。

a.卷袋。施工人員把加工好的沙袋平放至滾筒前艙面上，穿袋尾止排鋼管，在止排鋼管上每10m系

一根止排鋼絲繩，共3根止排鋼絲繩，每3根止排鋼絲繩合并卡緊于一根總繩上。止排鋼管掛于卷排滾筒上的止排小鉤上，卷袋時袖口向上由滾筒下側卷進，止排鋼絲繩緊貼止排鋼管放置，理順系扣繩，袋頭至袋體下放側船邊即停止卷袋。

b.袋頭固定。采用邊充灌沙土、邊沉放的方法進行。施工時，根據(jù)氣象水文預報、河流洪水流量大小及河流水位深淺情況進行，在水深時下放袋體，待袋頭沉放到泥面并留有約1m富余量后，緩緩移船并沉放袋體。

c.沙袋充填。沙袋充灌在鋪排船翻板上進行，翻板外側端放至水面，在翻板上將沙管插入沙袋袖口，向袋內(nèi)充灌沙土，緩緩沉放袋體。當充灌袖口將要到達翻板外側端時，將充沙管拔出移至上排袖口，同時快速扎緊下排袖口，防止充灌的沙土從下排袖口流出。充灌時，根據(jù)泥漿泵效率和實際灌沙量更換充沙袖口，控制移船速度，確保袋裝沙厚0.7m左右。

d.放袋。中控室人員松開包卷筒，啟動絞車和錨，使鋪排船后退，將甲板包放入水中。放袋控制人員應與船上觀察人員保持聯(lián)系，調(diào)整各絞車的速度，使袋子按要求下沉，使袋子到達水底時，與設計的下沉和放袋線重合。袋體與袋體之間搭接長度按3m控制。

袋裝沙鋪設平順并保持松緊適度，對變形較大的基面留有一定的富裕量，袋裝沙經(jīng)向沿堤橫斷面布置，不設縫，沿堤軸線各塊袋體搭接寬度3m。

e.止袋。袋裝沙袋體卷筒上少于一圈袋體時(即止排鋼管露出時)，袋體停止下放，并將止排鋼絲繩系至止排卷揚機，繼續(xù)下放袋體。當止排鋼管到達卷排鋼管下側略偏上時，停止放袋。開動止排卷揚機至止排鋼絲繩拉緊，然后開動滾筒卷揚機放袋至止排小鉤與止排管脫開，此時袋體離開卷袋滾筒而直接受止排卷揚機作用。開動止排卷揚機放袋體至水底，充沙管移至最后一排袖口時，加長充沙軟管，采用專用的繩索系扎充沙管，以便該段沙袋沉入水中后可以繼續(xù)進行充填和拔出充沙管。待充灌沙量達到要求后，松開止排卷揚機鋼絲繩回收連接繩。一個袋體在一個潮水過程中充填完成，施放下個袋體重復以上工序，逐袋逐層進行水下充泥管袋施工直至充泥管袋所形成的江堤堤身到達設計斷面要求，沙袋分層鋪設，袋體堆疊整齊，層與層之間交錯排列，袋體緊靠、擠密無通縫。

3.2.6 水下檢測測量

針對工程實際工況，施工時，采用浮在沙袋上的目測法進行沙袋漂移試驗，測量相同水深條件下各種規(guī)格沙袋的近似漂移距離。根據(jù)實測結果，對拋袋裝沙施工參數(shù)進行對比，并進行相應調(diào)整。同時，通過檢查漂浮位置和潛水方法，檢測袋體的實際投擲位置和質(zhì)量，如有偏差，及時制定技術措施進行補救；及時測量堤防斷面，掌握水下袋裝沙斷面的形成情況，計算出每天有效工程量，做好全程跟蹤記錄，指導現(xiàn)場施工，決定是否需要補拋、在何處補拋，以獲得最佳的作業(yè)效果。

考慮到袋裝沙的固結和沉降需要一定的時間，在拋填袋裝沙施工時為確保最終穩(wěn)定斷面能滿足設計尺寸，一般預留1～2m沉降量。

3.2.7 沙肋軟體排鋪設

沙肋軟體排由320g/m2土工布縫制而成，具有較強的抗沖刷性能，對已恢復的灘地能起到防護作用，同時，也能避免后期拋石施工對已完沙袋的破壞。對于崩岸灘地的沙肋軟體排施工一般采用專業(yè)鋪排船進行。鋪排船鋪排時，將加工好的軟體排由卡車運輸至施工現(xiàn)場，通過運輸船轉運到鋪排船上進行鋪設。

沙肋軟筏直接委托加工廠按設計要求加工組裝，組裝時嚴禁在垂直于堤防軸線的方向進行平接；這塊布是用雙線接縫拼接的。拼接后，鋼管被用作軸，汽車起重機將鋼管卷起，然后貼上標簽并登記，儲存起來以備運輸。對于加工好的軟排，應按照便于現(xiàn)場鋪設的原則，卷成捆堆放，整體尺寸和克重用紅油漆標明。

鋪設軟筏時，應平整適度，對變形較大的基面應留有一定的余量。軟筏板應沿路堤橫斷面的經(jīng)線方向布置，無接縫。每個砌塊沿路堤軸線的搭接長度不應小于2m，鋪設定位允許誤差為+0.5m，搭接處應及時用沙袋加固。

3.2.8 軟筏鋪設

鋪設軟筏時，應注意及時填

充沙肋道渣，防止筏體因風浪沖擊或其他因素而移位、翻滾或沖離搭接處。

沙肋采用吹沙船吹澆，具體施工方法如下:用5cm鋼管等距離固定軟筏的岸側，用兩只定位船將軟筏岸側的兩個角擰緊→吹沙船的上下游河側分別拋有錨，帶有軟筏的浮筏固定在吹沙船的岸邊，沙駁固定在吹沙船的河側→連接吹沙泵，用第一個沙肋填充固定浮筏。當填充度達到85%左右時，將袋口扎牢，放入水中。吹沙船慢慢向河邊移動，第二、第三條沙棱相繼入水。筋袋的袋口兩端用小漂浮物固定漂浮在水面上，第四個沙筋袋仍在浮筏的邊緣→裝滿第二個和第三個沙肋袋。裝滿后(通常約2min)，用尼龍繩將袋口綁緊→填充第四個沙肋袋。

以這種方式往復運動，當最后的沙肋被填滿時，它被放置在浮筏上，浮筏慢慢地移動到河邊，并且將系在軟筏上的繩索慢慢地松開，將整個軟筏沉入河中。

3.2.9 拋石

軟體排的鋪設是靠沙肋的自重來下沉和暫時壓排的，所以在軟體排鋪設結束以后及時進行拋石壓排是非常必要的，并且主要的抗沖刷和消能是由拋石來完成的。

拋石主要采用網(wǎng)兜定點拋石方法，網(wǎng)兜拋石船利用船上裝的GPS定位系統(tǒng)(通過GPS定位系統(tǒng)可以在控制室的電腦上直觀地看到拋石船的位置和各種控制參數(shù))先大致平行堤軸線拋錨定位于作業(yè)區(qū)，然后根據(jù)設計施工圖紙的平面位置精確定位。為了保證拋石船的安全，拋石順序一般是由內(nèi)向外，拋石船的內(nèi)側靠近拋石區(qū)域，外側?？渴线\輸船(見圖5)。

圖5 網(wǎng)兜拋石施工平面和斷面示意圖

水下拋石應按拋擲網(wǎng)格進行。根據(jù)船載物料的長度和寬度，劃定拋擲施工的網(wǎng)格。根據(jù)施工網(wǎng)格的平面位置和設計要求的拋石范圍和厚度，計算施工網(wǎng)格的拋石量。

施工前先畫出方格控制網(wǎng)，填寫各網(wǎng)格需要拋投的方量，作為各小拋投區(qū)施工的參考依據(jù)。投擲區(qū)間內(nèi)每隔20m測量放置一條斷面控制線，作出明顯標志。同時，在堤上設置基準，輔以少量浮標，用于拋石船的定位和放樣。在正式大規(guī)模拋石前，需要測量水流速度和水深，并進行拋石試驗，以確定合理的拋石方法。

拋石作業(yè)應在潮汐較緩時進行。拋石過程中，吊車司機必須按照拋石指揮員的指示進行拋石。嚴禁隨意拋石，網(wǎng)袋應盡可能靠近底部，以減少石塊的損失。

深水區(qū)直接傾倒，淺水區(qū)拋石船二次轉運。石塊被轉移到轉移船上，然后由船運送到拋石區(qū)進行懸掛和拋擲。

同時需對保灘結構做進一步的檢查，以確保大堤的安全，主要是觀測灘前水深情況，看是否有刷深的跡象，對于被刷深地段，需進一步拋石，防止已建大堤出現(xiàn)意外事故。

3.2.10 二次水下測量檢測

拋石施工結束以后，進行二次水下測量檢測，通過兩次測量的成果比較，不僅僅是可以檢測拋石斷面的增厚率，還可以得出已經(jīng)恢復的灘地的沉降量，為以后對灘地監(jiān)測提供了基礎數(shù)據(jù)。

4 質(zhì)量控制

拋填袋裝沙施工在水深區(qū)域進行，水下填筑，其施工成果無法直接觀察，灘地恢復后須通過水下地形測量的手段進行檢測，所以袋體的拋投定位、嚴格原材料檢測和工序施工質(zhì)量控制，是確保深水袋裝沙護岸施工質(zhì)量的重要手段。

4.1 拋投試驗及測量定位

袋體拋投位置的準確性決定了崩岸區(qū)域灘地恢復的質(zhì)量，在進行拋投試驗時，首先收集當?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料，對施工過程中影響施工的諸多因數(shù)均予以考慮。對不同大小的袋體在不同水文條件下均應進行拋投試驗。單個拋投袋體結束拋投后，立即進行水下地形測量，檢測袋體的著陸位置和方向，并將數(shù)據(jù)以表格分析法的形式記錄下來。

4.2 原材料

拋填袋裝沙使用的袋體主要材料是土工織物，土工織物進場前，廠家應出具“出廠合格證、質(zhì)保書”等質(zhì)量證明材料，同時，應委托土工織物質(zhì)量檢測第三方，對土工織物進行2次質(zhì)量抽檢，檢測合格后投入使用。

4.3 工序質(zhì)量控制

a.為確保每幅袋體鋪設質(zhì)量，要及時掌握相鄰袋體間的實際搭接長度和每個袋體的實際平面位置。鋪設后，檢測相鄰袋之間的搭接寬度和每個鋪設袋體的實際平面位置。沿袋體四角布置4個浮標檢測點位，鋪設結束后，利用翻板作為檢測平臺，浮標與袋體采用丙綸繩連接，移船至浮標處，將繩拉緊確保其處于鉛垂狀態(tài)，利用移動GPS檢測該點的實際平面位置并做好施工原始記錄，將4個測點的實際平面位置作為確定下一幅袋體平面位置的修正依據(jù)及與前一幅相鄰袋體間搭接量檢測的依據(jù)。鋪設完成后委托有資質(zhì)的單位對袋體完整情況、袋體充填情況及袋體搭接情況進行水下探摸檢測。

b.充灌前首先進行生產(chǎn)性試驗，取得有關如泥漿濃度、袋體尺寸、沉積率等經(jīng)驗值后，再全面施工；根據(jù)充填速度、袋體尺寸和輸送距離的要求，選擇用于土工織物袋充填的泥漿泵和高壓泵。

c.鋪設土工布袋時，上袋和下袋交錯鋪設；在同一層相鄰袋的接縫處鋪設土工織物袋時，應預留收縮量，以保證兩袋在填充后擠壓緊密，袋與袋之間無貫通間隙。

d.填筑過程應按填筑→拌漿→二次填筑→袋內(nèi)土壓實、厚度達到設計要求的順序進行。袋體的充盈度為60%～70%，厚度控制在0.7m左右，充填后的干重度大于14.5kN/m3。

e.沙袋頂高程充填固結后按設計預留沉降值。

f.用高壓水槍制作泥漿，泥漿濃度一般控制在20%～45%；充填采用泥漿泵進行，管路出口壓力根據(jù)生產(chǎn)性實驗確定，一般為0.2～0.3MPa。

g.采用鋪排船鋪設的袋體下沉時盡量使袋裝沙袋體兩側均勻下滑，注意調(diào)整船速，使之與袋體下放速度同步，在滑板上加設限位管，以減少袋體在滑板上的收縮。

5 結 語

由于長江澄通河段通洲沙西水道長沙河—福山塘段邊灘綜合整治工程處在長江下游河口附近，筑堤基礎普遍較差，筑堤高度較大且大部分位于深水區(qū)，在總結以往類似工程建設經(jīng)驗的基礎上，結合本工程實際情況，對袋裝沙筑堤施工工藝進行了改進和創(chuàng)新，具有廣泛的推廣應用價值。