復(fù)雜流態(tài)下長(zhǎng)江深槽岸坡沙袋防護(hù)設(shè)計(jì)與施工

李銘華，嚴(yán) 彬，朱相丞，樊昆澎，孫明輝

(1.南京市長(zhǎng)江河道管理處，江蘇 南京 210011；2.南京市水務(wù)建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210011)

近年來(lái)，長(zhǎng)江南京段河勢(shì)持續(xù)改變和調(diào)整，護(hù)岸工程面廣量大。水下岸坡防護(hù)是護(hù)岸工程的一種，水下岸坡防護(hù)中拋石應(yīng)用最為廣泛，其特別適用于水深流急、水流紊亂等流態(tài)復(fù)雜河段的防護(hù)。但是，由于近年來(lái)拋石所需石料來(lái)源枯竭，人們一直在尋找能夠替代石料的防護(hù)材料。沙袋由土工織物袋充沙而成，在水下能形成抗沖實(shí)體，具有取材容易、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。最早埃及將沙袋作為臨時(shí)措施用于尼羅河防治；20世紀(jì)50年代荷蘭、墨西哥、德國(guó)、美國(guó)等在河道、海岸防治中有所應(yīng)用；20 世紀(jì) 80 年代我國(guó)采用編織袋充土修筑圍堰，之后在長(zhǎng)江、黃河、漢江等大江大河及其支流中都有應(yīng)用[1]。長(zhǎng)江下游河道整治工程中沙袋主要應(yīng)用于筑壩、填槽，如鎮(zhèn)江和暢洲左汊潛壩工程[2]、新濟(jì)洲汊道中汊封堵工程[3]、南京大勝關(guān)填槽工程[4-5]等，南京水科院曾就沙袋護(hù)坡開(kāi)展過(guò)水槽試驗(yàn)研究。本文以長(zhǎng)江南京八卦洲頭右緣深槽岸坡防護(hù)工程為例，主要論述復(fù)雜流態(tài)條件下深槽岸坡沙袋防護(hù)工程設(shè)計(jì)以及為確保沙袋拋投落點(diǎn)位置準(zhǔn)確所采取的施工措施，為類似工程提供參考。

1 河段概況及河勢(shì)問(wèn)題

長(zhǎng)江南京八卦洲河段主泓長(zhǎng)約18 km，為鵝頭分汊型河道，左汊為支汊。分流段主流靠左，左汊河道沿程阻力大于右汊。受此影響，主流在左汊口門處向右急轉(zhuǎn)越過(guò)洲頭魚(yú)嘴后貼洲頭右緣后挑流頂沖右岸燕子磯段(圖1)。洲頭區(qū)域水深流急，主流多次轉(zhuǎn)向，水流流態(tài)、流場(chǎng)空間分布復(fù)雜多變。八卦洲頭右緣水下深槽1983年后形成，近年來(lái)，深槽繼續(xù)向下、向近岸發(fā)展。深槽岸坡沖深變陡，坡比約1:2，岸坡穩(wěn)定性較差；八卦洲左汊總體呈緩慢淤積萎縮態(tài)勢(shì)，左汊河道阻力呈加大態(tài)勢(shì)，洲頭橫向漫灘流對(duì)洲頭右緣深槽的沖刷加大，嚴(yán)重威脅洲頭右緣岸坡穩(wěn)定。

圖1 八卦洲汊道河勢(shì)

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 水文條件

防洪設(shè)計(jì)水位8.50 m(85高程)，設(shè)計(jì)枯水位1.0 m，設(shè)計(jì)流速3.0 ms。

2.2 地質(zhì)

深槽岸坡最深處高程-46.30 m，灘頂至河床最大高差超過(guò)50 m。水下岸坡段的巖性上部為②1粉質(zhì)黏土(軟塑-流塑)、②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下部為③粉砂(松散-稍密)、⑤細(xì)砂(中密-密實(shí))。河床主要物質(zhì)組成上部為⑤細(xì)砂(中密-密實(shí))、⑤1粉質(zhì)黏土(軟塑-可塑)，底部為砂礫石層。

2.3 結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)

2.3.1比選方案

初擬4個(gè)方案進(jìn)行比選(圖2)。

圖2 比選方案斷面(單位：m)

2.3.2岸坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

采用“瑞典圓弧滑動(dòng)法”分析岸坡穩(wěn)定性，各方案抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計(jì)算結(jié)果

2.3.3斷面設(shè)計(jì)

計(jì)算結(jié)果表明，方案2、4不能滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的“2級(jí)建筑物正常運(yùn)用條件下岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.25”的要求。方案1與方案3均能滿足規(guī)范要求，方案3工程量少于方案1，故優(yōu)于方案1?；诜桨?，綜合考慮工程投資和岸坡穩(wěn)定性，進(jìn)一步將斷面形式優(yōu)化為3級(jí)復(fù)式斷面，頂高程-5 m、頂寬5 m，坡比1:3，二級(jí)平臺(tái)頂高程-15 m、寬5 m，坡比1:3，三級(jí)平臺(tái)頂高程-25 m、寬10 m，坡比1:3(圖3)。同時(shí)，為防止工程前沿沖刷影響沙袋防護(hù)體的穩(wěn)定，對(duì)坡腳進(jìn)行拋石防護(hù)，拋石厚2 m，寬30 m。該結(jié)構(gòu)斷面岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=1.32～1.42，符合規(guī)范要求。預(yù)計(jì)工程建成運(yùn)行后，工程前沿會(huì)發(fā)生沖刷下切，按工程前沿河床估算沖刷深度及穩(wěn)定邊坡為1:3核算，岸坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc=1.29～1.31，滿足規(guī)范要求。

圖3 結(jié)構(gòu)斷面

2.4 沙袋體型設(shè)計(jì)

八卦洲段深槽岸坡防護(hù)沙袋典型外形見(jiàn)圖4。直徑1.2 m，長(zhǎng)度10 m，每個(gè)沙袋同側(cè)分別保留3個(gè)直徑200 mm的袖口，袖口間距4 m，袖口外縫接長(zhǎng)500 mm的同面料、同直徑、兩端敞口的袖袋，中間袖袋用于吹填沙時(shí)的水沙進(jìn)口，兩端袖袋用于出水。沙袋起動(dòng)流速U大于設(shè)計(jì)流速，該沙袋單元在水流作用下能保持穩(wěn)定，起動(dòng)流速計(jì)算公式為[6]：

圖4 沙袋體型

(1)

式中：U為失穩(wěn)流速(ms)；k為修正系數(shù)，取0.713；f為材料的摩擦系數(shù)；ρs、ρ為沙袋和水的密度(kgm3)；g為重力加速度(ms2)；D、L為沙袋投影后在高、長(zhǎng)方向的尺寸(m)。

2.5 充填料、土工織物設(shè)計(jì)

充填料為八卦洲左汊進(jìn)口黃家洲邊灘產(chǎn)生的天然江沙，充填沙黏粒含量不大于10%。土工織物袋由丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織土工布縫制而成，本工程按水利水電工程設(shè)計(jì)，根據(jù)SLT 225—1998《水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，其保土性應(yīng)滿足：

O95≤0.5d85

(2)

式中：O95為土工織物等效孔徑(mm)；d85為充填沙的特征粒徑(mm)。

土工布物理特征見(jiàn)表2。沙袋充填度≥70%，沙袋充填完成后，將每個(gè)袖袋折疊，再用專用繩綁扎封口。

表2 丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織土工布物理力學(xué)特征

3 工程施工

3.1 施工流程

深槽岸坡沙袋防護(hù)施工采用水面平臺(tái)上充填沙袋拋投工藝。施工流程為：布設(shè)控制點(diǎn)→拋前水下地形測(cè)量→分層、分區(qū)、分格→測(cè)量拋點(diǎn)水深、流速，計(jì)算、確定和調(diào)整拋投落距→拋投船拋錨預(yù)定位→運(yùn)沙船靠泊→驗(yàn)袋充沙→驗(yàn)沙袋拋投→拋投后施工船移位，繼續(xù)下一輪拋投(直至該區(qū)域或?qū)哟螔佂督Y(jié)束)→拋后測(cè)量→移至下一區(qū)域或?qū)哟螔佂丁⒐y(cè)量。

3.2 施工重難點(diǎn)分析

在復(fù)雜流態(tài)條件下，如何確保沙袋拋投落點(diǎn)位置準(zhǔn)確是工程施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3.3 采取措施

3.3.1優(yōu)選施工船舶

深槽岸坡沙袋防護(hù)施工流程中，沙袋拋投工藝較為重要，施工工藝一般有鋪排船翻板滑拋和開(kāi)體駁拋投兩種拋投工藝。鋪排船翻板滑拋(圖5)是先將鋪排船翻板處于水平狀態(tài)，在其上驗(yàn)袋充沙后，將翻板緩緩放下，同時(shí)利用水槍沖擊沙袋底部，形成水墊，沙袋滑入江中。單層拋投；開(kāi)體駁拋投(圖6)是在開(kāi)體駁船艙內(nèi)驗(yàn)袋沖沙后，開(kāi)體駁船艙打開(kāi)，沙袋直接入江；多層拋投。本工程采用的開(kāi)體駁船總噸位(GT)640 t、凈噸位(NT)358 t，總長(zhǎng)51.5 m、型寬10.6 m、型深3.9 m。

圖5 鋪排船翻板滑拋

圖6 開(kāi)體駁拋投

通過(guò)分析，最終采用開(kāi)體駁拋投工藝。該工藝下，沙袋落點(diǎn)位置相對(duì)準(zhǔn)確，主要原因有：

1)沙袋排水到位，漂距計(jì)算更準(zhǔn)確。鋪排船翻板滑拋時(shí)，沙袋通過(guò)袋體自身滲水、人工踩踏加速排水，排水時(shí)間長(zhǎng)；開(kāi)體駁拋投時(shí)，沙袋通過(guò)上層沙袋自重壓實(shí)，排水速度快、效果好。沙袋充分排水密實(shí)后，沙袋的自質(zhì)量和含水量基本一致，在水中的漂距更有規(guī)律，根據(jù)漂距公式計(jì)算得出的沙袋漂距更加準(zhǔn)確。

2)定位更可控。沙袋在水中的漂距與水深、流速及沙袋自質(zhì)量有關(guān)，鋪排船翻板滑拋每次拋投4包，一次循環(huán)10 min，而南京河段屬于感潮河段，河段水位受長(zhǎng)江徑流與潮汐雙重影響，水位每日兩漲兩落，水深、流速時(shí)刻在變，每次拋投前都移船定位很難做到，一般采用1 h移船定位1次；開(kāi)體駁拋投每次充填6層33包，一次循環(huán)70 min，定位更可控。

3)入水姿態(tài)更好。開(kāi)體駁滿載時(shí)，沙袋位于水面以下1 m處，開(kāi)體后，水先包裹住沙袋再沉入水中。而鋪排船翻板滑拋時(shí)，沙袋位于水面上一定高度，沙袋滑下時(shí)，入水姿態(tài)難以控制。

3.3.2合理分層分區(qū)

合理分層分區(qū)的目的是除了確保沙袋拋投均勻外，也保證沙袋落點(diǎn)位置的準(zhǔn)確。防護(hù)沙袋從江底填筑至-5m，回填厚度最深處達(dá)35 m，填筑時(shí)遵循先上游后下游、先深泓后淺灘的原則。施工前先根據(jù)等高線將沙袋分為7層，每層5 m，再根據(jù)開(kāi)體駁貨倉(cāng)尺寸，將每層劃分為若干個(gè)30 m×7.5 m的小格，然后計(jì)算出每個(gè)小格的回填量，通過(guò)定點(diǎn)定量的拋投方式，在每個(gè)區(qū)格內(nèi)拋投沙袋，填筑完1層后再填筑下1層，均勻回填上升。

3.3.3生產(chǎn)性試驗(yàn)研究

為保證沙袋落點(diǎn)位置準(zhǔn)確，施工前進(jìn)行沙袋拋投試驗(yàn)研究，主要目的是為了尋找沙袋的漂距與水深、流速之間的關(guān)系以及沙袋充填時(shí)間與充填度之間的關(guān)系。

1)沙袋的漂距與水深、流速之間的關(guān)系。

漂距經(jīng)驗(yàn)公式：

s=KvHW

(3)

式中：s為沙袋縱向水平漂距(m)；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；v為施工時(shí)拋枕部位水面流速(ms)；H為拋區(qū)相應(yīng)水深(m)；W為沙袋質(zhì)量(kg)。

經(jīng)試驗(yàn)，沙袋漂距的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K值平均為1.72，水體表面流速比平均流速慢0.14～0.20 ms。故將施工時(shí)流速儀所測(cè)得的水體表面流速加0.17 ms作為平均流速、K值系數(shù)取1.72，以此指導(dǎo)施工。漂距與水深、流速關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 漂距與水深、流速關(guān)系

2)沙袋充填時(shí)間與充填度之間的關(guān)系。

經(jīng)試驗(yàn)，沙袋充填時(shí)間宜在11 min。沙袋充填時(shí)間與充填度關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 沙袋充填時(shí)間與充填度關(guān)系

3.3.4二次定位法

沙袋拋投定位采取二次定位法，第一次定位是在沙袋施工前進(jìn)行預(yù)定位，將開(kāi)體駁定位至拋投區(qū)格的上游經(jīng)驗(yàn)預(yù)定位置，待沙袋充填至第5層時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的水深、流速計(jì)算出沙袋漂距，再通過(guò)軟件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，將開(kāi)體駁精確定位，確保每次拋投的準(zhǔn)確性。

3.3.5動(dòng)態(tài)量測(cè)修正

移船定位時(shí)采用GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，利用軟件將開(kāi)體駁船型示意到CAD圖上，可直觀地看到開(kāi)體駁是否定位在指定位置，水上定位測(cè)量時(shí)可極大地提高作業(yè)效率。

3.3.6加密檢測(cè)頻次

每層填筑后即利用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)是否達(dá)到預(yù)定高程，對(duì)未達(dá)到高程的區(qū)格進(jìn)行標(biāo)注，在下一層施工時(shí)補(bǔ)拋。

4 結(jié)語(yǔ)

1)深槽岸坡采用3級(jí)復(fù)式斷面沙袋防護(hù)，頂高程-5 m、頂寬5 m，坡比1:3，二級(jí)平臺(tái)頂高程-15 m，寬5 m，坡比1:3，三級(jí)平臺(tái)頂高程-25 m，寬10 m，坡比1:3；沙袋單元直徑1.2 m，長(zhǎng)度10 m；充填料為八卦洲左汊進(jìn)口黃家洲邊灘天然江沙，充填沙黏粒含量不大于10%；沙袋采用丙綸長(zhǎng)絲機(jī)織土工布縫制，沙袋充填度不小于70%，充填完成后將每個(gè)袖袋折疊后用專用繩綁扎封口。工程設(shè)計(jì)方案技術(shù)可行。

2)采用開(kāi)體駁拋投工藝，結(jié)合施工船舶尺寸合理分層分區(qū)，施工前開(kāi)展生產(chǎn)性試驗(yàn)確定沙袋充填時(shí)間及沙袋漂距經(jīng)驗(yàn)公式中的K值系數(shù)，施工時(shí)利用二次定位法、動(dòng)態(tài)量測(cè)修正、加密檢測(cè)頻次等，可以確保沙袋拋投落點(diǎn)位置準(zhǔn)確。