復雜流態(tài)下長江深槽岸坡沙袋防護設計與施工

李銘華，嚴 彬，朱相丞，樊昆澎，孫明輝

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

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

1 河段概況及河勢問題

長江南京八卦洲河段主泓長約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越過洲頭魚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，主流多次轉向，水流流態(tài)、流場空間分布復雜多變。八卦洲頭右緣水下深槽1983年后形成，近年來，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，左汊河道阻力呈加大態(tài)勢，洲頭橫向漫灘流對洲頭右緣深槽的沖刷加大，嚴重威脅洲頭右緣岸坡穩(wěn)定。

圖1 八卦洲汊道河勢

2 工程設計

2.1 水文條件

防洪設計水位8.50 m(85高程)，設計枯水位1.0 m，設計流速3.0 ms。

2.2 地質

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

2.3 結構斷面設計

2.3.1比選方案

初擬4個方案進行比選(圖2)。

圖2 比選方案斷面(單位：m)

2.3.2岸坡穩(wěn)定計算結果

采用“瑞典圓弧滑動法”分析岸坡穩(wěn)定性，各方案抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計算結果見表1。

表1 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計算結果

2.3.3斷面設計

計算結果表明，方案2、4不能滿足GB 50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》規(guī)定的“2級建筑物正常運用條件下岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應大于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，進一步將斷面形式優(yōu)化為3級復式斷面，頂高程-5 m、頂寬5 m，坡比1:3，二級平臺頂高程-15 m、寬5 m，坡比1:3，三級平臺頂高程-25 m、寬10 m，坡比1:3(圖3)。同時，為防止工程前沿沖刷影響沙袋防護體的穩(wěn)定，對坡腳進行拋石防護，拋石厚2 m，寬30 m。該結構斷面岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=1.32～1.42，符合規(guī)范要求。預計工程建成運行后，工程前沿會發(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 結構斷面

2.4 沙袋體型設計

八卦洲段深槽岸坡防護沙袋典型外形見圖4。直徑1.2 m，長度10 m，每個沙袋同側分別保留3個直徑200 mm的袖口，袖口間距4 m，袖口外縫接長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的水沙進口，兩端袖袋用于出水。沙袋起動流速U大于設計流速，該沙袋單元在水流作用下能保持穩(wěn)定，起動流速計算公式為[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、長方向的尺寸(m)。

2.5 充填料、土工織物設計

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

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)。

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

表2 丙綸長絲機織土工布物理力學特征

3 工程施工

3.1 施工流程

深槽岸坡沙袋防護施工采用水面平臺上充填沙袋拋投工藝。施工流程為：布設控制點→拋前水下地形測量→分層、分區(qū)、分格→測量拋點水深、流速，計算、確定和調整拋投落距→拋投船拋錨預定位→運沙船靠泊→驗袋充沙→驗沙袋拋投→拋投后施工船移位，繼續(xù)下一輪拋投(直至該區(qū)域或層次拋投結束)→拋后測量→移至下一區(qū)域或層次拋投→竣工測量。

3.2 施工重難點分析

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

3.3 采取措施

3.3.1優(yōu)選施工船舶

深槽岸坡沙袋防護施工流程中，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)，在其上驗袋充沙后，將翻板緩緩放下，同時利用水槍沖擊沙袋底部，形成水墊，沙袋滑入江中。單層拋投；開體駁拋投(圖6)是在開體駁船艙內驗袋沖沙后，開體駁船艙打開，沙袋直接入江；多層拋投。本工程采用的開體駁船總噸位(GT)640 t、凈噸位(NT)358 t，總長51.5 m、型寬10.6 m、型深3.9 m。

圖5 鋪排船翻板滑拋

圖6 開體駁拋投

通過分析，最終采用開體駁拋投工藝。該工藝下，沙袋落點位置相對準確，主要原因有：

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

2)定位更可控。沙袋在水中的漂距與水深、流速及沙袋自質量有關，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，河段水位受長江徑流與潮汐雙重影響，水位每日兩漲兩落，水深、流速時刻在變，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。開體駁滿載時，沙袋位于水面以下1 m處，開體后，水先包裹住沙袋再沉入水中。而鋪排船翻板滑拋時，沙袋位于水面上一定高度，沙袋滑下時，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，也保證沙袋落點位置的準確。防護沙袋從江底填筑至-5m，回填厚度最深處達35 m，填筑時遵循先上游后下游、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)開體駁貨倉尺寸，將每層劃分為若干個30 m×7.5 m的小格，然后計算出每個小格的回填量，通過定點定量的拋投方式，在每個區(qū)格內拋投沙袋，填筑完1層后再填筑下1層，均勻回填上升。

3.3.3生產性試驗研究

為保證沙袋落點位置準確，施工前進行沙袋拋投試驗研究，主要目的是為了尋找沙袋的漂距與水深、流速之間的關系以及沙袋充填時間與充填度之間的關系。

1)沙袋的漂距與水深、流速之間的關系。

漂距經驗公式：

s=KvHW

(3)

式中：s為沙袋縱向水平漂距(m)；K為經驗系數(shù)；v為施工時拋枕部位水面流速(ms)；H為拋區(qū)相應水深(m)；W為沙袋質量(kg)。

經試驗，沙袋漂距的經驗系數(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。故將施工時流速儀所測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，以此指導施工。漂距與水深、流速關系見表3。

表3 漂距與水深、流速關系

2)沙袋充填時間與充填度之間的關系。

經試驗，沙袋充填時間宜在11 min。沙袋充填時間與充填度關系見表4。

表4 沙袋充填時間與充填度關系

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行預定位，將開體駁定位至拋投區(qū)格的上游經驗預定位置，待沙袋充填至第5層時，根據(jù)實時采集的水深、流速計算出沙袋漂距，再通過軟件實時動態(tài)測量，將開體駁精確定位，確保每次拋投的準確性。

3.3.5動態(tài)量測修正

移船定位時采用GPS-RTK實時動態(tài)測量，利用軟件將開體駁船型示意到CAD圖上，可直觀地看到開體駁是否定位在指定位置，水上定位測量時可極大地提高作業(yè)效率。

3.3.6加密檢測頻次

每層填筑后即利用多波束測深系統(tǒng)進行檢測，檢測是否達到預定高程，對未達到高程的區(qū)格進行標注，在下一層施工時補拋。

4 結語

1)深槽岸坡采用3級復式斷面沙袋防護，頂高程-5 m、頂寬5 m，坡比1:3，二級平臺頂高程-15 m，寬5 m，坡比1:3，三級平臺頂高程-25 m，寬10 m，坡比1:3；沙袋單元直徑1.2 m，長度10 m；充填料為八卦洲左汊進口黃家洲邊灘天然江沙，充填沙黏粒含量不大于10%；沙袋采用丙綸長絲機織土工布縫制，沙袋充填度不小于70%，充填完成后將每個袖袋折疊后用專用繩綁扎封口。工程設計方案技術可行。

2)采用開體駁拋投工藝，結合施工船舶尺寸合理分層分區(qū)，施工前開展生產性試驗確定沙袋充填時間及沙袋漂距經驗公式中的K值系數(shù)，施工時利用二次定位法、動態(tài)量測修正、加密檢測頻次等，可以確保沙袋拋投落點位置準確。