膜袋砂圍堰在板嶼水閘施工中的應用

黃舜祥

（福建省惠安縣外走馬埭海堤管理處，福建 泉州362100）

引言

水利建設工程中河道當中的淤泥含水量極高，但是承載能力不足，對于由普通砂土形成的圍堰會產生非常嚴重的沉降，進而影響穩(wěn)定性，由于淤泥產生了擾動，經(jīng)常產生滑塌和難以成型等問題，因此圍堰施工技術是關鍵環(huán)節(jié)。膜袋砂具有許多技術優(yōu)勢，在現(xiàn)場進行施工的過程中可以直接使用膜袋來進行膜袋砂充填，也可以按照工廠生產的標準進行縫制，在成型之后運輸?shù)浆F(xiàn)場直接使用。在充填時如果使用海砂可以直接從海灘、內河道取材，還可以使用船只送至專門的膜袋泵進行充填，采用這樣的充填方式不僅可以實現(xiàn)資源的高效利用，同時整個施工過程變得更加簡單，在對環(huán)境進行保護的同時，實現(xiàn)了較高的經(jīng)濟效益。因此，膜袋砂圍堰具有豐富的應用與研究價值。

1 工程概況

板嶼閘臨海側圍堰防潮標準不低于原海堤防潮標準，圍堰設計潮位應為50年一遇高潮位為4.83 m。背海側導流建筑物級別為4級，洪水重現(xiàn)期為10年標準，相應背海側非汛期流量為113 m3/s。臨海側圍堰堰頂高程為原海堤頂高程7.50 m。臨海側圍堰采用石渣圍堰，堰頂寬4.0 m，圍堰長240 m，迎水面邊坡為1∶2.0，背水面邊坡為1∶1.5。

背海側圍堰堰頂高程為2.00 m。結合水閘背海側捕撈橋，可安置閘門作為背海側擋水建筑物，需拆除混凝土7.0 m3，預制混凝土閘門32座，每座閘門分為5節(jié)，單節(jié)混凝土閘門尺寸為1 m×2.6 m。閘門背水側填筑粘土防滲，同時作為兩岸臨時交通。

2 圍堰設計

2.1 斷面設計

根據(jù)潮汐資料臨海側平均高潮位為2.35 m，最大值2.47 m，為此首先需要修筑吹砂充填膜袋圍堰，然后在此基礎上修建石渣圍堰。對于修建的吹砂充填膜袋圍堰的要求為高程是3 m，頂寬是4 m，坡度為1∶2.0。圍堰還需要鋪設20 cm厚C20膜袋混凝土以防止?jié)B漏，此外在石渣圍堰和膜袋混凝土之間還需要鋪設墊層，墊層的厚度是20 cm，使用的物料為砂礫石；背海面需要使用石塊進行防護，厚度為40cm。圍堰和原堤接觸的部位要做好防滲保護，以便水平鋪設土工膜，土工膜上澆筑500 mm厚混凝土作為防滲體。典型斷面如圖1所示。

圖1 典型斷面圖

2.2 圍堰穩(wěn)定性驗算

本工程假定圍堰滑動土屬于不變形的剛體，在對其穩(wěn)定性進行計算時采用畢肖普法。設立圍堰的地方潮位變化明顯，含水量高、孔隙度高、孔隙壓力大。在對土坡進行劃分時采取的是沿豎直劃分的方式，土體可以被劃分為若干條豎直長條，比如在對其中的第i條土條進行受力分析時，假設該條土體之上的土條自重是Wi，土條弧面上的法向反力為Ni和切向阻力Tri、孔隙應力大小為Ui、兩側作用力為Xi、Ei和Xi+1、Ei+1。計算簡圖如圖2所示。

圖2 畢肖普法受力簡圖

采用畢肖普法進行計算時首先需要考慮力矩的平衡，同時還要考慮每一土條豎直方向力的平衡，所以根據(jù)力矩平衡原理，以及豎直力平衡原理進行圍堰土坡穩(wěn)定安全系數(shù)推導，可得：

式中c和φ——分別表示土層的粘聚力和內摩擦角；

Fs——土坡穩(wěn)定性系數(shù)；

γ——土層的計算重度；

θi——第i個土條到滑動圓弧圓心與數(shù)值方向的夾角；

hi和bi——代表的分別是第i條土的高度和寬度。

本圍堰驗算過程中，主要參數(shù)有：共有50條塊，開挖的基坑深度是2.38 m，內外側水位到坑頂和坑底的距離分別是2.37 m和1.5 m。放坡的高度是2.38 m，寬度是3.56 m，平臺的寬度是16 m。汽車的載重是55 t，荷載寬度是1.5 m，距離邊線的距離是1 m。砂礫土層，厚度是2.37 m，單位土的重量是20 kN/m3，內摩擦角的大小為15°，粘結力是13 kPa，飽和重度23 kN/m3。

依據(jù)上述給出的參數(shù)進行計算，可以得到圍堰開挖后安全系數(shù)的大小是Ks=2.40，因此，完全符合規(guī)范Ks≥1.35的要求。

3 圍堰施工方法及措施

3.1 拋石擠淤

石料采用自卸汽車運至施工現(xiàn)場，到達現(xiàn)場后使用挖掘機進行拋石，采用的方法為進占法。

拋石須分層拋填。拋石的基本順序是先從中線開始向前拋填，然后向兩側延伸，長度為20～50 m，采取依次推進方式進行；能上大型機械進行施工是第一層拋石厚度的基本要求。經(jīng)過檢驗如果沒有出現(xiàn)塊石頭的明顯下降，則可以開始下一階段的施工；如果沉降比較明顯，則必須再進行一層拋石然后碾壓，直到?jīng)]有明顯的下降為止。

3.2 充填膜袋砂

3.2.1 膜袋材料要求

充填袋選擇的標準是具有良好的透水性和保土性，需提供廠家的生產合格證書和檢測，水面以上的砂袋需采用防老化土工布，必須滿足在暴露使用3個月之后仍然有較高的強度，基本在原來強度的80%左右。

膜袋充填施工的基本步驟是膜袋縫制—→膜袋定位—→膜袋充灌—→膜袋檢查驗收。

3.2.2 圍堰主要施工方法

膜袋鋪設：膜袋按照設計要求在縫制完成之后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，按照圍堰軸線方向進行擺放，通過人工鋪設的方式將膜袋鋪設在設計邊線之內。在完成膜袋鋪設之后，圍堰邊線外側需要設立幾根10 cm厚的木樁，然后將膜袋固定在木樁之上，具體如圖3所示。

圖3 膜袋定位示意圖

膜袋充填：海砂是本次圍堰充填的主要材料，充填采用6PN-150水力沖挖機組，先充填中間再充填兩邊，避免出現(xiàn)褶皺，在沉放第2塊膜袋時需要預留搭接長度，然后進行定位，采取依次沉放的方式進行。

3.3 石渣填筑

3.3.1 石渣填筑施工

石渣填筑工藝流程：填料運輸—→卸料—→攤鋪平整—→灑水—→振動碾壓實—→質量檢測。

鋪料：施工過程中，使用載重為30 t的自卸車運輸物料，物料到達現(xiàn)場之后沿著工作面的前沿進行卸料（離端點2～3 m處），鋪料方式為進占法，厚度為50 cm，攤鋪使用裝載機進行，直到整體基本平整，起伏高度控制在10 cm以內。

灑水：氣溫高或者風力大時，使用灑水車進行灑水，在灑水之前首先進行一次碾壓，然后一邊灑水一邊進行壓實，灑水的基本要求是均勻、不間斷、連續(xù)。

碾壓：對石渣層進行碾壓時，使用18 t的震動碾。碾壓路線是沿著鋪料方向，與圍堰的軸線垂直，采用進退錯距法進行碾壓，同時在進退的過程中要與相鄰單元產生聯(lián)系，確保施工的連續(xù)性。

3.3.2 膜袋混凝土施工

施工程序：攤鋪膜袋布—→混凝土的輸送及充灌—→清洗膜袋混凝土表面及前期防護—→循環(huán)至下一塊模袋。

1）鋪設膜袋布。將膜袋布運輸?shù)焦さ刂?，按照要求進行整齊疊放，在進行單塊膜袋布鋪設時順序為從上到下，從上游到下游。一個鋪展塊的長度是16 m，采用縫接的方式連接展塊，上下兩層都要進行縫接。在進行充填之前要對膜袋布進行調整，水平方向需要保持一定的松緊度，留足收縮長度，通常情況下為每倉水平長度的10%。

2）混凝土輸送充灌。混凝土泵送時需要扎牢泵管和充灌口，將泵管垂直插入膜袋。順序為從上到下，先進行壓頂然后護腳，最后進行護坡，在進行充灌時需要對膜袋的松緊程度進行及時的調整，從而確保施工完成之后坡面仍然能夠保持美觀。通常情況下控制充填速度為10～15 m3/h，壓力控制在0.2～0.3 MPa，泵送時距離不得超過50 m。每次進行充灌時必須要確保連續(xù)，在充灌將要完成時需要停泵3～5 min，直到膜袋析出水分，然后接著進行充灌，一直到飽滿為止，充灌完成后需要將管撤出，然后將沖灌口扎緊，并將袋口塞入護坡體內并縫合。

3）膜袋混凝土表面清洗。完成膜袋混凝土充灌30 min之后，需要將膜袋表面的灰渣及時進行沖洗，保證干凈和美觀。膜袋混凝土充灌結束8 h以內禁止人員踩踏和壓放重物，并適時灑水養(yǎng)護。

3.4 施工排水

施工排水包括初期排水及經(jīng)常性排水。

初期排水中的水主要來自于圍堰閉體之后在基坑中存留的水，在進行排水時需要將從圍堰深入到基坑的水量和降雨考慮在內。選擇水泵的數(shù)量是初期排水量的主要確定依據(jù)。在進行初期排水量確定時可以根據(jù)地質情況、施工條件和工期長短進行估算：

式中Q——初期排水流量（m3/s）；

V——是基坑積水的體積（m3）；

K——積水系數(shù)，將圍堰存在基坑滲水和降雨的可能性考慮在內，在中小工程中K的大小為2～3；

T——初期排水時間（s）。

滲水、雨水和施工廢水屬于經(jīng)常性排水，其中可以忽略的是基坑滲水和施工廢水，所以在考慮水泵數(shù)量時可以排除雨雪水。

1）匯水面積：本工程中水閘基坑匯水面積較大，大小在5 500 m2左右。

2）降雨量：設計排水系統(tǒng)時特大暴雨的降雨量按照250 mm/d計算。

3）每天排水量大小為1 375 m3。

4）集排水設置：在開挖基坑之前，首先在防沖槽處進行開挖，然后進行拋石，在防沖槽之內需要設計一個抽水坑。在施工的過程中根據(jù)現(xiàn)場實際情況開挖排水溝，保證雨水在降落之后都可以流入防沖槽，基坑之內要確保無水作業(yè)。在進行水泵安設之前需要將臨時水坑之內的水抽到圍堰外側。

5）排水設備配備：配備排水設備的主要依據(jù)是最大日積水量，功率為22 kW、揚程為20 m型號為100SNL150-20-15的潛水泵。需要水泵的數(shù)量是：n=1375/（24×150）=0.38臺，取n=1臺；考慮到極端情況，現(xiàn)場共需要水泵2臺，其中有1臺屬于備用泵。

6）經(jīng)常性排水運行時間約10個月，2020年3—12月。

3.5 圍堰的檢查與維護及拆除

施工期間安排專人對圍堰進行檢查巡視，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，確保施工期間圍堰的安全。

圍堰在完成后可能會出現(xiàn)滲透問題，所以對圍堰要進一步壓實，一旦出現(xiàn)滲漏需及時進行水泥灌入，阻止?jié)B漏。在施工中要采取塊石護腳或土袋護腳防護措施，檢查水流沖刷。汛期必須對圍堰進行加固，隨時觀測圍堰的變化，遇有緊急情況立即采取有效措施，確保施工圍堰安全。為預防堰體滲漏和潰壩，事先準備好土工編織袋以及灌裝好的袋土、木樁等。在汛期來臨前，組織人力、物力突擊，在原堰頂位置用袋土加高圍堰，確保圍堰高度滿足該水位下的設計要求。

在對圍堰進行拆除時，首先需要上報到監(jiān)理人進行批準。監(jiān)理人批準拆除后，使用挖掘機進行挖土作業(yè)，然后使用自卸汽車將土運送到廢棄區(qū)域進行堆放。為了保證后期圍堰拆除的順利進行，確保挖掘機有足夠的停放位置，可以將圍堰與堤身之間的粘土回填到圍堰頂面，實施退拆作業(yè)。

3.6 圍堰監(jiān)測方案

3.6.1 水位監(jiān)測

布設水位觀測點需要遵守的原則是“牢固適用，便于觀察”，在監(jiān)測點布設的過程中可以在圍堰對岸合適的位置設置水標尺，在進行測量時，使用水準儀將監(jiān)測點的實際標高測出，然后根據(jù)刻度來安裝水標尺，且結實耐用，監(jiān)測點位置的選擇要合理，在圍堰外和圍堰內都要布設觀測點。

3.6.2 圍堰結構變形監(jiān)測

可以采用目測和儀器監(jiān)測相結合的方式來監(jiān)測圍堰的結構變形情況，目測主要觀察的是圍堰是否有明顯的裂痕產生，是否有塌方和滲水。在選擇圍堰監(jiān)測點埋設位置時，優(yōu)先選擇變形幅度大、變形速率快的位置，遵守的基本原則是可以快速反應圍堰的變形。

3.6.3 水平位移量測

采用測邊交會法對水平監(jiān)測點進行觀測，安裝監(jiān)測點棱鏡時需要使用強制歸心裝置，確保符合精度要求。變形點與工作點位置之間的誤差控制在≤±2.0 mm之內，通過兩側測量求出平均值的方式來確定各監(jiān)測點的水平位移量，水平位移量的精度控制在毫米級，將測量數(shù)據(jù)進行記錄。

3.6.4 沉降測量

優(yōu)選精度較高的電子精密水準儀，變形點垂直誤差的控制范圍是≤±0.5 mm。為了確保監(jiān)測精度，各監(jiān)測點的工作基準點應該在一個閉合路線之內，采取兩次平均值的方式來確定各監(jiān)測點的沉降量，沉降量精確到毫米級，記錄測量數(shù)據(jù)。

3.6.5 圍堰監(jiān)測頻率

監(jiān)測頻率要考慮時效性和計劃性，具體可以根據(jù)表1所示來進行確定，如果出現(xiàn)較大險情，需要提高監(jiān)測頻率，在監(jiān)測值趨于穩(wěn)定之后，降低監(jiān)測頻率。

表1 圍堰施工監(jiān)測頻率表

4 結語

本工程當中使用膜袋砂圍堰防浪擋水效果十分明顯，具有良好的穩(wěn)定性，且施工材料取材方便、施工周期短、成本低，不僅提高了施工速度，且節(jié)約了大量的時間和經(jīng)濟成本，符合環(huán)保要求，可大面積推廣，此外還可以考慮使用新型材料，比如土木膜和土木布，從而進一步降低工程成本。