南京八卦洲袋裝砂拋枕防護(hù)施工技術(shù)研究與應(yīng)用

鄧傳貴　甘磊　莊雪飛

摘要：鑒于長江南京河段八卦洲右緣深槽水深大、流速大、流態(tài)復(fù)雜、水流紊亂等特點(diǎn)，在八卦洲右緣深槽防護(hù)工程施工前開展了袋裝砂拋枕現(xiàn)場試驗(yàn)，對袋裝砂拋枕防護(hù)施工參數(shù)、施工流程及質(zhì)量控制措施進(jìn)行研究，提出了一種針對深槽防護(hù)工程的袋裝砂拋枕防護(hù)施工技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在水下每隔120 m筑一道約5 m高的丁壩來改變水流流態(tài)，可有效解決八卦洲右緣水流紊亂處正常拋投成型率低的問題。工程施工完工后八卦洲水下岸坡沖刷明顯減緩，控制八卦洲汊道現(xiàn)有河勢的洲頭及右汊內(nèi)幾處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性大幅提高，并經(jīng)歷了2020年長江南京河段超歷史洪水檢驗(yàn)。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似深槽防護(hù)工程參考借鑒。

關(guān)鍵詞：河道整治; 袋裝砂; 拋枕防護(hù); 復(fù)雜流態(tài); 水下施工; 八封洲; 長江南京河段

中圖法分類號： TV522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.025

0引 言

河道堤岸防護(hù)工程按照形式一般可以分為坡式護(hù)岸、壩式護(hù)岸、墻式護(hù)岸以及其他防護(hù)型式。坡式護(hù)岸對河床邊界條件改變較小，對近岸水流的影響也較小。中國長江中下游適宜采用坡式護(hù)岸形式[1-2]。房世龍[3] 總結(jié)了近年來適用于實(shí)際工程和室內(nèi)試驗(yàn)研究的江河航道岸坡防護(hù)工程，如拋石防護(hù)、混凝土模袋防護(hù)等，并評價(jià)分析了各防護(hù)方法的機(jī)理、效果及優(yōu)缺點(diǎn)。鐘茂華[4]的研究表明：單個(gè)砂枕比單個(gè)塊石體積大、重量大，穩(wěn)定性好于塊石壩，施工進(jìn)度快，且壩面采用混凝土鉤連塊體連接，整體性比塊石壩強(qiáng)，壩面平整度較好。龍躍桂[5]結(jié)合廣東小欖水道航道整治護(hù)岸工程，探索了砂枕護(hù)腳在內(nèi)河護(hù)岸工程中的應(yīng)用，總結(jié)了相關(guān)施工工藝。周鴻[6]等結(jié)合長江中游荊江段航道整治工程施工，提出了砂枕袋在長江水流影響下的拋投質(zhì)量控制措施及實(shí)施效果，試驗(yàn)表明砂枕袋可以有效防止水流沖刷河床底部，是穩(wěn)定河床及岸坡、防止沖刷的主要加固措施。張?jiān)霭l(fā)等[7]通過試驗(yàn)研究提出了拋枕落距控制公式，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)拋枕施工過程。李曉兵[8]提出改變拋枕補(bǔ)坡的先后順序，可較好地將岸坡、枕袋、排布結(jié)合起來，極大提高岸坡的安全性，避免先期在陡峭區(qū)域沉排施工護(hù)底不能有效到位的現(xiàn)象。

而對于水下施工問題，一些研究人員對提高水下施工工藝提出了新的措施。張偉等[9]結(jié)合烏克蘭南方港航道疏浚工程，采用數(shù)學(xué)模型對不同顆粒的漂移情況進(jìn)行分析，改進(jìn)定位、拋填及拋填土的后續(xù)處理方式，有效控制拋投區(qū)的施工質(zhì)量。滕超等[10]基于香港三跑水下DCM施工過程中實(shí)時(shí)記錄的施工數(shù)據(jù)，建立了勘察-施工-檢測的因果關(guān)系，為實(shí)際施工參數(shù)控制提供依據(jù)。潘慶武等[11]提出了一種新型的格賓網(wǎng)鋼筋石籠施工方法，解決了水下施工的難題，并且能保證護(hù)坡的穩(wěn)定性及使用年限。吳立柱等[12]將三維聲吶探測技術(shù)應(yīng)用于五峰山長江大橋錨碇沉井不排水下沉施工的水下檢測，能有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

隨著拋枕防護(hù)及水下施工工藝日益成熟，它們在航道整治工程中被廣泛應(yīng)用。其中，長江南京八卦洲河段就采用袋裝砂拋枕施工技術(shù)進(jìn)行河道整治，該段右緣深槽防護(hù)工程水深大、流速快、流態(tài)復(fù)雜、水流紊亂，一般的拋投方式難以拋投到預(yù)定位置，且有效成型率低。因此，本文結(jié)合袋裝砂拋枕現(xiàn)場試驗(yàn)，對深槽防護(hù)工程袋裝砂拋枕防護(hù)的水下施工參數(shù)、流程、工藝和質(zhì)量控制措施等進(jìn)行研究，提出了一種深槽防護(hù)工程袋裝砂拋枕防護(hù)施工技術(shù)。并結(jié)合砂袋拋投后多波束水下地形測量技術(shù)，對八卦洲右緣深槽袋裝砂拋枕防護(hù)工程的施工效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1工程概況

1.1工程背景

長江南京河段八卦洲汊道河道整治工程是國家172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一“長江中下游河勢控制和河道整治工程”的子項(xiàng)、長江中下游干流河道河勢控制及河道整治的重要組成部分。八卦洲汊道段位于南京河段中下段，上起下關(guān)、下至西壩，主長約18 km，為鵝頭分汊型河道，右汊為主汊，左汊為支汊。八卦洲汊道自20世紀(jì)30年代開始，左汊逐漸從主汊演變成支汊，在水流的沖刷下，洲頭大幅后退，北岸岸坡多處發(fā)生坍塌，八卦洲汊道逐漸形成向北彎曲的鵝頭型雙分汊河道，至80年代，左汊枯水季分流比減小至15%。

為了控制和穩(wěn)定河勢，保障防洪安全，南京市分期實(shí)施了長江河道整治工程，但受資金限制，兩期水下護(hù)腳工程僅對岸坡變形嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行了防護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)較低。受河勢演變及三峽水庫運(yùn)行后清水下泄的影響，八卦洲頭水下魚嘴出現(xiàn)了多條橫向沖槽，洲頭右緣深槽向近岸和下游發(fā)展，已有護(hù)岸工程出現(xiàn)了不同程度的淘刷，危及河勢穩(wěn)定及防洪安全，且左汊衰退速率有所加快，影響左汊內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)設(shè)施的正常運(yùn)行。為此，需進(jìn)行更加系統(tǒng)而深入的河道整治。

1.2工程地質(zhì)

工程區(qū)屬長江河床、江心洲地貌，八卦洲頭地勢平坦，水下地形起伏較大，在右汊貼近洲頭位置形成了水下深槽，洲頭水下深槽岸坡坡比僅為1∶2左右，勘探可知的最深處高程為-45.8 m。水下魚嘴沖刷明顯，中部可見一條沖刷橫溝，下魚嘴出現(xiàn)了被截?cái)嗟嫩E象。右汊進(jìn)口段水下地形較平緩。

工程區(qū)地層主要由粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂組成。水下岸坡段的巖性上部為粉質(zhì)黏土（軟塑～流塑）、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，其下部為粉砂（松散～稍密）、細(xì)砂（中密～密實(shí)）。粉土、粉砂、細(xì)砂為相對透水層，粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土多形成相對隔水層。工程區(qū)岸坡均為易沖刷的土質(zhì)岸坡，浪蝕作用較為普遍。

1.3防護(hù)工程結(jié)構(gòu)型式

長江南京河段八卦洲汊道河道整治工程為2級，主要包括八卦洲右緣深槽防護(hù)工程上段、深槽防護(hù)工程下段、護(hù)岸加固工程。右緣深槽防護(hù)工程上段護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式為“袋裝砂拋枕防護(hù)+網(wǎng)兜塊石覆蓋防護(hù)+坡腳水下拋石防護(hù)”。袋裝砂拋枕防護(hù)工程量為54.05萬m3，網(wǎng)兜塊石覆蓋防護(hù)寬度50～135 m，厚度1.0 m。聚丙烯網(wǎng)兜塊石方量為5.98萬m3。坡腳水下拋石防護(hù)寬度30 m，厚度2.0 m，水下拋石護(hù)腳量為4.27萬m3。深槽防護(hù)頂高程-5.0 m，聚丙烯網(wǎng)兜塊石的填充塊石粒徑范圍為0.20～0.40 m，水下拋石塊石粒徑為0.15～0.50 m。右緣深槽防護(hù)工程下段護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式與上段相同。袋裝砂拋枕防護(hù)工程量為47.2萬m3，網(wǎng)兜塊石覆蓋寬度110～130 m，厚度1.0 m。聚丙烯網(wǎng)兜塊石量為6.9萬m3。坡腳水下拋石防護(hù)寬度30 m，厚度2.0 m，水下拋石護(hù)腳量為3.81萬m3。深槽防護(hù)頂高程、聚丙烯網(wǎng)兜塊石的填充塊石粒徑及水下拋石塊石粒徑與上段相同。

右緣護(hù)岸加固工程長度1 600 m，拋投區(qū)位于八卦洲右緣深槽防護(hù)工程頂面高程以上，由頂面平臺(tái)內(nèi)緣至已建護(hù)坡坡腳。護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式為聚丙烯網(wǎng)兜塊石，護(hù)寬14～107 m，防護(hù)厚度1.0 m。聚丙烯網(wǎng)兜塊石的填充塊石粒徑范圍為0.20～0.40 m，方量為10.24萬m3。

2袋裝砂袋拋投試驗(yàn)

袋裝砂袋拋投試驗(yàn)內(nèi)容主要包含：水流流向試驗(yàn)、拋投落距試驗(yàn)、成型率試驗(yàn)以及充盈率試驗(yàn)。

（1） 通過水流流向試驗(yàn)，分析水流流向及流速對袋體落地位置的影響，計(jì)算出拋投位置與砂袋成型位置的關(guān)系，獲得施工參數(shù)，以靈活調(diào)整施工船舶的作業(yè)位置，能使成型拋填袋裝砂斷面滿足設(shè)計(jì)要求，確保施工質(zhì)量。

（2） 通過拋投落距試驗(yàn)，確定袋體入水點(diǎn)至浮球位置的漂移量（漂移量距離為落距），測定不同流速、水深和砂袋下放速率條件下的拋投物位置，探索合理砂袋拋填施工工藝，為大范圍拋填定位和投放提供理論依據(jù)。

（3） 針對成型率試驗(yàn)，采用多波束水下地形測量和旁掃測量手段，構(gòu)建三維立體模型，分析試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)砂枕分布情況，復(fù)核覆蓋厚度和增厚值是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（4） 開展充盈率試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)砂料充填時(shí)間等指標(biāo)判定砂袋充盈率是否達(dá)標(biāo)，為大規(guī)模施工獲得施工時(shí)間參數(shù)，確保枕袋充盈率能滿足設(shè)計(jì)要求。

3袋裝砂袋拋投施工

3.1施工流程

砂枕拋填坡面防護(hù)示意如圖1所示。施工時(shí)首先布設(shè)施工區(qū)域的控制點(diǎn)，在拋投前進(jìn)行水下地形測量、分層拋投小區(qū)劃分，然后測量拋點(diǎn)水深和流速，計(jì)算確定和調(diào)整拋投落距。拋投之前，拋枕船拋錨定位，運(yùn)砂船靠泊，然后驗(yàn)袋充砂，驗(yàn)枕拋投，從底層斷面開始依次拋投，一直到最上層斷面依次拋投，最后完成斷面測量以及完工測量。

3.1.1單元小區(qū)劃分

為保證深槽防護(hù)工程成形，采用分層拋投的方式，控制每層拋投范圍及厚度。根據(jù)水下地形分析結(jié)果，遵循先深泓后淺灘、先上游后下游、先底部后頂部的施工順序，以袋裝砂有效厚度合理劃分施工層，并確定每層拋投區(qū)范圍。

3.1.2水下地形拋前測量

為準(zhǔn)確檢驗(yàn)砂枕的拋投狀況和增厚效果，拋投前進(jìn)行水下地形圖測量，以積累對比資料。

3.1.3砂枕落距

砂枕自水面落水點(diǎn)落入水中，受水流作用影響，將經(jīng)過一段水平距離后落入江底，自落水點(diǎn)至著底點(diǎn)的水平距離稱拋投落距，落距大小與流速、流向、水深、砂袋大小和袋內(nèi)砂比重等因素有關(guān)。砂枕落水后至河床的落距受多重因素影響，主要依靠現(xiàn)場試驗(yàn)確定，并通過每天及時(shí)的水下地形監(jiān)測分析工程效果，及時(shí)調(diào)整施工所用的砂枕落距。

砂枕落距測定方法具體如下：

（1） 拋枕船移至斷面定位后，通過流速儀測量流速，同時(shí)采用測深儀測量斷面處水深，現(xiàn)場測量圖片如圖2所示。

（2） 測量落距。已充填好的砂袋，分別注上標(biāo)記，選擇不同水深和流速的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)。選定已稱重完成砂袋，系上PE定位浮球（見圖3），在鋪排船舷的某一點(diǎn)上做好標(biāo)記，定位浮球浮出江面后利用DGPS采點(diǎn)的方式進(jìn)行測算，可掌握袋體入水點(diǎn)至浮球位置的漂移量，漂移量距離即為落距。砂袋拋填如圖4所示。

（3） 根據(jù)南京市多年長江整治積累的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算落距[6]：

S=KVHW1/6

式中：S為落距，m;V為表面流速，m/s;H為拋點(diǎn)水深，m;W為拋填材料平均重量，kg;K為漂距修正系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

3.1.4拋枕船定位

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定落距后，將拋枕船固定在大致位置和方向，隨即開始拋枕船的拋錨定位，拋枕船布置如圖5所示。

3.1.5砂袋制作、運(yùn)輸

砂枕施工所用材料主要是長絲機(jī)織土工布，制作好的砂袋采用交通船運(yùn)輸，復(fù)檢后充砂。

3.1.6砂料水上運(yùn)輸

運(yùn)砂船從采砂船側(cè)離泊，沿岸駛?cè)胧┕に?，駛近吹砂平臺(tái)時(shí)，從下游側(cè)接近。

3.1.7充填砂枕、拋投

充填砂枕作業(yè)在拋枕現(xiàn)場進(jìn)行，工藝流程如下：人工展鋪砂袋、檢查枕袋完好狀況、連接充砂管、扎緊充砂袖口、開動(dòng)吸砂泵和高壓水槍進(jìn)行充砂、砂枕排水、二次充砂、充盈度達(dá)到要求、停止充填、拔出充砂管、扎牢充砂袖口、檢查枕體狀況、砂枕制成和拋投。

工程采用鋪排船進(jìn)行拋枕，砂枕砂袋并排鋪放翻板上，檢查砂袋縫制的完好情況。每條砂枕袋制作時(shí)，設(shè)有1個(gè)充砂袖口和2個(gè)排水袖口。充砂時(shí)中間插管，兩側(cè)出水。充砂采用二次充填法，間隔期采用壓重法加速袋內(nèi)積水的排出。扎袖口采用上一道、反扎一道的兩道收口扎袋手法。沖砂是運(yùn)用高壓水泵，通過水槍形式的高壓射流將運(yùn)砂船上的砂料沖成水砂混合物，然后在運(yùn)砂船上用吸沙泵抽吸，通過管道將水砂混合物源源不斷地送入枕袋中，水和少量細(xì)砂從袋內(nèi)析出，較粗的砂粒很快沉積在袋內(nèi)。待砂料充滿整個(gè)袋體后，拔出充砂管，扎緊扎牢枕袋袖口，再經(jīng)過短時(shí)間的泌水后，經(jīng)檢驗(yàn)滿足單體枕袋充盈度方可拋投。砂枕全部充填飽滿后，檢查枕袋有無破損現(xiàn)象及枕架是否正常，開啟翻板，使砂枕在瞬間拋投入水中。單層拋投結(jié)束，進(jìn)行拋后測量，分析單層的位置、寬度及增厚是否滿足設(shè)計(jì)要求，如有欠缺，則進(jìn)行補(bǔ)拋。

3.2施工工藝

八卦洲右緣處于水流紊亂處，很難拋投到預(yù)定的位置，正常拋投時(shí)，有效成型率低。為改變水流流態(tài)從而提高成型率，每間隔120 m先在水下用袋裝砂枕筑一高約5 m的丁壩，將紊亂的水流挑走，降低丁壩后的水流速度，把施工區(qū)的紊流盡量改變成層流狀態(tài)再行施工。

3.3質(zhì)量控制措施

砂枕拋投前，先將拋砂枕船移至即將要拋?zhàn)o(hù)的設(shè)計(jì)斷面位置進(jìn)行拋前斷面測量，參照測量時(shí)水位及時(shí)算出河床斷面標(biāo)高;拋前測量結(jié)束后，將拋砂枕船上移至拋?zhàn)o(hù)該斷面的位置定位，拋砂枕，該斷面拋投完畢后，再將拋砂枕船移至進(jìn)行拋前測量的斷面處，進(jìn)行水下河床斷面測量，要求拋后測量點(diǎn)位與拋前測量點(diǎn)位重合，計(jì)算出測量成果后，與拋前該斷面河床面進(jìn)行比較，確定該斷面實(shí)際增厚情況。

砂枕每一層拋投開始時(shí)對水下斷面進(jìn)行測量，比例為1∶200，沿壩體軸線方向測量橫斷面，測量點(diǎn)水平間距為2 m，在壩體每一層拋投結(jié)束并進(jìn)行水下斷面測量后，分析拋投結(jié)果，以便及時(shí)調(diào)整分區(qū)格拋投計(jì)劃和水下作業(yè)定位位置。定點(diǎn)測量要求每一層增厚應(yīng)控制在砂枕有效厚度范圍內(nèi)，達(dá)不到該要求則進(jìn)行補(bǔ)拋。拋砂枕船應(yīng)根據(jù)流速和水位及時(shí)調(diào)整船位，勤測流速、流向、水深等參數(shù)，計(jì)算調(diào)整拋砂枕提前量。

砂袋封口牢固，拋填完工后進(jìn)行沉降觀測，分析觀測結(jié)果，如趨于穩(wěn)定，則砂枕固結(jié)密實(shí)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求;如不夠穩(wěn)定，則及時(shí)用網(wǎng)兜塊石進(jìn)行加固。水面以上砂枕分層填充，袋體之間緊靠、擠密，袋體堆疊整齊，交叉排列，不出現(xiàn)通縫。砂枕施工完成后，及時(shí)進(jìn)行網(wǎng)兜拋石覆蓋加固，防止袋體遭受水流淘刷和波浪沖擊。

施工期間加強(qiáng)對河床的監(jiān)測，每7～10 d監(jiān)測一次，密切注意河床變化，發(fā)現(xiàn)有局部沖刷，立即采取措施予以補(bǔ)拋。在計(jì)劃安排時(shí)必須考慮到每一個(gè)工序施工完畢后的階段性驗(yàn)收時(shí)間及進(jìn)行補(bǔ)救的時(shí)間，避免同一區(qū)域重復(fù)施工。針對施工時(shí)局部沉降、塌陷問題，拋填施工時(shí)需分層逐步交叉上升直至設(shè)計(jì)高程，考慮砂袋的下沉量，實(shí)際施工高程大于設(shè)計(jì)高程，留有一定的余量。當(dāng)邊坡達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用拋填小袋裝砂方法成型。

3.4效果分析

一般拋投時(shí)，經(jīng)水下多波束成型測量，有效成型率只有60%。采取5 m高丁壩的施工工藝，可以使得砂袋拋填成型率達(dá)到80%～85%。經(jīng)完工后測量，理論方量是100.25萬m3，實(shí)際施工約130.19萬m3，成型率為77%。

該工程施工期是2019年9月至2020年6月。工程施工完工后，第三方采用多波速進(jìn)行了水下地形測量，結(jié)果如圖6所示。觀測表明：經(jīng)2020年長江南京段汛期超歷史洪水考驗(yàn)，八卦洲水下岸坡沖刷明顯減緩，控制八卦洲汊道現(xiàn)有河勢的洲頭以及右汊內(nèi)的幾處關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性大幅提高，工程完全達(dá)到了預(yù)期效果。

4結(jié) 論

針對長江南京河段八卦洲汊道河道整治工程洲頭右緣深槽水流條件復(fù)雜、拋投有效成型率低的情況，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和監(jiān)測，確定袋裝砂拋枕防護(hù)技術(shù)施工參數(shù)、流程、工藝及質(zhì)量控制措施等，具體結(jié)論如下。

（1） 通過袋裝砂袋拋投水流流向試驗(yàn)和拋投落距試驗(yàn)，確定拋投防護(hù)技術(shù)的施工參數(shù)和工藝;結(jié)合成型率試驗(yàn)和充盈率試驗(yàn)，檢驗(yàn)袋裝砂袋拋投防護(hù)技術(shù)的效果。

（2） 確定了該防護(hù)技術(shù)施工流程，即先布設(shè)施工區(qū)域控制點(diǎn)，拋投前測量水下地形，拋枕船拋錨定位，運(yùn)砂船靠泊;然后分層劃分拋投小區(qū)，驗(yàn)袋充砂，驗(yàn)枕拋投，并連續(xù)測量拋點(diǎn)水深和流速，確定和調(diào)整拋投落距，從底層斷面依次拋投至上層斷面;最后完成斷面測量以及完工測量。

（3） 建議改變水流流態(tài)，提高袋裝砂枕成型率，即每間隔120 m在水下用袋裝砂枕筑一高約5 m丁壩，降低丁壩后水流速度，把施工區(qū)的紊流盡量轉(zhuǎn)化為層流，提高砂袋拋填成型率至80%～85%。

（4） 經(jīng)第三方多波束測量，八卦洲汊道右緣深槽袋裝砂拋枕拋填河道整治工程施工效果良好，達(dá)到了預(yù)期效果，說明本文提出的袋裝砂拋枕防護(hù)施工技術(shù)是合理的。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：In view of the characteristics of large water depth，high flow velocity，complex flow pattern and disordered flow in the deep groove on the right edge of Bagua bottomland in Nanjing reach of Changjiang River，the field test of bagged sand throwing pillow was carried out before the construction of deep groove protection project.The construction parameters，construction process and quality control measures of bagged sand throwing pillow protection were studied，and a bagged sand throwing pillow protection construction technology for deep groove protection project was proposed.The test results showed that building a spur dike of about 5m high every 120m underwater to change the flow pattern can effectively solve the problem of low normal throwing molding rate at the right edge of the Bagua bottomland.After the completion of this project，the erosion of the underwater bank slope of Bagua bottomland was obviously slowed down，and the stability of several key nodes and sandbar heads of the Bagua bottomland was greatly improved.It has experienced the inspection of the ultra-historical flood in the Nanjing reach of Changjiang River in 2020，and the relevant experience can be used for reference in similar deep groove protection projects.

Key words：river regulation;bagged sand;throwing pillow protection;complex flow pattern;underwater construction;Bagua bottomland;Nanjing reach of Changjiang River