減少圍堤施工中沿堤流沖刷破壞對策研究

朱林志 ZHU Lin-zhi

（南通市交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法支隊(duì)，南通 226000）

0 引言

通州灣新出海口一期項(xiàng)目位于匡圍一期項(xiàng)目北側(cè)，新建一條L 型導(dǎo)堤，全長約3.4km。通道堤身采用“充填砂袋雙棱體+吹填堤心砂”的結(jié)構(gòu)型式；護(hù)坡為反濾布+袋裝碎石+塊石+扭王塊體的護(hù)面結(jié)構(gòu)；護(hù)坡外側(cè)設(shè)置塊石鎮(zhèn)壓平臺和塊石防沖刷護(hù)底。該項(xiàng)目合同工期要求在汛期前完成扭王字塊安裝全線至+8m 高程，全斷面達(dá)到防汛要求。水下通長砂袋是圍堤的基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)，在施工中處于關(guān)鍵線路中，為關(guān)鍵工作，施工時(shí)間直接關(guān)系到本工程的工期，按照合同約定、施工進(jìn)度計(jì)劃安排及汛期要求，棱體袋需要在規(guī)定日期前全天候露出水面。

該工程工期至關(guān)重要，而影響工期的重要因素就是在新構(gòu)筑的棱體附近容易形成沿堤流溝槽，造成堤身失穩(wěn)，因?yàn)樵摴こ讨欣怏w袋屬于不透空建筑物，與潮流向存在較大的夾角，收棱體帶兩側(cè)存在較大水位高差，受到沿堤流的不斷沖刷，低潮露灘時(shí)存在較多的沖刷凹地，一些匯水性好的溝槽則不斷向岸延展伸長，并在灘地微地貌的影響下出現(xiàn)分叉型沖溝，各種溝支汊不斷溯源侵蝕發(fā)育成灘面水流沖刷型或潮流輻聚侵蝕型潮溝系統(tǒng)。而且經(jīng)資料查閱，該區(qū)域沿堤流沖刷破壞堤身現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。減少沿堤流沖刷破壞直接影響到該工程是否能夠在汛前節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，所以本文通過研究對策減少沿堤流沖刷破壞，保障工程順利完成。工程平面布置示意圖如圖1 所示。

圖1 工程平面布置示意圖

1 研究現(xiàn)狀

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，認(rèn)為本工程汛前節(jié)點(diǎn)目標(biāo)能否完成取決于通長砂袋的施工進(jìn)度，而影響通長砂袋施工效率的因素主要是高灘圍堤施工過程中，新構(gòu)筑的棱體附近灘涂極易生發(fā)形成沿堤軸方向的沿堤流溝槽，并且溝槽不斷擺動導(dǎo)致圍堤下蝕，最終造成堤身失穩(wěn)而潰堤。防范圍堤實(shí)施過程中新生溝槽對堤身棱體的沖刷破壞影響相當(dāng)關(guān)鍵[2]。

圍堤施工過程常常會引起附近水流變化，進(jìn)而影響工程施工，如何有效防治施工期水流變化影響已成為圍堤施工的重點(diǎn)及難點(diǎn)。尤其是粉砂淤泥質(zhì)潮灘地質(zhì)條件下的圍堤，泥沙易啟動易落淤，施工期極易受潮流變化影響侵蝕堤腳產(chǎn)生沖溝，嚴(yán)重時(shí)甚至形成與堤身垂直的貫通槽，形成龍口，危及堤身安全。通州灣位于南通市腰沙、冷家沙區(qū)域，地處輻射沙洲南緣，項(xiàng)目所處的淺談區(qū)域由于砂質(zhì)顆粒細(xì)，受潮汐漲落的影響易起動，呈現(xiàn)波浪掀沙、潮流移沙的特點(diǎn)。淺灘區(qū)均表現(xiàn)為漲潮漫灘和落水歸槽的運(yùn)動形式，表層土對水流變化反應(yīng)強(qiáng)烈，容易發(fā)生沖刷等地形變化；同時(shí)由于土質(zhì)無黏性，堤基易發(fā)生滲透破壞，滲透變形機(jī)理復(fù)雜。

2 現(xiàn)狀分析

本文應(yīng)用分層法對沿堤流發(fā)展過程、圍堤變形破壞類型進(jìn)行分析，我們可以得到這樣的結(jié)論，南通通州灣地區(qū)粉砂淤泥質(zhì)灘涂變形破壞主要有沖刷破壞和滲透破壞兩種類型。其中沖刷破壞根據(jù)破壞原因又可分為沿堤流沖刷破壞以及堤身翻水沖刷破壞[3]。通過查閱匡圍一期通道施工總結(jié)，在工程完工后的保修期間，仍然受到沿堤流影響，多次出現(xiàn)沖刷損壞的現(xiàn)象，增加了項(xiàng)目成本。減少圍堤施工沿堤流沖刷破壞影響也是我們要解決的主要問題。

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查分析結(jié)果，確定把解決減少圍堤施工沿堤流對堤身的沖刷破壞影響作為本次研究的著手點(diǎn)。經(jīng)過討論和研究，最終確定本次研究的目標(biāo)為：減少沿堤流對棱體袋抬升過程中的沖刷作用，避免出現(xiàn)袋體破損的現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 影響通長砂袋充灌效率分析圖

制定此次研究目標(biāo)主要依據(jù)以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

①按照施工整體進(jìn)度要求，為了達(dá)到合同工期要求，節(jié)點(diǎn)日期前全斷面須達(dá)到防汛要求，根據(jù)匡圍一期施工時(shí)存在的沿堤流沖刷破壞堤身現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，我們覺得提前加強(qiáng)對堤身的保護(hù)，將沿堤流破壞影響將至最低。

②工程所處水域位于南通通州灣地區(qū)粉砂淤泥質(zhì)灘涂，項(xiàng)目所處的淺灘區(qū)域由于砂質(zhì)顆粒細(xì)，受潮汐漲落的影響易起動，呈現(xiàn)波浪掀沙、潮流移沙的特點(diǎn)。淺灘區(qū)均表現(xiàn)為漲潮漫灘和落水歸槽的運(yùn)動形式，表層土對水流變化反應(yīng)強(qiáng)烈，容易發(fā)生沖刷等地形變化；同時(shí)由于土質(zhì)無黏性，堤基易發(fā)生滲透破壞，滲透變形機(jī)理復(fù)雜。工程區(qū)域位于腰沙根部高灘，呈西高東低、北低南高的趨勢，低潮時(shí)灘面全部露出。開工建設(shè)前灘面高程在低潮位以上1.33～4.53m，大部分區(qū)域在平均潮位以上0.10～1.84m。工程區(qū)域淺部20m 深度范圍內(nèi)分布著粉細(xì)砂（厚度6～15.0m）和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂（厚度1.0～11.9m）。砂質(zhì)顆粒極細(xì)，受潮流影響易啟動易落淤。

基于以上兩點(diǎn)分析，我們可以通過減少沿堤流對棱體袋抬升過程中的沖刷作用，避免出現(xiàn)袋體破損的現(xiàn)象。

針對“匡圍一期出現(xiàn)的沿堤流、堤頭擾流產(chǎn)生的灘面沖刷，造成部分堤段護(hù)腳塌陷，對堤身上部結(jié)構(gòu)施工造成了一定影響”，對如何提高充灌效率進(jìn)行了深入探討，詳細(xì)分析了類似工程的施工方法及工藝要求。通過分析項(xiàng)目概況、總結(jié)圍堤變形破壞類型、分析匡圍一期堤身沖刷原因、工人技術(shù)交底掌握情況總結(jié)、潮位信息情況分析、各項(xiàng)制度執(zhí)行情況總結(jié)、灘面沖刷監(jiān)測情況分析等措施，然后對各種因素進(jìn)行分類匯總，最終得到“袋體質(zhì)量較輕”和“拋石護(hù)底不及時(shí)”兩條主要的影響因素。

3 措施方案

針對“袋體質(zhì)量較輕”和“拋石護(hù)底不及時(shí)”兩條主要的影響因素，分析可行性的對策，從有效性、可實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)型、可靠性4 個(gè)方面進(jìn)行綜合分析評估，進(jìn)而相互比較，選出最令人滿意的對策，作為準(zhǔn)備實(shí)施的對策，對策評估如下：

3.1 袋體質(zhì)量較輕

砂袋入水前先充灌部分砂：砂袋入水前先充灌部分砂可以增加砂袋重量，減少水流對砂袋的影響，但充灌砂后，砂袋與鋪排船翻板間阻力增大，砂袋入水困難。

在砂袋兩側(cè)增加砂肋條：在砂袋兩側(cè)增加砂肋條可以增加砂袋重量，減小水流流速造成的袋體偏移，增加砂袋充灌的有效工作時(shí)間，同時(shí)取材方便，易操作。

砂袋兩側(cè)增加套環(huán)拉繩牽引：砂袋兩側(cè)增加套環(huán)輔以拉繩牽引的辦法在一定程度上可以糾正水流過快引起的袋體位置偏移，但當(dāng)水流流速過快、砂袋充灌砂重量增加后，套環(huán)部位易發(fā)生袋體撕裂，形成漏砂點(diǎn)，影響砂袋施工質(zhì)量。

在砂袋兩側(cè)增加砂肋條相比砂袋入水前先充灌部分砂和砂袋兩側(cè)增加套環(huán)拉繩牽引：對策可實(shí)施性更強(qiáng)，也能保證砂袋的整體施工質(zhì)量。

3.2 拋石護(hù)底不及時(shí)

增加拋石船次：增加船次，可以減及時(shí)完成拋石護(hù)底，但同時(shí)也增加量方的工作量。根據(jù)工程進(jìn)度計(jì)劃安排，額外增加船次造成額外材料浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)。

增加路拋塊石線路：及時(shí)安排測量隊(duì)對灘面沖刷情況進(jìn)行測量對比，根據(jù)觀測到的沿堤流情況動態(tài)調(diào)整拋石，優(yōu)先對沿堤流沖刷危害大的區(qū)域進(jìn)行拋石護(hù)底加固排體，經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行。

增加路拋塊石線路相比增加拋石船次僅調(diào)整拋石順序，可實(shí)施性強(qiáng)，有效性高、經(jīng)濟(jì)費(fèi)用低。

4 方案分析

4.1 高度重視護(hù)底施工質(zhì)量

護(hù)堤先護(hù)腳，護(hù)底措施是隔絕水流對堤基影響，確保堤身穩(wěn)定的關(guān)鍵手段。一般采用鋪設(shè)軟體進(jìn)行護(hù)底防護(hù)。施工過程中，對于低灘區(qū)域及已存在溝槽的堤基位置尤其需要重視軟體排的實(shí)施。①采用鋪排船鋪排時(shí)，應(yīng)根據(jù)潮水提前計(jì)算好鋪排時(shí)間，防止船舶擱淺后長時(shí)間掛排。②灘面較高區(qū)域由于水深較淺無法采用船鋪，人工鋪排時(shí)，落潮流的上方向應(yīng)加大搭接預(yù)留寬度，同時(shí)輔以船機(jī)拉排，防止排布落灘后位置發(fā)生偏移造成搭接不足。③對于砂肋軟體排必須按要求間距充灌肋條壓載，露灘后對充灌不飽滿的肋條及時(shí)補(bǔ)沖。對排頭、排尾區(qū)域可采取條袋壓載措施，確保排布灘面貼合效果。④及時(shí)檢查排體鋪設(shè)質(zhì)量，若發(fā)現(xiàn)排體未搭接或排體被水流掀開現(xiàn)象，必須及時(shí)補(bǔ)排，防止排下土體沖刷。

對策實(shí)施效果檢查：對措施實(shí)施之后的工作時(shí)間及相應(yīng)時(shí)間下的水文情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，軟體排被水流掀開的現(xiàn)象較之前減少了50%，并且提升有效施工時(shí)間，該時(shí)間段主要集中在高潮落潮1h 及低潮漲潮1-2h 左右。由于每天增加了通長砂袋施工的有效作業(yè)時(shí)間，減少了軟體排重復(fù)勞動，整體的軟體排施工質(zhì)量提升明顯。

4.2 合理安排護(hù)底、堤身施工順序

針對施工區(qū)域地基表層土質(zhì)顆粒細(xì)、抗沖性差、對流場變化敏感的特性，須合理安排護(hù)底及堤身的先后施工順序：①重點(diǎn)把控護(hù)底施工總體安排，做好超前護(hù)底軟體排（不小于400m）施工。②排體施工完成后，同步跟進(jìn)底部通長砂被、壓載，防止灘面發(fā)生沖刷、變形、破壞。③底部袋體壓載完成后，即可安排兩側(cè)防沖刷塊石施工，保護(hù)內(nèi)側(cè)袋體的同時(shí)，防止沿堤流對排下土體的淘刷。

針對1月14 日到1月18 日的小時(shí)充灌速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)情況如表1。

表1 1月14 日到1月18 日的小時(shí)充灌速率統(tǒng)計(jì)表

對策實(shí)施效果檢查：合理安排施工順序后，針對小時(shí)充灌速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通長砂袋的小時(shí)充灌速率基本穩(wěn)定在830m3/h 以上，吹砂的輸出功率得到了提升，單次低潮位的有效施工時(shí)間提高，有效減少排布在水下被沖開的次數(shù)。

4.3 保灘施工措施

高灘圍堤施工過程中，新構(gòu)筑的棱體附近灘涂極易生發(fā)形成沿堤軸方向的沿堤流溝槽，并且溝槽不斷擺動導(dǎo)致圍堤下蝕，最終造成堤身失穩(wěn)而潰堤。防范圍堤實(shí)施過程中新生溝槽對堤身棱體的沖刷破壞影響相當(dāng)關(guān)鍵。在工程實(shí)施過程中，通常采取相應(yīng)保灘措施[4]：①構(gòu)筑丁壩；②護(hù)底保灘；③主動引導(dǎo)水流；④避免形成人為溝槽。

5 方案實(shí)施效果

通過總結(jié)匡圍一期工程以及通州灣新出?？谝黄谕ǖ老嚓P(guān)工程實(shí)例，針對江蘇蘇北沿海地區(qū)粉砂質(zhì)土層，灘高水淺，易沖刷變形，滲透破壞大的特點(diǎn)。結(jié)合匡圍一期施工過程中遇到的堤身沖刷問題，通過系統(tǒng)分析圍堤破壞發(fā)生類型及產(chǎn)生的原因，根據(jù)沿堤流沖刷、堤身翻水沖刷及圍堤滲流破壞沖刷的產(chǎn)生機(jī)理，在通州灣新出?？谝黄谕ǖ绹淌┕み^程中采取相對應(yīng)的工程措施，減少圍堤施工過程中相關(guān)破壞作用對圍堤堤身穩(wěn)定的影響，實(shí)現(xiàn)了一期通道項(xiàng)目圍堤施工全過程的安全穩(wěn)定。同時(shí)通過開展本次研究，護(hù)底施工質(zhì)量得到顯著提升，通長砂袋施工效率提高，重復(fù)施工袋體量減少20%，節(jié)約了施工時(shí)間，有效的降低了施工成本。鞏固措施：此次研究活動，有效地提高了通長砂袋施工效率：①加強(qiáng)吹砂船泥漿泵的維護(hù)，指派人員定期對灘面沖刷進(jìn)行測量；②及時(shí)補(bǔ)拋塊石；③在非作業(yè)期間對船機(jī)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，及時(shí)更換破損管線，保障供砂穩(wěn)定；④編制《水上通長砂袋施工指導(dǎo)手冊》，鞏固措施，強(qiáng)化效果。效果維持情況：根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的堤身砂袋施工袋體未出現(xiàn)被沿堤流沖刷破壞的統(tǒng)計(jì)情況，效果維持情況良好。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過該方案得知，Q 沿堤流對堤身沖刷破壞明顯減弱，經(jīng)測算，未改進(jìn)每500m 堤身施工所收到沿堤流沖刷破壞重復(fù)鋪設(shè)袋體占比20%，每個(gè)作業(yè)面配備1 艘鋪排船和1 艘吹砂船，現(xiàn)場鋪排船船舶租賃費(fèi)用為70 萬元/月，折合2.35 萬元/天，吹砂船租賃費(fèi)用為35 萬元/月，折合1.17 萬元/天，每500m 堤身施工時(shí)間大約16 個(gè)作業(yè)天，1個(gè)作業(yè)面每天的船舶租賃費(fèi)用為：2.35 萬元+1.17 萬元=3.52；未改進(jìn)前每500m 砂袋施工的船機(jī)成本為：2.35 萬元/d×16d=56.32 萬元/500m 堤身；對策實(shí)施后，通長砂袋施工效率提高，重復(fù)施工袋體量減少20%。效率提升后單個(gè)通長砂袋施工的船機(jī)成本為：56.32 萬元/500m 堤身÷1.2=46.93 萬元；每500m 堤身節(jié)省成本9.39 萬元，相當(dāng)于通過QC 活動每米通長砂袋施工成本節(jié)省費(fèi)用：9.39 萬元÷500m=187.8 元/m；對策實(shí)施后通長砂袋共施工7780m，通長砂袋共節(jié)省成本：7780m×187.8 元/m=146.1084 萬元；除去購置陸運(yùn)拋石增加費(fèi)用約50.5 萬元，該項(xiàng)目中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約：146.1084 萬元-50.5 萬元=95.6084 萬元。

7 結(jié)論

①在砂袋兩側(cè)增加砂肋條，增加了通長砂袋的有效施工時(shí)間，及時(shí)對排體進(jìn)行質(zhì)量復(fù)檢修復(fù)，減少了排體被水流沖開的現(xiàn)象，提高了軟體排護(hù)底施工質(zhì)量。②合理安排護(hù)底、堤身施工順序，砂漿輸出功率得到大幅提升。保灘施工措施有效防范圍堤實(shí)施過程中新生溝槽對堤身棱體的沖刷破壞影響。③以上措施減少圍堤施工過程中相關(guān)破壞作用對圍堤堤身穩(wěn)定的影響，減少沿堤流沖刷破壞，實(shí)現(xiàn)了一期通道項(xiàng)目圍堤施工全過程的安全穩(wěn)定，保障了項(xiàng)目在汛期節(jié)點(diǎn)前順利完工，同時(shí)有效的降低了施工成本。