深水筑堤技術(shù)研究及實(shí)踐

陸曉如

（上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200434）

1 工程概況

青草沙水庫位于長江口南支下段南北港分流口水域，由長興島西側(cè)和北側(cè)的中央沙、青草沙以及北小泓、東北小泓等水域組成，見圖1。

圖1 青草沙水庫區(qū)位圖

水庫堤壩工程主要包括：新建青草沙庫區(qū)堤壩約22 km，按水庫標(biāo)準(zhǔn)改造中央沙庫區(qū)圍堤約10.5 km，加高加固長興島庫區(qū)段海塘15.9 km，以及臨江側(cè)的中央沙庫區(qū)南堤、西堤和青草沙庫區(qū)北堤、東堤的保灘護(hù)底等。環(huán)庫堤壩總長約48.4 km，水庫總面積66.15 km2，水庫最高蓄水位7.00 m，水庫設(shè)計(jì)最低水位-1.50 m，總庫容5.27億m3，為目前國內(nèi)外最大的江心河口避咸蓄淡水庫。

青草沙水庫東堤位于水庫最東端，西面與新建北堤連接，自東北小泓北側(cè)水下沙體順勢下延約1.5 km后，橫向穿越東北小泓漲潮溝深槽，終點(diǎn)與長興島現(xiàn)有海塘連接，全長3 030 m。東堤約有1 900 m堤線灘面高程為-5～-11 m，實(shí)質(zhì)上屬東北小泓深槽堵泓工程。同時，根據(jù)青草沙水庫堤壩總體實(shí)施計(jì)劃，龍口也選址在東堤深水段，因此東堤深槽段堤壩的結(jié)構(gòu)選型和順利構(gòu)筑是青草沙水庫建設(shè)的關(guān)鍵因素之一。

2 建設(shè)條件和特點(diǎn)分析

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告揭示，東堤深槽段范圍內(nèi)堤基淺表層為3-1粉性土混黏性土、3-2砂質(zhì)粉土、3-2灰色粉砂、3-3灰色砂質(zhì)粉土， 厚度3.20～17.00 m， 表部呈松散狀，向下呈稍密狀，中等透水性。中部為厚度較大的淤泥質(zhì)黏土、1-1灰色黏土層， 其中淤泥質(zhì)黏土厚度5.70～16.00 m，1-1灰色黏土厚度3.10～10.00 m，具高壓縮性，土體強(qiáng)度低，屬軟弱土，承載力低。

淤泥質(zhì)黏土、1-1黏土由于固結(jié)速度慢，使用期沉降量大，對堤壩沉降控制不利。堤壩選型時要注意使用期對地基變形的適應(yīng)性，并適當(dāng)考慮采取地基處理措施，減少后期沉降。深槽段由于覆蓋層薄，若采用土石混合斜坡堤，需要較長的壓載平臺才能滿足堤壩穩(wěn)定的要求。另一方面，東堤深槽段河床淺層主要為厚度3.20～17.00 m的粉土、粉砂層，長江口表層及灘面的粉細(xì)砂層抗沖刷能力較差，在水流的作用下極易運(yùn)動，施工過程中沿堤流和堤頭繞流可能將產(chǎn)生較大沖刷溝，危及建筑物自身的穩(wěn)定和造成河勢的不良變化，必須采取保灘護(hù)底措施。

2.2 工程水文條件

根據(jù)工程區(qū)域多年的觀測資料統(tǒng)計(jì)分析，本地區(qū)多年平均風(fēng)速差異不大，但季節(jié)性的變化較為明顯，11月至來年的3月，偏北風(fēng)發(fā)生頻率較高，4～10月則以東到偏南風(fēng)為主，較大風(fēng)速出現(xiàn)在偏北向。東堤處以海向風(fēng)涌混合浪的偏東向(E～ESE)的波浪所控制，100 a一遇高潮位與100 a一遇波浪（設(shè)計(jì)風(fēng)速）組合時，其概率為1%大波浪高可達(dá)3.98 m。東堤深槽段天然條件下大潮漲落急流速達(dá)2.0 m/s左右。

從風(fēng)浪、水流條件分析，青草沙水庫東堤段水深大、水流急、風(fēng)浪大，全部工序均需依靠船舶，施工作業(yè)受風(fēng)、潮、浪、流的影響大，具有可作業(yè)時間短，施工強(qiáng)度高，施工組織難度大等特點(diǎn)。

2.3 水庫堤壩受力特性

水庫大堤作為水庫工程的蓄水擋潮結(jié)構(gòu)，青草沙水庫建成后最高蓄水位為7.0 m，死水位為-1.5 m，堤壩外側(cè)設(shè)計(jì)低潮位為-0.33 m（P=1%），設(shè)計(jì)高潮位為6.13 m（P=1%），最大水位差將近7.33 m。水庫大堤承受內(nèi)外雙向水頭作用，且外海潮位變化較大。同時東堤深槽段堤基淺層為砂質(zhì)粉土和粉砂地層，砂土滲透系數(shù)較大，抗?jié)B透變形能力弱，是主要透水層，因此，在庫內(nèi)外雙向水頭差作用下，水庫堤壩的滲流和滲透穩(wěn)定問題不可忽視。

2.4 龍口布置的影響

根據(jù)青草沙水庫工程總體布置，水庫主龍口設(shè)在東堤深槽段，根據(jù)數(shù)學(xué)模型分析龍口保護(hù)期寬800 m，底高程-3.00 m。龍口分兩階段實(shí)施：一階段先施工至-3.00 m高程進(jìn)行龍口保護(hù)度汛；二階段進(jìn)行龍口合龍，施工上部結(jié)構(gòu)。龍口水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，隨著龍口段的逐步抬高和縮小，流速將逐步增大，在不利工況下，龍口局部流速高達(dá)8.0 m/s以上。由于主龍口設(shè)在東堤深槽段，給東堤的構(gòu)筑帶來了諸多難題。

3 堤壩結(jié)構(gòu)研究

3.1 堤壩結(jié)構(gòu)選型

目前，在長江口地區(qū)的灘涂圈圍工程中，主要筑堤材料是砂料，多為采用土工布袋充填砂料成型堆砌筑堤。根據(jù)類似已建工程的成熟經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)形式、材料強(qiáng)度、施工設(shè)備、施工工效和施工成本等綜合分析認(rèn)為，當(dāng)灘面高程在-5.0 m以上時采用常規(guī)的充填袋裝砂斜坡式土石混合堤是比較經(jīng)濟(jì)合理的；但是，當(dāng)原始灘面在-5.0 m以下時，區(qū)域充灌砂袋的施工非常困難，存在充填管袋袋體飄移、破損、水下充砂難等問題，施工質(zhì)量也難以保證。

在調(diào)研分析大量工程實(shí)例基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外圍海造地工程及海港工程中的深港防波堤、深水碼頭等深水筑堤技術(shù)，經(jīng)分析研究后東堤深槽段堤型采用拋填砂袋雙棱體斜坡堤形式，見圖2。

該堤型為常規(guī)充填袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)的技術(shù)改進(jìn)，突破了深水區(qū)常規(guī)充填管袋筑堤工藝的局限性。其優(yōu)勢體現(xiàn)為：（1）將深水充灌砂袋改為船上甲板充灌砂袋，袋裝砂自身固結(jié)好，拋填重量可控制，堤身后期沉降量較小，可直接構(gòu)筑大堤基礎(chǔ)；（2）大型翻板船充灌、拋填流水作業(yè)，分區(qū)填筑，可保證填筑面的均勻上升，且砂袋柔性較好，適用性強(qiáng)，地基受力均勻；（3）深水拋填袋裝砂施工工序較少，船機(jī)種類較單一，施工組織難度一般，施工進(jìn)度較易控制。其劣勢主要是：（1）袋裝砂自身抗波浪水流作用能力較差，需設(shè)置拋石護(hù)坡護(hù)腳結(jié)構(gòu)；（2）深水拋投袋裝砂，定位與密實(shí)性控制難度較大。

3.2 軟弱地基處理研究

東堤天然地基屬軟弱地基，根據(jù)上海地區(qū)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，采用塑料排水帶與堤身自重加載預(yù)壓相結(jié)合的處理措施。水平排水體充分利用表層上覆的粉土、砂土層及堤身砂，豎向排水體采用長21～25 m塑料排水帶，呈正三角形布置，間距1.4 m，塑料排水帶設(shè)置范圍確定在壓載平臺及堤心范圍，以滿足穩(wěn)定沉降控制要求。

3.3 滲控措施研究

東堤深槽段堤身及堤基的工后沉降大，防滲墻的墻體容易產(chǎn)生變形、拉裂而失去防滲作用；灘面高程-5.0 m以下采用散拋袋裝砂填筑，堤身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土層均勻性可能很差，而且上覆通長高強(qiáng)充填袋裝砂，另外因度汛、龍口保護(hù)的需要，堤身有多層排體，且堤身下有一層厚度達(dá)1.4 m的龍口保護(hù)網(wǎng)兜拋石或預(yù)制塊體水平夾層，僅在堤頂下約6～8 m范圍對預(yù)制塊體進(jìn)行了拆除并置換成袋裝砂。東堤承受一定水頭后，尤其是庫內(nèi)高水位運(yùn)行條件下，易形成連續(xù)貫穿性的滲漏通道。因此，采用雙排三軸水泥攪拌樁加高壓旋噴樁防滲墻方案，以確保防滲效果可靠，見圖3。

圖2 拋填砂袋雙棱體斜坡堤結(jié)構(gòu)典型斷面圖（單位：m）

圖3 “兩列一夾”復(fù)合式防滲墻示意圖（單位：cm）

4 筑堤技術(shù)研究

4.1 拋填砂袋袋布研究

為保證拋填砂袋施工充填效率，應(yīng)保證滲透水通暢且不被細(xì)土粒淤堵，則拋填砂袋的袋布材料還應(yīng)兼顧透水性和防堵性。防堵性要求對于被保護(hù)土級配良好、水力梯度低、流態(tài)穩(wěn)定、修理費(fèi)用小及不發(fā)生淤堵時，其孔徑應(yīng)符合O95不小于3 d15；透水性要求袋布材料滲透系數(shù)為充填砂的滲透系數(shù)的1～10倍。

拋填砂袋材料強(qiáng)度與拋投水深、水流強(qiáng)度、袋體體積形狀、充填砂砂質(zhì)以及充盈度有關(guān)。根據(jù)長江口地區(qū)多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)來確定拋填袋裝砂袋體的材料。先期選用了800 g/m2的機(jī)織布、500 g/m2的機(jī)織布、260 g/m2的機(jī)織布進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，前兩種材料的泌水性能不如后者，在充灌砂的過程中，飽滿度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，充灌效率也很低。后期又選用了410 g/m2的復(fù)合布和260 g/m2的機(jī)織布進(jìn)行試驗(yàn)比較，前者布體的強(qiáng)度能符合要求，且透水性較好，對于減少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用，但相對來講成本較高，而260 g/m2的機(jī)織布通過砂袋制作時增加排水袖口的措施，可彌補(bǔ)透水性較差的缺點(diǎn)，最終選用了260 g/m2的機(jī)織布。實(shí)踐證明該布體的強(qiáng)度和透水性均能滿足施工和使用要求，充灌效率較高。

4.2 拋填砂袋尺寸研究

拋填砂袋尺度應(yīng)根據(jù)各種施工設(shè)備的特點(diǎn)采用不同尺寸大小、不同加工方法的砂袋，充分發(fā)揮各種設(shè)備的功用和施工效率，并最大限度地減少破損率和降低成本。

影響和決定袋體形狀的因素主要是施工工藝。翻板跟網(wǎng)絡(luò)拋袋袋體的形狀采用方形；溜槽拋袋，袋體的形狀采用長條形。袋體的大小取決于船機(jī)設(shè)備的有關(guān)性能。翻板拋袋應(yīng)考慮翻板的寬度、工作面的最大利用率、施工效率及翻板安全工作下的極限允許承載力等因素；網(wǎng)絡(luò)拋袋應(yīng)考慮吊機(jī)的起重能力及平板駁工作面的大小等因素；溜槽拋袋應(yīng)考慮溜槽的孔徑大小等因素。砂袋單層最大厚度主要受砂袋布強(qiáng)度限制，過厚不利于設(shè)計(jì)斷面形狀的形成，過薄砂袋布用料多，將不經(jīng)濟(jì)。

綜合考慮以上因素，并結(jié)合實(shí)際情況，在青草沙水庫工程中主要采用翻板拋袋船施工拋填袋，通過現(xiàn)場實(shí)施試驗(yàn)，推薦采用4 m×6 m和6 m×8 m兩種規(guī)格的拋填砂袋，每層砂袋厚度以0.6～0.8 m為宜。充盈度應(yīng)控制在60%～70%左右，有利于控制砂袋密實(shí)性

4.3 拋填砂袋施工期穩(wěn)定性研究

通常由于存在袋內(nèi)砂體在波浪作用下單向搬移的不利因素，單層砂袋的臨界穩(wěn)定波高一般在1.5 m以下。根據(jù)河海大學(xué)的深水航道整治工程物理模型試驗(yàn)成果，在袋裝砂頂部覆蓋了兩層大砂袋，并對頂部兩層砂袋作隔倉處理，其臨界穩(wěn)定波高可提高至2.8 m。因此，東堤堤身在-5.0～-3.0 m高程設(shè)通長高強(qiáng)充填袋裝砂覆蓋，兼作防沖和過渡層，以滿足施工期穩(wěn)定性要求。為防止拋填時袋裝砂破裂和增加拋填砂袋施工期穩(wěn)定性和密實(shí)性，要求拋投時上下兩層砂袋按品字形排列，交叉重疊，并注意水流對其的影響，以提高砂袋的抗滑穩(wěn)定性。

主龍口設(shè)置在深槽段，-3.0 m高程需要度汛，且在堤壩抬高過程中深水段大堤范圍的水流速將進(jìn)一步加大，受水流沖刷強(qiáng)烈，大尺度管袋既需要有一定的強(qiáng)度又要有較好的保砂性能，因此袋布采用410 g/m2高強(qiáng)復(fù)合土工布，內(nèi)層為加強(qiáng)保砂性能采用150 g/m2無紡?fù)凉げ迹?外層為抗沖刷采用260 g/m2機(jī)織土工布。

4.4 拋填砂袋施工期密實(shí)性控制技術(shù)研究

拋填砂袋堤身的密實(shí)性直接決定工程質(zhì)量和安全，必須加強(qiáng)施工期密實(shí)性控制。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合砂源情況，選擇以拋填效率最高的大型翻板船側(cè)翻拋袋為主要施工方式，日最大拋填量可達(dá)2 000 m3左右。施工中采用船載GPS和專用定位軟件進(jìn)行定位，拋填精度較高。

拋袋時砂袋入水后會產(chǎn)生一定距離的漂移，從而影響水下堤身實(shí)際成型效果。施工時采用在砂袋上系浮漂的方法進(jìn)行砂袋漂移試驗(yàn)，測出相同水深條件下各種規(guī)格的砂袋在漲急、落急情況下的大致漂移距離，依據(jù)測定結(jié)果對拋袋的施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，并通過檢測浮漂位置和潛摸的方法檢測實(shí)際拋放位置和拋放質(zhì)量，及時對堤身斷面進(jìn)行測量，掌握水下袋裝砂堤心斷面成型情況，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，決定是否需要補(bǔ)拋，何處需要補(bǔ)拋，確保水下堤身成型質(zhì)量。

5 結(jié)語

青草沙水庫東堤段的拋填砂袋堤身施工完成后，采用水域走航式高密度地震映像法對東堤深槽段局部已拋的水下砂袋體進(jìn)行了試驗(yàn)性檢測，探測結(jié)果表明拋填砂袋堤身結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量良好，能夠滿足工程建設(shè)的需要。

根據(jù)對堤身施工完成后近4年的監(jiān)測資料分析知，東堤深槽段拋填砂袋雙棱體斜坡堤的沉降變形、水平變形等觀測數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)值范圍以內(nèi)；且堤身結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了多個臺風(fēng)和寒潮的考驗(yàn)，結(jié)構(gòu)完好無損，說明拋填砂袋雙棱體斜坡堤在青草沙水庫工程中的應(yīng)用是成功的。

[1]盧永金，顧金山，顧玉亮，等.青草沙水庫建設(shè)中的技術(shù)難題研究[J].水利水電科技進(jìn)展，2013（5）：45-49.

[2]張國泉，陳小剛.充泥管袋在青草沙水庫工程中的應(yīng)用[J].人民長江，2009（6）：47-52.

[3]上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司等.長江口江心大型避咸蓄淡水庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用成果報(bào)告[R].上海：上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司等，2014.