袋裝砂筑堤技術在灘海、淺海工程中的應用

李凱雙，胡殿才，李順利，富井新，王新民

（1.中國石油冀東油田公司，河北唐山063004；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

袋裝砂筑堤技術在灘海、淺海工程中的應用

李凱雙1，胡殿才2，李順利1，富井新1，王新民1

（1.中國石油冀東油田公司，河北唐山063004；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海200120）

文章闡述了袋裝砂筑堤技術的主要技術特點及其與傳統拋石斜坡堤比較的優勢。結合長江口深水航道治理工程、上海洋山深水港區工程等，介紹了袋裝砂筑堤技術的發展過程及在我國淺海重大水運工程中的應用情況；結合寧波港、深圳港等地質條件特點及實際工程情況，闡述了袋裝砂筑堤技術在淤泥質海岸、深厚軟弱淤泥地基條件下的技術優勢及成功應用；結合曹妃甸地區通路工程，闡述了袋裝砂筑堤技術在渤海灘海地區具有廣闊的應用前景。最后，分析了當前袋裝砂筑堤技術的發展趨勢。

筑堤技術；灘海；淺海；軟弱地基；土工織物充填袋

1 袋裝砂筑堤技術的優勢

斜坡實體式堤根據筑堤材料的不同，一般有黏土斜坡堤、拋石斜坡堤和袋裝砂斜坡堤等。

黏土斜坡堤利用黏土的強度及黏性，經堆積、夯實形成堤芯，外覆砌石或植草形成護面，是人類最早采用的筑堤型式之一。該結構耐久可靠，施工工藝簡單，造價低，一般適用于具備干地施工、能就近取土的工程，在早期的河漫灘和海灘的高灘部位圍墾中應用廣泛，而在受水位和潮位影響較大的區域較少采用。

拋石斜坡堤的堤芯一般采用開山石，在石料供應充足、價格低廉的地區應用較多。該型式結構耐久可靠，施工工藝成熟，施工難度較小，但對石料需求量大，施工面少，施工進度較慢，不能適應快速施工要求；對吹填砂的適應性差，要消除漏砂現象必須設置可靠的反濾層；無法與吹填砂緊密結合、同步施工，必須全線合攏并完成反濾層后才能進行吹填砂施工。

從20世紀60年代起，長江口及長江流域的航運和整治工程的建設者們就開始著力研究、開發石料的替代品，從最初的填砂草包袋到后來簡易的編織布袋。近30年來，大型土工織物充填袋（即袋裝砂）筑堤技術廣泛應用于長三角地區的圍堤和陸域形成工程，并已在南方地區和北方地區得到了成功應用，主要應用于江海護岸、圍堤造地、防波堤及堤壩工程。

袋裝砂筑堤技術經過多年的實踐、總結和改進，在土工布指標檢測、選用和結構方案合理優化等方面進行了大量的理論研究，袋裝砂筑堤技術已日趨成熟，形成了一系列具有我國自主知識產權的專利技術，交通部已制訂了相應的技術規范及監測標準，為工程質量提供了有力保障。

袋裝砂斜坡堤結構可由堤身、護面、護腳、護底、防浪墻、路面等結構組成。斷面型式應根據水位、波浪、地質、地形條件、使用要求及施工方法等確定，一般斷面型式如圖1所示。

根據國內外已有的工程實踐經驗，袋裝砂堤相對于以往傳統的拋石堤，能夠滿足同樣的使用功能，具有同樣的耐久性，在設計年限內主體部分基本無須維修，其優勢主要體現在工程造價低、施工工期短、堤身的整體性好和有利于組織防臺風防汛四個方面。

（1） 就地取材，工程造價低。筑堤材料以砂石為主，具有因地制宜、就地取材的特點，可大大降低工程造價，特別是在石料資源短缺的地區這種優勢尤為明顯，根據類似工程實際情況，若具備就近取砂條件，袋裝砂堤比拋石堤減少費用約30%～50%，若在100 km范圍以內購砂，減少費用約10%～15%。

圖1 袋裝砂斜坡堤斷面型式示意

（2） 可分段同步施工，施工速度快。特別是對于采用吹填砂形成陸域和需要地基處理的工程，可大大降低施工工期；袋裝砂充填可完全采用水上施工，減少了拋石堤因施工臨時道路而必須的工程前期準備時間；由于袋裝砂堤芯相對拋石堤芯具有較好的防滲性能，無需設置防滲體，簡化了施工工序，圍堤形成至一定高度后即可進行吹填施工；軟體排護底相比以往的柴排護底具有材料加工工廠化、運輸集約化、施工機械化、大面積快速施工的特點。

（3） 堤身的整體性好。袋裝砂具有良好的整體性和柔韌性，對堤基的變形具有較好的適應性；袋裝砂堤身對地基的壓力分布相對較為均勻，能有效地提高圍堤施工期的穩定性；另一方面，土工袋體還兼具加筋體的作用，有利于提高圍堤的整體穩定，特別適用于在地質條件較差的軟基土上建筑圍堤。

（4） 有利于組織防臺風防汛。土工織物充填砂袋單袋重達數十噸、上百噸，具有較強的抗浪能力，充填袋體易于快速形成渡汛斷面，有利于組織防臺風、防汛措施，減少施工期的損失。

經過對國內外大量失敗和成功的工程實例分析，袋裝砂筑堤技術的成功應用必須遵守以下基本原則：適宜的充填砂料；合理的土工織物袋體指標；有效的反濾措施；有針對性的施工期保護技術及措施。

2 袋裝砂筑堤技術的重要發展過程及典型應用

2.1 上海外高橋船舶污水處理廠圍堤吹填工程

在1992年以前，袋裝砂一般采用人工灌裝的小袋砂，僅應用于陸地或高灘段。1992年實施的上海外高橋船舶污水處理廠圍堤吹填工程，首次將袋裝砂工藝大規模應用于永久性海洋工程，與材料及設備生產廠家合作開發了大型土工織物袋及泥漿泵充灌技術，大大提高了工作效率及成堤質量。該工程建成至今經歷多次臺風，運行情況良好，袋裝砂結構的耐久性得到很好的工程實踐檢驗。

2.2 蘇州港太倉港區陸域形成工程

蘇州港太倉港區在太倉市境內長江大堤與外側-3 m水深線（黃海平均海平面）之間的長江邊灘實施圍灘造地，形成深水岸線長約10 km，形成陸域面積約10 km2，工程分為七期進行。1997年實施的太倉港區一期工程首次采用大型船機設備施工工藝，突破了人力施工水深僅達1～2 m的限制，大大加快了袋裝砂的施工效率，提高了工程質量，開創了袋裝砂筑堤技術應用的新篇章。

該工程中袋裝砂筑堤技術的應用具有以下特點：

（1） 港區陸域形成采用分層袋裝砂圍堤、分層吹填、袋裝砂圍堤與吹填緊密結合、相互依托、交叉同步施工的方法，加快了圍堤吹填施工速度，增強了施工期圍堤防臺風渡汛的安全性；施工全部在水上展開，工作面大，進度快。這一工藝是對傳統的圍堤吹填造陸工藝的重大突破。

（2） 圍堤工程成功開發了深水袋裝砂、深水軟體排、砂被等多種新結構、新工藝，解決了袋裝砂、軟體排在人力所不能施工的較深水區的應用難題，施工過程中經受了臺風、天文大潮和暴雨“三碰頭”的考驗，已建圍堤基本無損壞。該工程的順利實施，為條件相似的長江口深水航道整治北導堤工程運用袋裝砂、軟體排技術奠定了基礎。

（3） 工程區表層有6 m厚淤泥和25 m厚淤泥質土，運用砂被+塑料排水板新工藝進行軟基處理，由大型袋裝砂形成的砂被作為水平排水層，排水板作為豎向排水體，用就近取的天然細砂替代規范要求的散拋中粗砂，減少了流失量，確保了排水砂體的整體性及穩定性，且滿足排水要求，取得了良好的經濟效益。

（4）與常規的拋石堤方案相比，該袋裝砂筑堤方法造價低、進度快、成陸效果好。圍堤投資節省約20%；整個建設工期由3年縮短為1.5年；吹填砂采用附近長江水下表層細砂，排水固結速度快，強度高，經強夯處理可作為集裝箱重箱堆場地基，經振動碾壓可作為一般用地地基，節約了后續地基處理費用。

2.3 長江口深水航道治理工程

2.3.1工程概況

于1998年1月正式開工的跨世紀宏偉工程——長江口深水航道治理工程，是我國迄今規模最大、投資最多、難度最大的交通水運基礎設施建設項目。工程分三期實施：一期工程1998年1月至2000年3月，長江口8.5 m水深航道全線貫通；二期工程2002年4月至2005年11月，建成水深10.0 m、寬350/400 m、長74.5 km的雙向航道；三期工程以疏浚為主，實現航道水深12.5 m的目標。

在導堤和丁壩工程中充分利用了工程區砂多石料少的特點，采用了袋裝砂堤芯結構，在護底工程中采用了新型軟體排結構，新型土工織物的應用是長江口深水航道治理工程成功的關鍵，解決了在波浪循環荷載作用下粉細砂地基易發生地基軟化的問題以及在水流作用下易發生沖刷等技術難題。

2.3.2工程環境特點

該工程導堤長，全部水上施工，工程量大，施工強度大。工程環境的主要特點是：

（1） 水深大，最大水深達9 m，最小水深3 m。

（2） 流速大，最大流速達2.8 m/s。

（3） 風大、浪高，波高2～5 m。

（4） 江面開闊，受臺風、寒潮影響顯著。

（5） 砂性土地基。

2.3.3袋裝砂筑堤技術的應用特點

（1） 首次大規模使用袋裝砂筑堤技術，形成了一系列專利技術，開發了專用船機設備，對于推動國內現代化袋裝砂筑堤技術的標準化、大型化和大規模應用起了關鍵作用。

（2） 對于砂性土地基，提出采用砂肋軟體排和混凝土連鎖塊軟體排護底，并在施工過程中使用超前護底，有效地防止了地基的沖刷問題。

（3） 針對影響土工材料使用壽命受紫外線照射老化的問題，通過試驗、檢測，對老化原因和機理進行了深入研究和分析，采用了合理的防老化措施，并在工程實施中應用，效果良好。

（4） 根據該工程獨特的施工條件和工期要求，在施工工藝方面研制開發了多層大型充砂袋與無紡布反濾層復合施工新工藝，不僅大大提高了施工工效和施工質量，同時也增強了暴露段袋裝砂堤芯抵抗風浪的能力。

2.4 上海洋山深水港區工程

2.4.1工程概況

洋山深水港區位于上海東南部32 km遠的崎嶇列島，臨近外海，無陸地掩護，自然條件惡劣，工程的技術難度在國內外首屈一指。

洋山深水港的建設是在遠離大陸的孤島上進行，而孤島上沒有港區建設所需的大片陸地，需通過圍海吹填造地形成。圍堤一方面可作為陸域吹填造地的邊界，另一方面海島區域水流流態比較復雜，圍堤可以起到整治流態、歸順水流的作用；陸域由超過20 m厚的吹填砂形成。為防止漏砂，避免對后期港區地面產生不利影響，對圍堤結構提出了很高的要求，在開展大量的研究論證工作的基礎上，采用袋裝砂斜坡堤結構，很好地解決了這一難題。該工程創造了袋裝砂筑堤技術應用水深的新紀錄（最大水深達30 m）。

2.4.2工程環境特點

最具代表性的是一期工程的東側北圍堤，圍堤長1 195 m，工期緊迫，要求6個月內全部完成，主要工程環境特點如下：

（1） 圍堤軸線水深-10.0～-30.0 m，堤身高度達19～35.0 m，整體穩定性要求高，施工難度大。

（2） 浪大、流急，設計波高3～4 m，最大平均流速>2 m/s。

（3） 受臺風、寒潮影響顯著。

2.4.3袋裝砂筑堤技術的應用

在總結以往深水筑堤經驗的基礎上，充分利用袋裝砂堤整體性好的優點，采用了充灌袋裝砂棱體+拋填砂袋堤芯的斜坡堤結構型式。為提高工程的實施進度，通過研究和試驗，在施工中首次運用了袋裝砂拋填工藝，解決了大水深條件下的袋裝砂施工工藝，有效地提高了施工效率，確保了工期。施工期經受多次臺風考驗，完好無損。

2.5 袋裝砂筑堤技術在軟弱地基區域的應用

隨著袋裝砂筑堤技術在砂質海岸的成功應用，針對軟弱地區特點進一步開展了研究和實踐，并在21世紀初得到了廣泛應用，主要有寧波、溫州、深圳、天津、連云港等淤泥質灘海的建港及圍海造地圍堤工程。

2.5.1寧波港區陸域形成工程

具有代表性的是寧波港鎮海港區圍海造地工程、寧波港北侖四期集裝箱碼頭陸域形成造地工程。

工程環境特點：圍堤軸線灘面標高-2～1.0 m，堤身高度6～9 m；場地淺部地基土是近30年的新淤土，具有高壓縮性和高靈敏度的特點，厚度達16.5～39.0m，力學指標極差，固快指標為c=8kPa，Φ=3°；風大、浪高，設計波高4～4.5 m；為臺風多發地區，受臺風影響顯著。

首次采用了通長砂袋結構，在堤身后側形成加筋土層，有效地提高了圍堤的整體穩定性；采用了圍堤吹填方式，即采用分層袋裝砂圍堤、分層吹填、圍堤吹填相互依托的造陸工藝。圍堤的造價較拋石堤減少約30%；工期縮短50%；施工期經受多次臺風襲擊，完好無損。

2.5.2深圳大鏟灣集裝箱碼頭陸域形成工程

該工程于2004年初開工建設，2007年完工，圍堤總長19 km，吹填區面積為486萬m2，吹填方量為2 820萬m3，吹填料采用港池航道的疏浚淤泥質土。

圍堤地基極差，表層為流泥、淤泥等軟土，含水量60%～80%，厚度10～20 m。

圍堤結構型式采用袋裝砂斜坡堤結構，地基處理采用清淤海砂置換方案和砂被+排水板相結合方案。

2.6 袋裝砂筑堤在渤海灣地區的應用

袋裝砂筑堤技術在渤海灣灘海工程中的首次成功應用當數曹妃甸通路路基工程。

曹妃甸通路路基工程長度為18.447 km，路基頂總寬度為19.25 m，平均路基高度約5 m，灘面水深0～1 m。自2003年3月開工以來，克服了50年未遇特大寒潮所造成破壞的不利影響，2004年7月完工。

該工程具有以下特點與難點：

（1） 工程處于潮間帶灘地，水不深不淺，施工難度大。

（2） 工程規模大，在海上建筑近20km的引堤。

（3） 工期緊，要求一年半完成。

（4） 秋季受寒潮影響，冬季受冰凍影響。

（5） 需解決砂源、袋裝砂抗凍問題、海上長引堤所產生的沿堤流影響及防護等技術難題。

2001年10月，針對當地砂多石少、砂廉石貴的特點，通過對自然條件、材料來源、施工條件、工程造價、工期及使用要求等方面的綜合分析，提出了袋裝砂斜坡堤結構，堤身采用袋裝砂棱體與吹填砂堤芯相互依托結構。

通過吸收國內外土工織物抗冰凍設計的最新成果與技術，結合本工程的實際情況，展開抗冰凍試驗專題研究，對袋裝砂筑堤技術抗冰凍進行了科學評價，并提出了有針對性的選擇袋體布料、合理安排施工順序等科學合理的抗冰凍措施。

在海灘上修筑長達18 km的引堤，通過數模計算，對沿堤流、繞堤流進行了科學評價，并提出了超前護底、施工分段及合攏等經濟合理的應對措施。

通過砂源勘察，探明了可用于本工程的筑堤砂料，解決了砂源問題，為就地取材、節約造價奠定了基礎。曹妃甸港區的圍海造地需要大量的筑堤與填筑材料，本工程為該地區新型填筑材料和新工藝的應用開創了先河。

曹妃甸通路路基工程造價僅為原拋石堤方案的50%，節省投資近1.6億元（扣除價格上漲因素），工期由2.5年縮短為1.5年，創造了良好的經濟效益和社會效益，為后續工程的建設贏得了時間，創造了極為有利的條件。

曹妃甸通路路基工程的順利完成有力地促進了曹妃甸的開發建設。曹妃甸港區2005年12月實現開港通航，四大支柱產業“大碼頭、大鋼鐵、大電力、大石化”均已進入實質性建設階段，初步形成產業集聚效應，圍海造地先行快速推進，各項基礎設施建設協調跟進。截止目前，曹妃甸完成造地約100 km2，總吹填方量近4億m3，其中90%以上的圍堤均采用袋裝砂筑堤技術。

3 袋裝砂筑堤技術在冀東南堡油田1號人工端島及西線進海路工程中的應用

3.1 工程概況

南堡油田采用建設人工島海油陸采的開發方式，是實現經濟、快速勘探開發灘海的有效途徑。

該工程位于唐山市南堡灘海，1號人工端島平面尺度為604 m×416 m，造地面積27.53萬m2，人工島呈近似橢圓形布置，島與后方陸域采用總長1.657 km的進海路（含2座40 m×19 m通水引橋）連接，見圖2。工程于2006年6月開工建設，2007年7月完工，運行狀況良好。

圖2 工程平面示意

3.2 工程地質條件

該工程地層為第四紀海相沉積層與陸相沉積層，以海相沉積為主，沉積韻律較明顯，新近沉積土層較為松散軟弱，土層的強度從上至下逐漸增大，從上到下依次為：淤泥質粉質黏土、粉土、黏質粉土、粉質黏土、黏質粉土、粉砂、粉質黏土。

3.3 路堤結構設計（見圖3、圖4）

3.3.1設計使用年限及設計標準

設計使用年限為50年，防洪標準設計重現期為100年，1級堤防。港口工程1級水工建筑物，設計基本地震加速度為0.185 g。

3.3.2結構型式

路堤結構型式根據工程位置的自然條件、材料來源、施工條件、工程造價、工期、使用要求等因素，本著技術可靠、經濟合理的原則，經綜合論證確定，采用袋裝砂斜坡堤結構型式：利用土工織物的成型作用，采用泥漿泵就近取砂充填筑堤，對于標高低于-1.0 m（當地理論最低潮面）的灘面，采用專用鋪排船施工，淺水區趁低潮施工。

3.3.3護坡結構

護坡結構根據設計標準、設計潮位、設計波浪要素、地形水深等因素，依據《防波堤設計與施工規范》，經計算分析、經濟技術比較綜合確定，護坡結構如下：對于進海路，淺灘波高不大，采用柵欄板護面，趁低潮露灘時安裝，經濟美觀；對于人工島，水深波高較大，平臺以下采用扭王字塊體，便于水下安裝，平臺及平臺以上采用四角空心方塊，便于陸上安裝，景觀效果好，適應不規則坡面能力強。

拋石墊層下設袋裝碎石，并在袋裝砂外側鋪設無紡土工布一層，形成完整的反濾設施。采用軟體排加拋石平護，平護采用長短相結合的方式。為減小堤頂越浪量，采用反弧形鋼筋混凝土防浪墻。經冰凍試驗表明，土工織物不僅具有較強的抗冰凍能力，而且能起到限制堤身凍脹的有利作用。

3.3.4袋裝砂的砂質要求及取砂

為加快排水固結速度及筑堤速度，筑堤砂料采用細砂、粉砂。

根據工程區域砂源和采砂對河勢影響等情況，結合灘面地形、西線進海路及人工端島安全需要、工況條件、施工機械取砂能力和施工要求，決定在距離圍堤150 m外取砂區就近取砂。

3.3.5地基評價及處理

采用無填料振沖+振動碾壓方法進行地基處理，地基處理深度為15 m（含吹填厚度），地基承載力設計值≥150 kPa，工后沉降≤20 cm，滿足抗震設防烈度7度（0.18 g）抗震要求。

圖3 西線進海路斷面

圖4 人工島圍堤斷面結構

3.4 主要技術特點

（1） 在調研國內外類似灘海石油開發成功經驗的基礎上，采用潮流數值模擬、平面物理模型試驗等專題研究、多方案經濟技術比選等技術手段，研究方法先進。

（2） 在人工島圍海造地項目建設過程中，緊密結合開發方案及地面工程，及時正確處理相關技術接口問題，做到有效銜接，避免建設過程中的時間和資金浪費。

（3） 根據仿生學原理確定的人工島平面布置及采取的長短平護、護島潛堤等護底措施經濟合理，安全可靠。

（4） 采用高樁墩臺引橋碼頭結構型式，成功解決了在冰荷載等大水平荷載作用下的透空式海上引橋碼頭結構設計難題。

（5） 針對深厚吹填粉細砂，提出振沖擊密法進行地基處理，施工速度快、造價低、處理效果好。

4 袋裝砂筑堤技術發展趨勢

對于一般工程應用條件，袋裝砂筑堤技術的開發和應用相對來說已比較成熟，但當面臨更加惡劣的筑堤環境和更高的筑堤要求時，袋裝砂筑堤技術還需要進一步發展。

目前袋裝砂筑堤技術發展趨勢主要體現在以下幾個方面：

（1） 袋裝砂本構關系及與土體的作用機理研究。

（2） 在大深水、惡劣海況條件下的袋裝砂筑堤技術研究。

（3） 深厚淤泥地基條件下的袋裝砂筑堤技術研究。

（4） 深厚覆蓋層下的取砂技術研究。

（5） 粉土及黏性土等細顆粒材料作為袋裝砂筑堤材料的關鍵技術研究。

5 結束語

經過我國廣大科技工作者及工程技術人員的努力，從上世紀80年代以來袋裝砂筑堤技術得到了很大的發展，從長江三角洲開始，逐步向南北推廣，得到了廣泛應用，逐步取代傳統的拋石堤，已成為我國建港及圍海造地筑堤的主要結構型式，并逐步向海外發展，目前我國袋裝砂筑堤技術已在非洲、東南亞、南美洲等地區得到了成功應用。

2005年以來，袋裝砂筑堤技術在冀東灘海人工島工程中得到了成功應用，充分展現了袋裝砂筑堤技術造價低、施工速度快、結構安全可靠、安全環保的優勢。根據對遼河油田、大港油田、勝利油田的地質條件及自然條件特點的初步分析，袋裝砂筑堤技術在上述油田的灘海勘探開發中也具有廣闊的應用前景。

[1] 中交上海航道勘察設計研究院有限公司.冀東南堡油田西線進海路及1號人工端島工程初步設計[R].上海：中交上海航道勘察設計研究院有限公司，2006.

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[4] SY/T 4084-1995，灘海環境條件與荷載技術規范[S].

[5] SY/T 4099-1995，灘海海堤設計與施工技術規范[S].

Abstract：This paper presents the state-of-the-art and chief features of dike construction technology with sandbags as well as its advantages in comparison with conventional sloping riprap.Associated with the national key projects such as Yangtze Estuary Deep Channel Regulation Project and the Shanghai Yangshan Deep Water Port Project,the paper introduces the development course of sandbags diking technique and the applications in important waterway engineering in domestic sallow water regions;Associated with the geological features and practice engineering of Ningbo Port and Shenzhen Port,it describes the technical advantages and successful applications of sandbags diking technique in silty coast and thick soft silty clay foundations;Associated with the access road project in Caofeidian District,the paper discusses the broad applicative prospect of sandbag diking technique in Bohai beach area.At last,it analyzes current development trends of sandbagdiking technique.

Key words:diking technique;beach;shallow water;soft foundation;geotextile bag

（20）Application of Diking Technique with Sandbag in Beach and Shallow Water Engineering

LI Kai-shuang（PetroChina Jidong Oilfield Co.,Tanshan 063004,China）,HU Dian-cai,LI Shun-li,et al.

TV871.1

B

1001－2206（2011）01－0020－06

李凱雙（1969-），男，河北唐山人，高級工程師，1990年畢業于西安石油學院，現從事油田海洋工程基本建設管理工作。

2010-02-26