模袋混凝土在灃河水環境治理中的應用

黃平 王再明

模袋混凝土在灃河水環境治理中的應用

黃平 王再明

一、項目背景

隨著西部地區的經濟發展，水環境治理在社會長遠發展中的戰略地位十分重要。“水十條”提出水環境綜合治理任務后，西咸新區灃河綜合治理水面工程項目應期上馬，其中G310-西咸交界段蓄水防滲工程與護坡工程總長1.662km。工程區屬中緯度暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季干、濕、冷、暖分明，降水主要集中在7～9三個月，最大凍土深度45cm。工程區位于關中盆地中部，地勢總體南高北低，渭河流經盆地偏南部位，蓄水區段灃河在渭河一級階地上建造河槽，寬50～300m不等。地層主要為第四系沖積、洪積成因的松散堆積層。

二、方案比選

經過現場調查，提出了混凝土面板防護、混凝土+賓格防護、賓格+土工布防護三個初選方案，進行了技術經濟比較，比選主要指標見表1。

充分考慮到模袋混凝土面板具有抗沖能力強、成本相對較低、不需要模板、施工機械化程度高、能夠在各種復雜的地形上鋪筑和無需鋪設反濾層，尤其是可以在水上及水下同時施工，并能大面積一次鋪筑成型等特點，與該項目必須爭搶汛期快速有效的施工要求和現場施工條件相吻合，最終選用模袋混凝土方案。

三、方案實施

1.模袋設計

北方城市中模袋應用條件最大不同是需要度過寒冷的冬季，因此模袋設計時強度等材質要求、抗滑穩定性校核、排滲核算等與以往實施方法一致，主要是厚度選取時除考慮承受風浪荷載外還必須計算冬季冰推力作用，因此重點是進行厚度確定計算。根據《堤防工程設計規范》（GB50286 -2013），滿足抗波浪穩定要求的板厚t計算如公式（1）且不小于10cm：

式中：t為混凝土護面板厚度（m）；η為系數，取0.075；H為計算波高（m）；rb為混凝土板的容重（kN/m3）；r為水的重度（kN/m3）；L為波長（m）；B為沿斜坡方向（垂直于水邊線）的護面長度（m）；m為斜坡坡率。經計算t值為4cm。

抗冰凍混凝土護坡穩定厚度t計算按照無筋混凝土計算，如公式（2）：

式中：t為模袋混凝土平均厚度，m；P為設計水平冰推力，kPa；δ為計算冰蓋厚度，m；m為護坡邊坡系數；f1、f2分別為水上、水下護面與土工織物濾層或土工織物濾層與基土之間的摩擦系數；Hl、H2分別為冰蓋下界面以上和以下參加抗冰推的護坡高度，m；Fs為護坡抗滑安全系數，Fs≥1.1；γc為混凝土容，kN/m3，C為織物反濾層與土體之間的粘聚力，kPa。經計算護坡t值為12.6cm。

根據經計算結果，確定模袋混凝土護坡厚度為15cm，考慮安全系數1.5取整，護底混凝土厚度為25cm。

表1 護底（坡）方案比選一覽表

綜合考慮地形條件、水文地質、水流條件以及排滲要求，驗算模袋與護坡面之間的摩擦力后，確定為無反濾排水點模袋，膜袋混凝土厚度邊坡為15cm，庫底防滲護底為25cm。模袋采用全丙綸高強機織布制作，加工成長方形，寬度根據護底平面和施工坡面具體長度確定。同時考慮3%富余量以備充灌時收縮量的儲備，常規的按照每條膜袋寬4m、長35m進行生產縫制，每塊膜袋在長度方向間隔4m設一個灌口，灌口直徑ф20cm，護底部位異形膜袋待護坡部位根據現場測量實際情況進行定制。膜袋上預先縫好土工布及連接帶。護坡部位相鄰兩塊膜袋連接采用縫制的方法進行，護底部位相鄰兩塊膜袋連接采用連接帶綁扎的方法。25cm厚C20膜袋混凝土8431m3，15cm厚C20膜袋混凝土5846m3。

2.施工程序

施工工藝流程：施工準備→坡面清理→地形測量→攤鋪固定膜袋→混凝土充灌→清洗膜袋→循環至下一區施工。

作業順序：先從上游往下游進行左右岸護坡段的膜袋施工，護坡段膜袋施工完成后再從上游往下游進行護底膜袋的施工。

3.施工準備

根據該工程實地施工條件，修筑好循環施工便道，準備好合格混凝土，左右岸護坡膜袋施工時采用汽車泵進行混凝土的充灌，護底膜袋施工時采用地泵進行充灌。施工現場水面搭設長10m，寬8m施工平臺，輸送泵管浮體采用油桶及槽鋼制作。

采用人工配合挖掘機將邊坡修整成設計斷面。邊坡清理完成后采用GPS結合水下測深儀對膜袋施工范圍的河道軸線邊線及江底基面高程進行水下測量，進一步了解水文地質情況，對測量過程中發現的地形突變部位需進行處理，修整成緩坡形狀。

4.膜袋鋪設固定

膜袋運抵現場按出廠編號疊放整齊，邊坡膜袋從上往下鋪設，采用手提式縫包機進行相鄰兩塊膜袋之間的縫合，將膜袋上口基底布按要求放置在埋固溝或格賓石籠底部，膜袋上緣在其穿管布袋內插入鋼管并用緊張器聯接固定于定位樁上，膜袋下緣固定在對岸的定位樁上（或將水面施工平臺可靠固定在河道中央，再將膜袋下緣固定繩固定在水面施工平臺上）。

護底膜袋鋪設時主要由潛水員從上游后下游進行鋪設，在上游起始部位將膜袋上緣固定在格賓石籠部位，側面按順序通過連接帶固定在已施工完成的護坡膜袋底部。當第一塊膜袋充填完成后再利用預留在膜袋上的固定帶進行下一塊膜袋的鋪設。

5.混凝土灌注

該工程采用混凝土強度等級為F100C20,采用一級配，混凝土坍落度22～24cm，原材料選用中粗砂，石子粒徑0.5～2cm，保證混凝土具有良好流動性。

混凝土充灌時，導管末段用10m長的高壓彈簧管，將泵管與灌口扎牢，水上部分由施工人員在船上吊移軟管，水下部分由潛水員將軟管插入膜袋進料口，并用鐵絲扎牢，軟管拐彎角度不大于70°，充灌順序先上游后下游，先深水后淺水。充灌速度控制在12～18m3/h，充灌壓力0.2～0.3MPa，每一灌口均連續充灌，將近飽滿時暫停5min，待膜袋中水分析出后，再充灌飽滿并及時撤管扎緊灌口，灌口采用內折法，以保證表面平順。灌注順序先從單元段最下一個進料口逐個灌注向上移，等前一個混凝土灌注口結束后直接把鋼管連接到另外的軟管上繼續灌注混凝土，混凝土泵完成一段模袋混凝土后進行移位，保證施工連續進行。混凝土灌注過程中潛水員必須經常進行水下觀察，并根據模袋充填情況進行不停的踩動，使混凝土能夠順暢的流動，保證模袋中混凝土的充盈。

水上混凝土充灌結束1h以后，用水對膜袋混凝土表面的殘渣垃圾等進行清洗，以確保表面清潔美觀。

四、過程控制要點

1.經濟可靠的配合比

為了保證模袋混凝土順利澆筑，混凝土的要求較合適坍落度和較強的可泵性，一般采取摻適量粉煤灰，控制適宜的砂率，并根據不同泵送高度選擇入泵時坍落度值，通過對不同部位的混凝土施工開展混凝土工藝試驗，測定坍落度、凝結時間、含氣量、壓力泌水率比等技術指標，根據試驗成果確定經濟合理的混凝土配合比。

2.嚴謹的預防措施

輸送管在灌注前先進行水沖洗、潤濕，然后采用砂漿潤滑輸送管道內壁，減小泵送阻力；嚴格按照試驗確定的配合比進行配料；現場測定混凝土塌落度，合格后方可進行灌注；防止較粗骨料和空氣入泵，充灌施工時連續作業，避免堵管發生。

3.嚴格的過程控制

水下整坡時，如遇坡面雜物及易損傷模袋布的硬物必須清理，遇到淤泥等存在不均勻沉降可能地段，進行清理、拋石或用編織袋裝小石子進行整形。充灌次序先上游后下游，先深水后淺水，嚴格控制充灌速度；單元順序采取自下而上逐排口逐倉充灌；每排的充灌順序由模袋搭接的一側開始向另一側逐口充灌，充灌混凝土應持續進行，當模袋內混凝土充灌將近盈滿時暫停5～10min，待水泡析出后再灌至盈滿。

過程中發現混凝土壓力持續上升時說明混凝土在模袋中流動減慢，此時應適當降低泵車的充灌速度，一般情況采取用腳踩踏的方法進行疏導；如踩踏疏導無效，灌口處混凝土壓力上升較高或上升速度很快，則應停止充灌進行檢查阻塞情況，及時將泵管拆走，將阻塞部位進行疏通。

五、結束語

2015年8月該項目通過工程驗收，合格率達到100%。從實施效果分析發現，該項目模袋混凝土在水環境治理中的應用，節省了臨時占地，減少了植被破壞，較好地防止了水土流失。在實施過程中體現其施工速度快工期可控，結構簡單、施工方便、質量可靠，并且能適應北方氣候環境和水下護底的特點；但需要關注的是在沉降不均地段也表現了它的不適應性。運行兩年來改善了西安人居環境，提高了灃河周邊生態景觀功能和城市品位。隨著西部地區的發展，搞好生態環境保護和建設已成為西部開發的根本任務，環境治理總承包將在我國北方城市大力推進，模袋混凝土技術必將在北方城市水環境治理中具有廣泛應用的前景■

（作者單位：中國水利水電第三工程局有限公司710024）