膜袋砂圍堰在茅龍北水利樞紐中的應用

盧澤嵐

(廣東水電二局股份有限公司,廣州 511340)

1 工程概況

翠亨新區濱河整治水利工程(北部標段)項目位于中山市翠亨新區起步區馬鞍北島。根據水利專項規劃和起步區控規要求，完善新區起步區規劃紅線范圍內的水閘和海堤等水利設施及濱河水系景觀工程，項目總投資為35.58億元。項目主要建設內容包括海堤加固工程、河涌整治工程、水閘工程、泵站工程、水利樞紐工程和濱水景觀工程等。

茅龍北水利樞紐為本工程的主要施工任務之一，是一座集排澇、防洪(潮)、通航、引水于一體的水利樞紐工程。泵站、水閘、船閘從西到東依次布置，船閘緊靠河涌東岸。新建茅龍北水利樞紐施工時，需在外河側和內河側修筑圍堰[1]，形成封閉基坑進行施工。

鑒于本工程地處東南沿海珠江三角洲地區，地貌多為淤積、沖積平原，淤泥及淤泥質土等軟土層厚度大，地勢低緩平坦，施工場地又地處海床上，綜合考慮建筑物的布置、站址處的地形、施工條件等，內側圍堰采用了土工膜袋砂圍堰形式[2]。

2 膜袋砂圍堰結構

膜袋砂圍堰斷面形式見圖1所示。

圖1 膜袋砂圍堰斷面示意

3 膜袋制作

3.1 膜袋質量要求

膜袋砂圍堰的膜袋采用防老化裂膜絲機土工布制作,土工管袋織物的單位面積質量不小于250 g/m2,經緯向斷裂強度不小于42 kN/m[3]。水面以上的膜袋需采用防老化土工布,要求自然暴露水面上或變化區2 a后的強度不小于原強度的80%。膜袋材料技術要求見表1所示。

表1 材料技術要求

3.2 制作

膜袋加工成長方形。膜袋沿圍堰橫軸線方向尺寸大于沿圍堰縱軸線方向尺寸，一般沿圍堰橫軸線方向寬度尺寸比圍堰橫軸線方向斷面設計尺寸增加3%，以備充灌時收縮量，沿圍堰縱軸線方向長度以20～50 m取整制作。

膜袋加工時應選用較寬布幅，縫截處折疊3層，寬度約 100 mm，采用錦綸線縫3道(先縫1道，折疊后再縫2道)。每個膜袋拼接縫不宜太多，且相鄰拼接縫的間距應大于2 m，斷面成型后的外露部分不設拼接縫；考慮到膜袋砂圍堰縱軸線方向層錯縫不小于 1.5 m，每層需根據實際情況制作異型膜袋以滿足錯縫要求。充灌口直徑30 cm，進砂袖口保證在水面以上，且不短于500 mm，最外圍袖口距袋邊的距離為3 m，袖口與袖口間距為4 m。

為保證膜袋縫制質量，統一在廠家按預先設計好的尺寸加工縫制成型，經過進場取樣監測合格后用于施工。

4 膜袋砂圍堰施工

4.1 膜袋砂圍堰施工工藝流程

內圍堰主要由基礎面處理、土工格柵鋪設、吹填砂、膜袋砂充填等工序構成，其施工流程見圖2。

圖2 膜袋砂圍堰施工工藝流程

4.2 基面處理

在低潮期時進行基面清理，處理范圍超出圍堰結構邊線0.5 m，主要處理對象為面層上的浮泥、深坑、齒槽以及河床上的垃圾。使用水陸兩棲反鏟沿圍堰結構邊線將浮泥、垃圾刮除，邊刮邊退，將浮泥刮在岸邊堆放，并裝車運走。

齒槽使用水陸兩棲反鏟以“后退法”開挖，因開挖距離太長，基面不能承受自卸汽車，采用多臺水陸兩棲反鏟接力開挖，首先讓第1臺反鏟挖開齒槽，將泥土丟棄其后，第2臺反鏟將泥土挖除再丟其后，以此類推，由岸邊最后1臺反鏟裝15 t自卸汽車運至棄土場。

深坑采用吹填砂回填至原河床高程，深坑數量少、范圍分散，采用水陸兩棲反鏟接力將吹填砂由岸邊運至深坑回填。

4.3 凸結點鋼塑土工格柵鋪設

4.3.1工藝流程

前期準備→定位→卷筒→船靠泊→鋪設→自檢→驗收。

4.3.2船舶定位

采用雙GPS定位，測量人員持儀器為鋪排船定位固定在岸邊，將平板駁靠攏鋪排船。首先在圍堰平面圖上將土工格柵劃分為條形區段，并在每個條形區段角點位置定上坐標，然后在兩船上各設置1臺GPS移動站，并連接在計算機上，施工過程中運用相應施工定位軟件實時監控船體位置，施工人員根據船體位置進行鉸錨移船施工作業，確保鋪設土工格柵的準確度。

4.3.3水下鋪設

將土工格柵固定在鋪排船卷筒上，另一頭固定在平板駁甲板平臺上，施工人員根據船體位置進行鉸錨移船，同時控制卷筒勻速轉動，確保土工格柵在鋪設過程中不出現重疊和撕裂的現象。當一卷土工格柵將要鋪設完后，繼續按照以上流程鋪設下一土工格柵，并確保每幅土工格柵之間的最小搭接長度為1 m。土工格柵鋪設示意見圖3。

圖3 土工格柵鋪設示意

4.4 吹填砂墊層

為保證膜袋砂圍堰在平整的基礎面上施工，先對基礎面鋪一道墊層、整平，墊層采用吹填砂，厚度為0.5 m。

吹填前拋浮漂標記吹填砂范圍，采用滿底泥駁船通過拖輪將吹填砂運至施工現場，使用吹泥船直接進行吹填，經排泥管輸送至倉面內，吹填完成后采用水陸兩棲長臂挖機將吹填砂整平。

4.5 膜袋砂圍堰充填施工

4.5.1施工工藝流程

膜袋砂圍堰充填施工工藝流程見圖4。

圖4 膜袋砂圍堰充填施工工藝流程示意

4.5.2膜袋砂圍堰充填

施工前，根據現場實際地形情況，提前進行規劃，劃分每塊膜袋的大小、位置，根據沉降量和圍堰內外側的邊坡坡比，提前規劃好膜袋的層數和每層膜袋的尺寸，防止圍堰沉降后，擋水斷面不足。布置時注意膜袋的錯縫位置，嚴禁形成通縫。本工程經過對內圍堰地面進行縱、橫斷面剖切，總體上圍堰縱向地形起伏不大，比降為橫坡，在樁號N0+70～N0+170處地形起伏較大，在-0.5～-2.5左右，該縱向樁號處的橫斷面起伏較大，區域較小。地形不平，對膜袋鋪設造成一定的困難，因此通過縱、橫斷面將地形起伏較大的區域用尺寸較小的膜袋砂分層填平，施工前繪制膜袋砂圍堰平面定位圖，明確每塊膜袋的定位坐標，方便后續施工時的定位工作。

根據現場地形測量，在樁號N0+120～N0+170處有較深的洼地，寬為63 m，底部高程為-4.3 m，與圍堰底寬一致，因此在該區域采用大尺寸膜袋砂層層填筑；在樁號N0+60-N0+90處，軸線右側地形起伏較大，因此在該區域的大面膜袋砂填筑之前先對深洼處用尺寸較小的膜袋砂分層、分塊鋪設至大面高程-0.5 m，然后全線(N0+00～N0+240)采用大尺寸膜袋砂從高程-0.5 m往上填筑(見圖5)。

按膜袋砂圍堰平面定位圖布置膜袋，從地面由低到高進行，充填砂料采用一定含泥量的粉砂充填。當砂船運至就位后，作業人員將2臺泥漿泵(22 kW·h)放入運砂船上適當位置。開動高壓水槍，沖水到砂船艙內，當泥漿泵周圍的砂水混合后再開動泥漿泵進行膜袋砂充灌。

根據工程現場實際情況，膜袋鋪設方法采用低潮位時人工鋪排。袋體鋪設袖口部位朝上，泥漿泵管口與袖口連接。袋體鋪設按照測量放樣位置定位，底層袋四周用尼龍繩綁扎釬在地下的鋼管固定，上層袋鋪設時用尼龍繩與下層袋綁扎固定，防止袋體在充填時移動。

充填時，首先充灌四邊各灌口，充砂厚度為 20 cm，將膜袋固定即可，然后由中間向四邊各灌口充灌，這樣既可保證膜袋的充灌厚度，也可保證膜袋不易移位，當袋體逐步充滿后，注意充填壓力，防止布袋破裂。

圖5 分層分區橫斷面示意

一般充填完成固結3 d后(固結度達到80%)可以進行上一層膜袋砂圍堰充填施工。膜袋的充填厚度可通過膜袋上的拉筋控制，膜袋的厚度宜控制在 0.4～0.5 m范圍內，在充填過程中如一次達不到理想高度，待充填砂膜袋稍有固結后，再進行二次充填，直到達到理想的充填厚度和平整度。充填過程中經常調整管口方向，防止袋體在充填過程中受力不均而打卷變形。在充填過程中，人工視現場情況在袋體頂面來回踩踏，使砂顆粒重新排列趨于緊密，并加快袋體排水固結速度，待整個充填砂膜袋達80%的飽滿度時[12]，應適當減少充填機械或停止充填，以防膜袋爆裂，并留有一定固結脫水時間，再進行充灌。充填砂膜袋的充滿度控制在85%以上，充填后的干總重達到14.5 kN/m3以上。膜袋砂圍堰充填示意見圖6。

圖6 膜袋砂圍堰充填示意

膜袋砂圍堰在施工時分層鋪設，呈階梯狀上升，堆迭整齊，上、下層交錯排列，不允許袋體與袋體間留有空隙、通縫。上下層的錯縫間距不小于 1.5 m，在袋體間不得留有通縫、通孔。新充袋體不得用鋒利的塊石堆壓，以免割破膜袋。袋體若出現破損或孔洞，應及時修補，修補原則采用相同材料，并且縫接寬度不小于 150 cm。

4.6 沉降加高

膜袋砂圍堰采用膜袋砂吹填填筑而成，堰體吹填砂含水量大，會排水固結，每層膜袋吹填完成后，應留有的固結排水時間，在180 d內觀測堰頂沉降情況，若沉降超過0.5 m，采用膜袋砂吹填，重新填筑一層至堰頂2.5 m高程。若沉降未超過0.5 m，采用人工填筑袋裝土至堰頂高程。

若不均勻沉降，則在不均勻沉降區域人工采用袋裝土補平，直到設計高程。在圍堰左右岸備好袋裝土，以備大潮時加高，在出現不均勻沉降時，在相應部分補填袋裝土。

沉降導致膜袋撕裂，及時采用土工織物(與膜袋相同材料)縫補，防止膜袋砂流出，降低圍堰穩定性，將膜袋和土工塑料格柵橫向寬度預留2～3 m的沉降量。

4.7 復合土工膜防滲

在圍堰迎水面鋪設一層復合土工膜防滲，條帶之間搭接長度不小于1 m。坡腳沿軸線方向開挖一條齒槽，底寬1 m，將土工膜埋入槽內。土工膜與岸坡接頭采用“刺墻”的形式，將兩側岸坡向里各開挖1.5 m，將土工膜伸入，并用袋裝土壓緊，再回填土方。

土工膜鋪設完成后，防止水流沖擊，用袋裝土反壓。沿坡腳齒槽自下而上填筑1層袋裝土，厚度為 0.5 m，袋裝土之間鑲嵌緊密、無滑動。

4.8 膜袋砂圍堰的拆除

待茅龍北水利樞紐滿足擋、泄水條件后，各部位土建部分全部完成后，進行膜袋砂圍堰的拆除工作。拆除時，先拆內圍堰，采用挖掘機自北岸向南岸后退法拆除水上部分，水下部分采用水陸兩棲挖機“自上而下”分層拆除膜袋砂，直至清除到河床高程。

5 應用效果

膜袋砂圍堰一般由一定尺寸的充填砂膜袋分層分塊錯縫堆砌而成，本工程在膜袋砂圍堰底部設置格柵，增強了整體性穩定性，使膜袋砂圍堰在應用過程中沉降均勻；在迎水面設置土工膜防滲層并用袋裝土反壓，使膜袋砂圍堰有較好的抗沖刷和抗滲能力；就地取材使用粉砂進行充填，粉砂中的水分在重力的作用下通過膜袋自身的空隙自動流出，粉砂在膜袋中自然板結，具有一定強度的同時又能適應圍堰在沉降過程中產生的變形，能較好適應淤泥質軟基。整個施工過程機械化，施工效率高，速度快。膜袋砂圍堰在使用過程中整體表現良好，即使在臺風暴雨等惡劣天氣下，仍然穩定使用，保障基坑安全。

6 結語

膜袋砂圍堰在沿海淤泥及淤泥質土等軟土層厚度大的水利工程圍堰應用中，有不受雨季影響、圍堰體整體性好、施工設備簡單、取材方便等特點，運用廣泛。在實際施工中，要注意施工方法，確保膜袋質量，及預留充足的固結排水時間，切忌一味追求施工速度，才能使膜袋砂圍堰達到最佳效果。目前，各種新的圍堰施工辦法層出不窮，正朝著效率更高、深度更大、適應性更廣的方向發展。膜袋砂圍堰在臨海淤泥地質圍堰施工應用中有廣闊的發展前景。