復雜流態下網格化法充砂土工枕袋施工方法分析

陳 程 （安徽水利開發有限公司，安徽 蚌埠 233000）

0 引言

充砂土工枕袋對水下岸坡、陡坡、坑槽段進行墊坡、填槽施工起到很好效果，近年來，在崩岸治理、淺海灘涂、航道整治等工程中應用較多，傳統的充砂土工枕袋施工，經常會出現砂枕袋著床位置不準確、爆袋等現象，造成返工補拋，增加造價，延緩工期，尤其缺少對水深超過30m、流態紊亂、流速大等特點的水下施工經驗[1-3]。鐘茂華[4]中剖析了充砂土工枕袋比混凝土壩的優勢，同時表明了同等體積下的枕袋比石料更具穩定性，且施工進度快，效果明顯。周鴻等[5]通過以長江中游荊江段航道整治工程為例，提出了對一天之中水位高差超過5m以及水況復雜的嘰頭處應增加試拋的次數，以掌握砂枕袋漂移的規律。李曉兵[6]通過調整拋枕與鋪排的施工工序，利用拋枕對陡坡段進行修坡，后進行沉排，取得了良好的防護效果。這表明不同段落的航道整治應根據水文信息制定相對應的防護措施，以及施工工藝方法的選擇也尤為重要。

隨著國家經濟發展的需要，對航道的需求越來越多，同時隨著船只等其他因素的影響，海岸、河岸線等發生了一系列的崩岸現象，對航道、人民群眾的安全造成不同程度的影響，充砂土工枕袋施工工藝的發明，對河底、河岸的沖刷有一定的遏制作用，被逐漸應用到航道整治工程中。長江馬鞍山河段二期整治工程施工標（七標段）就是采用了充砂土工枕袋墊坡與軟體排方式的河道整治，該標段沖刷較明顯，崩岸頻繁，且強度大，特別是小黃洲左右緣的沖淤變化較明顯，已對小黃洲左右汊分流比造成一定的影響。因此，本文結合充砂土工枕袋現場試驗，首先通過對枕袋二次深化設計，優化聚丙烯編織布規格尺寸、加筋數量及孔隙率，兼顧強度和泌水性；其次應用多波束測量儀掃描水下地形，合理劃分水下拋投區網格，運用GPS平面測量系統與船載RTK測量定位系統聯動，精確控制枕袋的落點，同時多波束跟蹤測量、對比分項，及時糾偏、補拋；最后采用自主發明的六通吹灌裝置，同時連通4臺泥漿泵和兩根輸漿管道，充填效率高，每11min/次充填4袋，約32m3。充填過程中合理調整水槍姿態，控制漿液含水量，提高施工用砂利用率。

1 工程概況

1.1 工程建設背景及內容

長江馬鞍山河段位于長江下游安徽省境內，上起東、西梁山，下至慈姆山，全長約36km，呈兩端窄、中間寬的順直分汊形態，自上而下分為江心洲和小黃洲兩個分汊段。是《長江流域綜合規劃（2012-2030年）》確定的長江中下游干流16個重點河段之一。江心洲左、右汊分流比多年穩定在9：1左右，右汊彎曲，口門以下有低水時與江心洲連為一體的彭興洲。左汊順直，汊道內江心洲尾左緣分布何家洲。小黃洲汊道經過治理，左汊發展速率有所減緩，根據2018年6月實測資料，分流比為32.86%。近60年來，長江馬鞍山河段河道曾發生較大的變化，給沿江兩岸人民生活及工農業生產帶來較大影響。20世紀50年代馬鞍山港區深水岸線自馬鋼泵房至慈姆山，多達9km。20世紀60年代后，小黃洲頭崩退，過渡段下移，左岸鄭浦圩、太陽河、金河口發生嚴重崩岸，造成堤外無灘或窄灘，汛期年年出險，嚴重威脅和縣江堤的安全，右岸馬鋼泵房淤積，深水岸線下移了約3km，嚴重地影響了馬鋼的正常生產，同時深水岸線的縮短，也影響了馬鞍山市經濟的可持續發展。

長江馬鞍山河段二期整治工程施工標（七標段）主要工程內容有小黃洲左汊口護底工程、護底與左、右岸側連接護岸工程、小黃洲頭及左右緣加固護岸工程。其中，小黃洲左汊口門護底工程位于小黃洲左漢口門上段，護底順水流長度約為900m，垂直水流寬度為330m～420m，主要由充砂土工枕袋填槽、墊坡；系混凝土塊軟體排；壓載拋石及加強帶組成。護底段合同清單工程量為①充砂土工枕袋25.62萬m3；②系混凝土軟體排35.42萬m2；③護底段拋石38.51萬m3。

1.2 防護工程結構形式

該項目900m長護底主要施工工序是對原河底形成的超深及溝槽處用充砂枕袋充填槽、墊坡，約25.62萬m3，填筑槽深達8m，將整個河底溝槽大面填筑到-32m后，再滿鋪軟體排，再在排體上拋石壓載厚1m，并設有加厚壓載帶。此處水深約40m，是長江的主江在小黃洲洲頭分汊入口處，據初步了解，該段的施工有以下特點，①水深且流速大，流態紊亂；②屬感潮段，受潮水周期性影響，水位、流速、流態均周期性對應變化；③上行船舶通行量大，需分幅組織護底施工，施工組織困難，安全風險大；④施工期受汛期影響，流速、水位達到一定值時，需暫停施工。

2 充砂土工枕袋拋投施工

2.1 工藝原理

根據設計和現場深水復雜水流條件，進行枕袋二次深化設計，優化聚丙烯編織布尺寸、加筋數量及孔隙率，進行袋體加工。應用多波束測量儀掃描水下地形，合理劃分水下拋投區網格。吸砂船、鋪排船泊錨在拋投區，運砂船靠泊到位，接通六通吹灌裝置，在鋪排船翻板上展開管袋，開動泥漿泵吸砂充填枕袋，充至枕袋體積80%時停止吹灌，泌水后用高壓水槍將枕袋沖入水面，漂落著床。同時用多波束測量儀跟蹤測量、對比分析，及時糾偏、補拋。充砂土工枕墊坡示意圖如圖1所示。

圖1 充砂土工枕墊坡示意圖

2.2 施工流程

2.2.1 水下地形測量

為了保證水下拋枕工程質量，測量采用專門測量船，采用GPS定位系統配合多波束儀器，測量數據由采集軟件自動采集，水下地形圖比例尺1:1000，水下斷面比例1:500，測量沿順水流方向20m測量一個橫斷面，每測點水平間距為1m～2m。

2.2.2 拋投網格劃分

首先根據測量地形圖進行網格劃分，并進行統一編號，根據設計斷面確定網格中所需方量，換算成枕袋的數量；其次按照“先右幅后左幅、先深后淺、先下游后上游”的方式對袋體進行逐一編號。拋枕檔位圖如圖2所示。

圖2 拋枕檔位圖

2.2.3 吸砂船、拋枕船定位泊錨

拋枕船按照預先測放好的橫斷面定位線現場駐位，拋枕船船身平行于水流方向，采用“四錨法”固定，在船體船頭側及船尾側分別用兩根錨呈八字形斜拉固定。先在拋枕船船邊設置兩個定位點，做初步定位，然后吸砂船停靠，最后運砂船掛擋停靠吸砂船，采用GPS-RTK對鋪排船的兩個前后拋點進行精確定位，預留出漂移距，定好里程樁號。

根據運砂船、拋枕船、施工環境等多方面考慮各船只的數量（以長江二期整治工程七標段為例，運砂航程27km，空載航程8.5km，采砂時間6:30～18:00，本標段配備2艘拋枕船、2艘吸砂船、6艘運砂船、1艘采砂船）。

2.2.4 吹灌充填枕袋

六通吹灌閥是在輸砂總管兩側各加工三個鋼管接頭，每個鋼管接頭上安裝一個閘閥，每個閘閥各接出一個輸砂軟管接頭，首先啟動吸砂泵，水砂源源不斷地被送入枕袋中，當水砂被泵送入袋內后，水和少量細粒砂從袋內泄出，較粗的砂粒很快沉積袋內；其次枕袋充砂分2次完成，第一次充砂，充至枕袋體積80%時，暫停充砂，用人踩壓將袋體中水擠出，第二次進行補充，完成此枕袋的充填工作；最后第一次充砂采用2個袖口，排水通過袋體的空隙，當充砂至85%時，采用1個袖口，另一袖口當作排水口。枕袋充填如圖3a所示。

2.2.5 泌水拋投

首先，砂枕的充枕過程中，要做到“兩排一沖”，即砂袋裝好后，砂袋要兩次排水，第一次是人工排水，第二次是高壓水槍排水，其中高壓水槍的功率要足，沖走卸落板上殘留的砂子，以便于砂袋順利地沉入江內；其次，轉動翻板，利用高壓水槍的壓力，投放砂袋，順水流方向的袋體一側先入水，減少砂袋與水面的接觸面積。平板翻轉、高壓水槍沖射枕袋入水如圖3b所示。

圖3 部分現場施工圖片

3 結論

對填槽墊坡采用網格化法施工，與淺水、流態單一情況下充砂土工枕袋施工相比，深水條件下流速快、流態復雜情況下充砂土工枕袋施工難度大、安全風險高、成本投入大。長江馬鞍山河段二期整治工程（七標段）充砂土工枕袋通過網格化法充砂土工枕方法，極大程度地保證了施工質量、節約了施工成本和縮短了工期，取得了良好的經濟效益和社會效益。主要有以下效果：

①枕袋二次深化設計。滿足深水復雜水流條件，根據設計和現場深水復雜水流條件，優化聚丙烯編織布規格尺寸、加筋數量及孔隙率，兼顧強度及泌水性，滿足深水復雜水流條件，防止爆袋，提高工效；

②精確拋投，應用多波束測量儀掃描水下地形，合理劃分水下拋投區網格，運用GPS平面測量系統與船載RTK測量定位系統聯動，精確控制枕袋的落點，同時多波束跟蹤測量、對比分項，及時糾偏、補拋；

③快速充填、成型率高，采用自主發明的六通吹灌裝置，同時連通4臺泥漿泵和兩根輸漿管道，充填效率高，每11min/次充填4袋，約32m3。充填過程中合理調整水槍姿態，控制漿液含水量，提高施工用砂利用率。

本施工區域通過項目部自檢與建設單位多波束測量檢查，馬鞍山河段長江二期整治工程（七標段）中的小黃洲兩側的坑槽明顯減少，河道整治效果明顯，說明本文提出的方法適用于河槽、淺海灘涂海槽利用砂枕袋封堵施工。

本文未對充砂土工枕充盈系數、充砂時間、成型尺寸進行研究，而袋體的充砂量對袋體是否破損、項目成本、工期等都有一定的影響，后續將繼續對此項的研究。