青草沙水库深水段抛填砂袋筑堤关键技术研究与实践

刘汉中，吴彩娥

（上海勘测设计研究院，200434，上海)

一、工程区域概况

青草沙水库工程位于长江口南支下段南北港分流口水域，由长兴岛西侧和北侧的中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域组成，总面积66.15 km2，总库容 5.27 亿 m3，是上海市最大的饮用水水源地，供水规模719万m3/d,可解决上海市1000万人的供水问题。水库环库大堤由南堤、西堤、北堤、东堤及长兴岛海塘组成，总长48.5km，其中新建北堤、东堤长22 km，加高加固中央沙南堤、西堤长10.5km，加高加固长兴岛海塘长16km。

青草沙水库新建大堤深水段位于东堤范围。东堤起点与新建北堤连接，自东北小泓北侧水下沙体顺势下延约1.5 km后，横向穿越东北小泓涨潮沟深槽，终点与长兴岛现有海塘连接，全长3 030 m。东堤约有1 900 m堤线滩面高程为-5～-11 m，实质上属东北小泓深槽堵泓工程。同时，根据青草沙水库堤坝总体实施计划，龙口也选址在东堤深水段，东堤深水段堤坝的成功构筑成为青草沙水库建设至关重要的环节之一。

二、工程条件与特点分析

1.风浪、水流条件

根据资料统计分析，本地区多年平均风速差异不大，但季节性的变化较为明显，尤其是11月至来年的3月，偏北风发生频率较高，而4～10月则以东到偏南风为主，较大风速出现在偏北向。东堤处以海向风涌混合浪的偏东向(E～ESE)的波浪所控制，100年一遇高潮位与100年一遇波浪（设计风速）组合时，其概率为1%大波波高可达3.98 m。东北小泓涨潮沟深槽天然条件下大潮涨落急流速达2.0 m/s左右。

从风浪、水流条件分析，青草沙水库东堤段水深大、水流急、风浪大，全部工序均需依靠船舶，施工作业受风、潮、浪、流的影响大，可作业时间短，施工强度高，施工组织难度大。因东堤深槽段涨落潮流速较高，必须赶潮施工，且水深超出了目前常规充填袋装砂斜坡堤结构的适用范围，所以必须改变传统的筑堤方式。

2.工程地质条件

根据本工程详勘勘察报告显示，东堤深水段范围内围堤堤基浅表层为3-1粉性土混黏性土、3-2砂质粉土、3-2灰色粉砂、3-3灰色砂质粉土，厚度3.20～17.00 m，表部呈松散状，向下呈稍密状，中等透水性。中部为厚度较大的淤泥质黏土、1-1灰色黏土层，其中淤泥质黏土厚度5.70～16.00 m，呈流塑状，具高压缩性，土体强度低，属软弱土，承载力低，是堤基的主要压缩层；1-1灰色黏土厚度3.10～10.00 m，具高压缩性，也是主要压缩层，均对围堤沉降控制不利。

从工程地质条件分析，浅层粉土及粉砂层分布厚度变化明显，从东堤起点经深槽到终点，厚度自11 m至5.0 m再至17 m，随堤身结构高度的增加，上部浅层粉土层及粉砂层的厚度却逐渐减小，而淤泥层的厚度却有所增大，地基土的压缩性也逐渐增大，淤泥质黏土、1-1黏土主要压缩层的影响也逐渐突出，而且由于固结速度慢，使用期沉降量大，大堤选型时要注意大堤使用期对地基变形的适应性，并适当考虑采取地基处理措施减少后期沉降。土层的强度指标相当低，大堤的整体稳定问题尤其突出，特别是深槽段，由于覆盖层薄，若采用土石混合斜坡堤，需要较长的压载平台才能满足大堤整体稳定的要求。同时，东堤深水段河床浅层主要为厚度3.20～17.00 m的粉土、粉砂层，长江口表层及滩面的粉细砂层抗冲刷能力较差，在水流的作用下极易运动，在施工过程中沿堤流和堤头绕流可能将产生较大冲刷沟，危及建筑物自身的稳定和造成河势的不良变化，必须采取保滩护底措施。

3.水库堤坝受力特性

水库大堤作为水库工程的蓄水挡潮结构，青草沙水库建成后最高蓄水位为7.0 m，死水位为-1.5 m，堤坝外侧设计低潮位为-0.33 m（P=1%），设计高潮位为6.13 m（P=1%），最大水位差将近7.33 m。水库大堤承受内外双向水头作用，且外海潮位变化较大。深水段新建大堤堤基浅层为砂质粉土和粉砂地层，砂土渗透系数较大，抗渗透变形能力弱，是主要透水层；堤身采用库区浅层砂土吹填筑成，也易产生渗透变形破坏。因此，在库内外双向水头差作用下，水库堤坝的渗流和渗透稳定问题不可忽视，应采取相应的防渗措施。

4.龙口布置的影响

根据本工程总体布置，围堤主龙口设在东堤深槽段，龙口保护期宽800 m，底高程-3.00 m。龙口分两阶段实施，一阶段先施工至-3.00 m高程进行龙口保护度汛，二阶段进行龙口合龙，施工上部结构。龙口水流数学模型计算结果表明，随着龙口段的逐步抬高和缩小，流速将逐步增大，在不利工况下，龙口局部流速高达8.0 m/s以上。由于主龙口设在东堤，给东堤堤型的设计带来了诸多难题。

三、堤坝结构研究

1.堤坝结构选型

目前，浙江及福建沿海地区滩涂圈围工程的主要材料是开山石料，多为抛石筑堤；上海及江苏沿海地区的主要材料是砂料，多为采用土工布袋充填砂料成型堆砌筑堤。根据类似已建工程的成熟经验，从结构形式、材料强度、施工设备、施工工效和施工成本等综合分析，认为在水深约-5.0 m以上滩面采用常规的充填袋装砂斜坡式土石混合堤是比较经济合理的。目前充填袋装砂斜坡堤在长江口地区已得到广泛应用，并积累了不少成功经验，充填袋装砂的施工工艺也比较成熟。但是，在-5.0 m以下深水区域充灌砂袋的施工非常困难，存在充填管袋袋体飘移、破损、水下充砂难等问题，施工质量也难以保证。

在调研分析大量工程实例基础上，借鉴国内外围海造地工程及海港工程中的深港防波堤、深水码头等深水筑堤技术，对抛石棱体斜坡堤、沉箱直立墙混合斜坡堤、抛填砂袋双棱体斜坡堤等堤型进行了深入研究，经比选后深水段堤型推荐采用抛填砂袋双棱体斜坡堤形式。该堤型为常规充填袋装砂斜坡堤结构的技术改进，突破了深水区常规充填管袋筑堤工艺的局限性。其优势体现为：①将深水充灌砂袋改为船上甲板充灌砂袋，袋装砂自身固结好，抛填重量可控制，堤身后期沉降量较小，可直接构筑大堤基础。②大型翻板船充灌、抛填流水作业，分区填筑，可保证填筑面的均匀上升，且砂袋柔性较好，适用性强，地基受力均匀。③深水抛填袋装砂施工工序较少，船机种类较单一，施工组织难度一般，施工进度较易控制。其劣势主要是①袋装砂自身抗波浪水流作用能力较差，需设置抛石护坡护脚结构。②深水抛投袋装砂，定位与密实性控制难度较大。

2.堤坝结构断面

抛填砂袋双棱体斜坡堤，在深槽滩面高程-5.00 m以下堤身内外侧直接分层抛填小袋装砂形成2个抛填袋装砂棱体，然后在堤心部分水下吹填管袋，形成堵泓大堤弱透水堤身，在-5.0～-3.0 m高程设通长高强充填袋装砂覆盖，兼作防冲和过渡层，在内外侧跟进施工反滤层并及时进行抛石护坡施工以满足施工期大堤保护要求。-3.0 m以上采用常规充填袋装砂斜坡堤结构形式，即以充填袋装砂构筑内、外两侧棱体，棱体间吹砂形成大堤下部堤身，棱体平台以上土方采用充填袋装砂小棱体并吹填砂土逐步抬高到设计堤顶高程。

东堤堤顶设直立式防浪墙，墙顶高程9.20 m，堤顶设沥青混凝土路面，高程8.0 m，宽度9.5 m。内外坡坡比均为1∶3，外坡护面采用厚0.40 m钢筋混凝土栅栏板，内坡护面采用混凝土框格+厚0.35 m灌砌块石。堤身内外在2.0 m高程结合堤身处滩面高程和地质条件，通过堤身稳定计算设不同宽度的镇压平台。堤基宽度约200 m。

3.护底结构

根据数模计算成果，在施工过程中因水流速增加，库内外滩地冲刷严重。为保证施工期滩地稳定，东堤库内侧铺设长40～150m砂肋软体排进行保滩护底，砂肋软体排规格为Φ300@500 mm，基布为 230 g/m2机织布，肋布为200 g/m2机织布。库外侧根据各段冲刷情况设长度40～100 m混凝土铰链排护底，混凝土铰链排规格400×400×160 mm，基布为 500 g/m2机织布。同时，库内外堤前设宽5 m、厚1.5 m抛石护脚，抛石下设800 mm厚袋装碎石垫层压在反滤砂肋软体排上，以确保安全。

4.软弱地基处理

东堤天然地基属软弱地基，综合比较各种软弱地基处理方式的优缺点，针对本工程中围堤堤线长、地基处理范围广以及采用充填袋装砂斜坡堤结构型式的特点，根据上海地区类似工程的经验，推荐采用塑料排水带与堤身自重加载预压相结合的处理措施。水平排水体充分利用表层上覆的粉土、砂土层及堤身砂，竖向排水体采用长21～25 m塑料排水带，呈正三角形布置，间距1.4 m，塑料排水带设置范围确定在压载平台及堤心范围，以满足稳定沉降控制要求。

5.渗控措施

东堤深槽段为渗控特殊部位，该堤段堤身填筑荷载大，堤基土层中存在淤泥质黏土和黏性土，堤身堤基工后沉降大，对防渗墙结构稳定不利，墙体容易产生变形、拉裂而失去防渗作用；滩面高程-5.0 m以下采用散抛袋装砂填筑，堤身结构复杂，土层均匀性可能很差，而且上覆通长高强充填袋装砂，另外因度汛、龙口保护的需要，堤身有多层排体，且堤身下有一层厚度达1.4 m的龙口保护网兜抛石或预制块体水平夹层，仅在堤顶下约6～8 m范围对预制块体进行了拆除并置换成袋装砂。东堤承受一定水头后，尤其是库内高水位运行条件下，易形成连续贯穿性的渗漏通道。因此，东堤必须进行渗流控制设计。经方案比选，推荐采用双排三轴水泥搅拌桩加高压旋喷桩防渗墙方案，以确保防渗效果可靠。

四、抛填砂袋堤身设计和施工要点

深水段堤坝采用抛填砂袋双棱体斜坡堤结构的主要特点是下部抛填砂袋堤身和上部常规充填袋装砂斜坡堤的有机结合，因此抛填砂袋堤身设计和施工控制是技术关键，其要点在于抛填砂袋的袋布设计、施工期砂袋在波浪水流作用下的稳定性以及作为水库大堤堤身的密实性。

1.抛填砂袋袋布设计

砂袋的保砂性与袋体材料和所充填的砂质有关，在施工过程中，特别是位于变动回水区和直接迎浪面的袋体材料，由于受水流和波浪作用，砂粒将从袋体布内析出。根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》，土工织物保土性应以土工织物有效孔径（O95）与土的特征粒径之间关系表征，对于静载荷和单向渗流条件下，其有效孔径应符合O95不大于d85；对有动力作用和往复水流的情况不论保护何种土类材料，其有效孔径应符合 O95不大于 0.5d85；d85为被保护土的特征粒径即土中小于该粒径的土质量占总质量的85%。

为保证抛填砂袋施工充填效率，应保证渗透水通畅且不被细土粒淤堵，则抛填砂袋的袋布材料还应兼顾透水性和防堵性。防堵性要求对于被保护土级配良好、水力梯度低、流态稳定、修理费用小及不发生淤堵时，其孔径应符合O95不小于3d15；透水性要求袋布材料渗透系数为充填砂的渗透系数的1～10倍。

抛填砂袋材料强度与抛投水深、水流强度、袋体体积形状、充填砂砂质以及充盈度有关。砂袋布强度是重要指标，包括拉伸强度、撕裂强度、握持强度、顶破强度、胀破强度、材料与土相互作用的摩擦强度等力学性能指标和抗老化性、抗化学腐蚀性等耐久性能指标，砂袋布各种强度指标目前还难以理论计算确定，主要通过大量的工程调研和现场试验确定。

根据长江口地区多年工程实践经验，并通过大量的现场试验来确定抛填袋装砂袋体的材料。先期选用了800 g/m2的机织布、500 g/m2的机织布、260 g/m2的机织布进行试验。试验结果表明，前两种材料的泌水性能不如后者，在充灌砂的过程中，饱满度达不到设计要求，充灌效率也很低。后期又选用了410 g/m2的复合布和260 g/m2的机织布进行试验比较，前者布体的强度能符合要求，且透水性较好，对于减少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用，但相对来讲成本较高，而260 g/m2的机织布通过砂袋制作时增加排水袖口的措施，可弥补透水性较差的缺点，最终选用了260 g/m2的机织布。实践证明该布体的强度和透水性均能满足施工和使用要求，充灌效率较高。

2.抛填砂袋尺度设计

抛填砂袋尺度应根据各种施工设备的特点采用不同尺寸大小、不同加工方法的砂袋，充分发挥各种设备的功用和施工效率，并最大限度地减少破损率和降低成本。

影响和决定袋体形状的因素主要是施工工艺。翻板跟网络抛袋袋体的形状采用方形；溜槽抛袋，袋体的形状采用长条形。袋体的大小取决于船机设备的有关性能。翻板抛袋应考虑翻板的宽度、工作面的最大利用率、施工效率及翻板安全工作下的极限允许承载力等因素；网络抛袋应考虑吊机的起重能力及平板驳工作面的大小等因素；溜槽抛袋应考虑溜槽的孔径大小等因素。砂袋单层最大厚度主要受砂袋布强度限制，过厚不利于设计断面形状的形成，过薄砂袋布用料多，将不经济。

综合考虑以上因素，并结合实际情况，在青草沙水库工程中主要采用翻板抛袋船施工抛填袋，通过现场实施试验，推荐采用4 m×6 m和6 m×8 m两种规格的抛填砂袋，每层砂袋厚度以0.6～0.8m为宜。充盈度应控制在60%～70%左右，有利于控制砂袋密实性。

3.抛填砂袋施工期稳定性

通常由于存在袋内砂体在波浪作用下单向搬移的不利因素，单层砂袋的临界稳定波高一般在1.5 m以下。根据河海大学的深水航道整治工程物理模型试验成果，在袋装砂顶部覆盖了两层大砂袋，并对顶部两层砂袋作隔仓处理，其临界稳定波高可提高至2.8 m。因此，本工程在-5.0～-3.0 m高程设通长高强充填袋装砂覆盖，兼作防冲和过渡层，以满足施工期稳定性要求。本工程范围水深较大，为防止抛填时袋装砂破裂和增加抛填砂袋施工期稳定性和密实性，要求抛投时上下两层砂袋按品字形排列，交叉重叠，并注意水流对其的影响，以大大提高砂袋的抗滑稳定性。

考虑到龙口设置在深水段，-3.0 m高程需要度汛，且在围堤抬高过程中深水段大堤范围的水流速将进一步加大，受水流冲刷强烈，大尺度管袋既需要有一定的强度又要有较好的保砂性能，因此袋布采用410 g/m2高强复合土工布，内层为加强保砂性能采用150 g/m2无纺土工布，外层为抗冲刷采用260 g/m2机织土工布。

4.抛填砂袋施工期密实性控制

抛填砂袋堤身的密实性直接决定工程质量和安全，必须加强施工期密实性控制。根据以往的施工经验、结合砂源情况等，选择以抛填效率最高的大型翻板船侧翻抛袋为主要施工方式，日最大抛填量可达2 000 m3左右。施工中采用船载GPS和专用定位软件进行定位，抛填精度较高。

抛袋时砂袋入水后会产生一定距离的漂移，从而影响水下堤身实际成型效果。施工时采用在砂袋上系浮漂的方法进行砂袋漂移试验，测出相同水深条件下各种规格的砂袋在涨急、落急情况下的大致漂移距离，依据测定结果对抛袋的施工参数进行相应调整。并通过检测浮漂位置和潜摸的方法检测实际抛放位置和抛放质量，及时对堤身断面进行测量，掌握水下袋装砂堤心断面成型情况，以指导现场施工，决定是否需要补抛，何处需要补抛，确保水下堤身成型质量。

抛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对东堤深槽段局部已抛的水下砂袋体进行了试验性检测，基本查清了布置测线下方抛填砂袋体的平整度、厚度及搭接情况，共发现17万m2范围抛填砂袋体内部空洞或搭接异常部位42处，探测结果表明抛填砂袋内部的搭接情况整体上反映良好。