冰上石笼沉排施工在工程中的应用

郭海

（水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021）

1 冰上石笼沉排工程的试验研究

松辽流域冬季漫长寒冷，夏季温湿多雨，这种气候特点，决定了东北地区水利工程的施工期非常短，同时不少大江大河的险工段长年处于水位变化区域，常规的防护方式无法满足大规模河道治理的需要。

1991—1994年，松辽水利委员会科研所、吉林省松原市水利水产局、吉林省扶余县水利局在松花江扶余段进行了《深水冰上大面积土工织物沉排技术研究》获得了成功。研究立足于险工河段的治理，以现场工程试验和观测为主，结合理论分析，科学地提出了该技术的设计方法和施工工艺，为江河的护岸增添了一项新技术。

项目针对传统江河护岸方法中存在的问题和大量险工护岸的需要，利用北方河流冬季结冰的特点，以现场工程试验和观测为主，结合理论分析，研究出质量好、技术先进、造价低、施工快的护岸新技术。主要研究排体结构、铺排和可靠的沉放技术。 冰上大面积和深水沉排，对排体结构的特殊要求是其具有良好的整体性和柔性。设计中采用了土工织物铺底层，上加压载并相互连结的基本结构，解决了反滤、防冲和排体稳定问题。压载根据工程要求采用厚0.30 m的方形铁丝石笼和石笼网格加土袋。冰上沉排的最大优点是顺岸单块排宽可以很大，对护岸的整体稳定性和加快施工速度很有利。研究采用的单块排宽最大600 m，最小300 m，相应单块排体面积12000 m2和6000 m2。对沉排的剪力和稳定性进行了分析，确认足够安全。 软排施工经严密组织，充分准备，采取了分段快速铺排、加强冰层温度和排体变形监测、均匀破冰、一定强迫整体沉放等技术措施，保证了大面积排体在水深13.4 m，流速1.2 m/s条件下，达到基础均匀和顺利下沉就位的目标。成果已在4处险工护岸中推广应用，总护岸长度3485 m，经过3年和4年运行，排体稳定，护岸效果良好，与原设计多柳枝压石和抛石护岸分别节省工程费25.7%和47.2%。成果经1994年鉴定后，分别在松花江、第二松花江和辽河沿岸地区广泛推广应用，取得显著的经济社会效益。松花江干流有近百处险段，严重威胁着人民群众的生命财产和安全。因此，该项成果的应用前景广阔。

2 冰上石笼沉排的应用情况

1998年松花江特大洪水发生后,哈尔滨市水利规划设计研究院在“松干堤防应急渡汛防洪工程”设计引进了软体沉排新技术,应用在护岸工程上。其中，木兰县松干堤防护岸总长1000 m，软体排面积20000 m2，双城市松干堤防护岸总长2150 m,软体排面积56000 m2；黑龙江农垦勘测设计研究院设计的黑龙江干流勤得利十三队卧牛口护岸工程、乌苏里江八五九东安护岸工程，两处护岸沉排面积共80100 m2，分别于1999年和2004年完成，到2014年底，所调查沉排工程运行状态良好。

2002年，松辽委嫩江右岸省界堤防工程建设管理局负责建设的嫩江右岸省界工程中，在嫩江右岸省界堤防工程的白沙滩险工护岸设计中，采用软体沉排铅丝石笼网格、沙袋压载的设计方案进行险工治理。该段险工长3.3 km，沉排横向长15 m，沉排面积为49500 m2。工程2003年3月完工，经过1年运行，由于嫩江水位变化较大，压载的沙袋在枯水期暴露在水上，使沙袋老化破裂严重，砂土被水冲刷流失。经过专家论证，在枯水位区域内，使用石块进行压载处理。此后经过10年的运行，工程未出现任何河岸崩塌，尤其是2013年嫩江大水后，该险工护岸工程完好。2008年，在嫩江右岸省界堤防工程马蹄子险工护岸工程和半拉山泵站进水口护底工程，黑龙江省水利水电设计院，提出了格栅石笼软体沉排的方案进行该段险工治理和灌溉站进水口底部防护，两项工程2009年完工。经过4年的运行，防护效果显著，尤其是经过2013年嫩江大洪水的考验，工程运行良好。

近年来，随着石笼沉排技术完善和外包材料的发展，这种冬季冰上石笼沉排新工艺、新技术，在松辽流域的河道险工治理和国境界河国土防护工程上得到了广泛的应用。延长了东北地区水利工程建设的施工期，满足了大规模水利工程建设的需要。实践证明，这种方法在近年来完成的护岸工程中防护效果比较好，并且在结构上更适用于东北独有的冻胀变形特点，适用于东北冬季施工。

3 石笼沉排工程设计要点

险工护岸工程结构由护坡段、固脚及其以下设护脚段。石笼沉排是河道险工护岸的组成部分，一般以河流多年枯水位为界，枯水位以下使用石笼沉排护脚形式，其上部用干砌块石、混凝土砌块等常规护砌形式。冰上石笼沉排由沉排固脚、排体组成。固脚体一般设计为钢筋石笼、干砌块石或混凝土结构；排体结构是由反滤布、沉排压载体组成。工程设计时，首先应进行河道险工位置地形图、纵、横断面图，造床流量及相应的流速，冬季冰层厚度，多年平均枯水位及土质类别等资料的收集，以便确定排体结构尺寸。

3.1 沉排固脚体设计

固脚为担负沉排排体稳定的锚固体，同时也是上部护岸结构物的底脚，为此，在设计固脚的结构时要能够同时保证上下两部分结构的稳定，又要考虑施工条件、工期要求等因素确定。

混凝土固脚为刚性结构，对地基要求较高。由于固脚建基位置为多年平均枯水位附近，高程较低，基础处理较为困难，在软弱地基上浇筑固脚混凝土，运行期因基础沉陷或冻胀变形将会产生断裂、倾倒等现象。工程建设期正遇丰水年，秋季江河水位较高，混凝土难于施工，入冬后水位下降，东北气温又不允许混凝土施工，造成工期延误。

钢筋石笼固脚、干砌石固脚对地基要求相对较低，较小的变形不会影响固脚的稳定性，施工期不受季节限制，负温条件下可正常施工，工程工期有保证。

钢筋石笼固脚一般由直径12 mm钢筋焊接笼体骨架，内衬铅丝（或格栅）网片、无纺布组成，笼内人工砌装满块石后封盖并焊牢，同时两侧填土夯实。

钢筋石笼固脚断面尺寸，一般宽100 cm左右，高120～150 cm能够满足工程稳定要求。不同的地形、水深及上部护坡高度，其固脚尺寸亦不相同，应根据实际情况而设定。

3.2 排体的设计

软体排具有良好的柔韧性,适应水下河床表面形状和变化,紧贴其上；软体排因其连结方式具有良好的连续性和整体性，并有足够的强度,因此能够发挥整体效应。软体排的物理学性质满足工程要求,底布具有良好的反滤、防冲作用,有较高的抗拉强度,在水下又不易老化，使用年限耐久。

冬季冰上软体沉排是在冰上制排。经破冰沉放后，体排覆盖可能冲刷的部位,使其河床稳定。它由土工织物垫(或称底布、各底布由足够强度的尼龙绳连接成一整体)加筋带，铅丝石笼压载等组成。

排体的底布要求有足够的强度，不仅能够满足沉放过程因排体沉降速度不均匀产生的拉力，而且要保证水下地形起伏变化产生的拉力下不被破坏，保持排体在沉放过程和运行期的完整性。因此要经计算和试验确定，以保证土工织物的经向和纬向满足设计强度。在排体运行过程中,需要具有反滤功能。所以，在选择排布时要根据河床土质颗粒组成，设计土工织物的等效孔径。

一般选用400 g/m2的编织土工物做排布，根据压载重量大小也可用400～600 g/m2的无纺布做排布，造价低且适应性强。

排体伸入河底长度，即排长。一般说来排尾伸到护脚断面的最低点，由于水流侧蝕作用受到了限制，护脚处河床必然冲深加大，护脚尺寸，应满足河床冲至最低高程时护脚坡度仍能维持稳定，也就是说，设计排体长度时，要通过计算确定护脚后的冲刷深度，在河床受冲刷后，排体仍能有效地保护岸坡。

3.3 沉排压载设计

铅丝石笼沉排护脚是用铅丝编制成网格的笼状物体，内砌块石，网格大小以不漏填充的石块为限。铅丝一般采用8号铅丝编制成网格，并按（0.3～0.5）m×（0.3～0.5）m 的间距布置好对拉铅丝，将上下网片与砌体绑紧，以增加石笼的整体性。

随着新材料的发展，使用高强的土工格栅、加筋格宾网、格宾网、格宾笼、铅丝笼、雷诺护垫等作为外包材料发展趋势很快，极大地推动了沉排工程的使用范围和规模。

确定石笼沉排厚度时应考虑两个因素。1）排体运行期受水流作用或风浪作用能过满足稳定要求；2）根据施工期冰层厚度，压载体重量应满足排体沉放要求。在满足工程运行安全的情况下，如果施工期冰层过厚，压载厚度相应增加；否则，排体难于按设计位置沉下，发生排体随冰排漂移现象。而施工期冰层较薄，排体设计过厚，冰层承载力不足，则易造成施工安全问题。

多年来，东北地区排体压载厚度一般为0.3～0.5 m。嫩江下游、第二松花江及其以南地区取小值，黑龙江干流及嫩江上游、松花江下游取大值。

4 冰上石笼沉排工程施工

冰上石笼沉排工程施工完全是在冰上作业，冰层厚度和当地负气温是冰上作业的必要条件。石笼厚40 cm以内沉排，冰层初期厚度不小于60 cm，施工期最高气温不高于-5℃；石笼厚度大于50 cm沉排，冰层初期厚度不小于70 cm。辽河流域仅在1月份具备施工条件；松花江流域冰上沉排施工期一般在12月中下旬至2月中下旬；黑龙江流域和松花江流域北部最迟工期应控制在3月10日之前。

软体沉排工程主要用于河道或堤防迎水坡脚险工护岸工程。一般以冬季枯水位高程位置设置固脚，固脚以下设置石笼沉排，固脚以上采取砌石或混凝土护坡（岸）。沉排施工包括固脚和冰上沉排两部分施工。

4.1 施工准备

4.1.1 水下地形测量与补填

根据设计和施工要求，按照设计图纸和现场提供的施工测量坐标对施工现场进行测量放线，并作出平面图和断面图。如发现陡坎在冰上做好浮标记号以便于施工。软体沉排虽能够适应地形变化，但对于较陡地形，沉排沉放后对固脚下脱力较大，影响固脚稳定，对工程安全不利。为此，对于水下陡于设计坡比的地形，要进行土方或抛沙（土）袋回填，调整排下水下地形坡度。

4.1.2 施工材料准备

1）排布。 根据设计排体结构准备排布，一般排布采用双层布，上层以反滤为主，下层用编织布增加排体强度，使排体具有整体性；也可用加厚的单层无纺布，可起到双重作用。白沙滩护岸工程沉排使用双层排布，上层采用针刺涤纶短丝无纺布，单位质量不小于150 g/m2，纵横向抗拉强度不小于225 N/5 cm，渗透系数不小于1×10-3cm/s，等效孔径不大于0.17 mm。延伸率不小于25%，撕裂强度不小于120 N，CBR顶破强度不小于600 N。下层采用涤纶机织长丝土工布，单位质量不小于160 g/m2，纵向抗拉强度不小于2000 N/5 cm，横向抗拉强度不小于1500 N/5 cm渗透系数不小于1×10-2～1×10-3cm/s，等效孔径不大于 0.12 mm。延伸率不小于25%，CBR顶破强度不小于4000 N。马蹄护岸工程沉排使用单位质量为600 g/m2土工布，同样收到良好效果。

2）铁线。 采用工地常用的8号铁线，抗拉强度T不小于380 N/mm2，伸展率12%，锌层量 30 g/m2。材料进场后存放在铅丝笼预制厂。

3）毛石。毛石根据施工现场实际施工情况从附近采购。采购的标准按照毛石的抗压强度T不小于30 MPa，石笼内块石粒径大于20 cm应占85%。材料进场后存放在施工区堆放。

4.1.3 固脚钢筋和铅丝笼网片加工

冰上石笼沉排固脚一般设计为钢筋骨架石笼形式，并用粗钢筋加以锚固，保证沉排沉放和运行时稳定。白沙滩险工护岸和马蹄护岸沉排石笼固脚均用Φ12钢筋做骨架，白沙滩险工护岸沉排石笼固脚设置了2 m长Φ28的铁桩锚固。 按照设计和施工要求人工编制铅丝网片，采用8号镀锌铁线编制，铅丝网格尺寸为13 cm×13 cm棱形，节点不小于两扣。铅丝石笼断面铁线不少于20根，铅丝石笼断面铁线间距8～10 cm。铅丝笼网片预制宽度和长度根据设计石笼断面、排长确定。编制好的网片卷好待用。

4.2 施工方法

4.2.1 锚固槽开挖及坡面处理

锚固槽开挖采用人工挖槽或机械开挖人工修槽的方法进行，无论使用何种开挖方法，锚固槽底部达到设计高程后必须密实无松土，槽宽与设计石笼同宽，保证固脚稳定。 排布定点厂家进行制作或批量进料现场缝合，顺水流方向可连续缝合，或根据设计分成单块排体；垂直水流方向长度要大于设计排长1 m，用以包裹排尾，保证排体沉放时整体稳定。两层排布之间采用间距2.0 m×2.0 m结点带子缝合成整体，结点带子后期与铅丝石笼绑扎在一起。排布在现场采用尼龙线缝合方法连接。现场缝合宜用手提式缝合机。缝合强度不宜低于母体强度80%。排布垂直水流方向铺设，沿垂直水流方向缝合，缝接方式采用折叠缝。对接长度30 cm。

4.2.2 锚固槽铅丝笼砌石

采用装载机装5 t翻斗车到运石料到装笼现场，按照设计和施工规范要求人工填砌石笼，毛石粒径不小于15 cm，孔隙可用小块石填充，石笼空隙率不大于20%。待石笼石料填充完成后，用8号铁线将铅丝石笼两端连接使之形成完整的石笼，上部骨架筋焊接牢固。待石笼石料填充完成后，用8号铁线将铅丝石笼两端连接使之形成完整的石笼。两条单条石笼间用8号铁线间隔2 m连在一起，保持沉排整体性。

4.2.3 沉排沉放

铺排、沉排均在冰上一次完成，排体应连成整体和具有一定的柔性。排的前端和两侧应加重边载。施工时间不宜过长，在石笼压载的情况下，冻结期施工时的冰厚以不小于60 cm为宜，施工时间以控制在20 d左右为宜。软体排沉放前，排首应牢固地锚固在岸坡上，以防排体沉放时滑入水中。冰上沉排深水位置宜采取强迫沉排方法，特别是在深水中和单块排体面积很大的情况下，以控制排体能均匀下沉，加快沉排速度。

4.3 施工质量保证措施

1）严格控制毛石的质量。毛石石质要坚硬，抗压强度不小于30 MPa的块石。

2）铅丝网编制应满足设计和规范要求，编制过程中，经常检查网眼尺寸及铅丝网尺寸。若出现与设计不符情况下，及时返工。

3）石笼砌筑过程中检查砌石质量，保证平整石面放置在下层，以防止土工布破损，还要保证外露各面尽量平整，毛石粒径大于20 cm应占85%。

4）在进行软体沉排施工时，选派有经验的工程技术人员在现场进行监督和指导，应密切配合监理工程师的工作，及时报告施工检查中发现的问题，并及时提供自检的资料。

5）每一段软体沉排施工完毕后，按监理工程师要求和规定及时报请监理工程师进行检查验收，检查后认为质量不合格，及时按监理工程师的指示及时返工至合格为止。

6）当软体沉排工程完工后，按监理工程师的要求测量水下断面并负责编制包括分布工程验收、竣工图及资料。

7）贯彻执行质量“三检制”，对质量进行检查、监督、验收，严格控制各道工序施工质量，做到“三不放过”，确保工程施工质量优良。

5 结论与建议

通过松辽流域水利工程建设实践，冬季冰上石笼沉排工程效果良好，施工方法简单易行，在松辽流域内得到了广泛应用，而且有效延长了东北地区工程的施工期，加快了工程建设进度。

建议在《水利建筑工程概（预）算定额》中，增补冬季冰上石笼沉排定额，可以有效地适应寒冷地区水利工程建设和市场经济体制的需要，合理确定和有效控制水利工程基本建设投资，提高投资效益。