管袋充砂围堰设计与施工技术研究

徐东海

摘要：文章以龙湾二期工程的中心大闸为代表，通过对海上围垦工程中水闸围堰工程深入分析，对常用土石围堰结构及材料实施了优化设计，利用充砂袋为主结构，实现软土基础上建筑最大限度均载，提高加荷速率，加速闭气体固结等技术优势，满足了基础稳定，缩短了临设工程（围堰）施工时间，补充了围堰内主体工程工期不足，保障了工程主体项目节点时间实现，且节省了该单项工程成本，为类似工程建设具有较好的借鉴意义。

关键词：龙湾二期工程；围涂工程；软基；管袋充砂围堰；围堰设计；施工技术 文献标识码：A

中图分类号：TV871 文章编号：1009-2374（2015）21-0126-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.063

1 工程概况

温州龙湾二期围涂工程位于浙东南的瓯江口南侧的东海岸，东临大海，南至瑞安市交界线，西接丁山一期围垦、天城围垦、永兴围垦、海滨围垦，北与温州浅滩工程隔江相望。围区总面积3.445万亩，为Ⅲ等工程。主要由海堤和水闸组成。工程概算总投资约194369万元，计划施工总工期48个月，其中第一阶段为27个月。海堤、水闸等主要建筑物级别为3级，设计防潮标准为50年一遇。围堰等临时建筑物级别为5级，设计防潮标准为非汛期5年一遇标准。根据现场施工交通条件和建筑材料供应条件，经综合研究，中心大闸围堰结构采用充砂管袋外加大块石压脚及灌砌石防护的结构形式，并取得了较好的经济和社会效益。

1.1 水文、气象

本工程地处浙江省东南沿海，属亚热带季风气候区，气候温和湿润，四季分明，雨量丰沛，光照充足。据统计，温州气象站气温年平均气温17.9℃，其中7月最高为32.1℃，一月最低，为4.6℃。

1.2 潮汐特征

本工程附近海区的潮汐，属正规半日潮。存在明显的高潮不等和低潮不等现象，春分至秋分间夜潮高于日潮，秋分至翌年春分间反之。其潮位设计成果见表1：

1.3 工程地质

中心大闸工程地质条件根据勘探孔揭露，闸址土层结构分布如下：

滩涂表部流泥层，厚约0.10～0.50m，含水量高，孔隙比大，性质极差。

Ⅲ0层淤泥质粉质黏土：浅灰黄～灰色，饱和，流塑，高压缩性。含有机质和细小白色贝壳碎片，夹粉土或粉砂。所夹粉砂或粉土含量分布不均，一般呈薄层状或团块。该层厚度一般为1.20～4.30m。物理力学指标：W=（43.1～61.6）%，ρ=（1.64～1.92）g/cm3，Es=（1.66～3.55）MPa，快剪：C=（3.6～6.3）kPa，φ=（3.3～9.8）°，W=（25.6～44.8）%，ρ=（1.74～1.99）g/cm3。

Ⅲ2层淤泥：青灰色，饱和，流塑，高压缩性。局部含少量白色贝壳碎片，上部夹少量薄层状粉砂、粉土。该层分布稳定，顶板高程-4.30～-11.40m。物理力学指标：W=（52.5～63.6）%，ρ=（1.60～1.72）g/cm?，Es=（1.68～2.19）MPa，快剪：C=（6.2～11.7）kPa，φ=（4.6～6.3）°，固快：C=（8.9～11.6）kPa，φ=（12.7～17.7）°。

2 围堰设计指标

2.1 围堰高程确定

中心大闸围堰为临时性建筑物，建筑物级别为5级，围堰挡潮标准采用5年一遇非汛期最高潮位。工程处于北部区，设计潮位为：3.89m。根据《浙江省海塘工程技术规定》，外围堰堰顶高程：设计潮位+浪高+安全超高，设计潮位为3.89m，浪高为1.8m，安全超高为0.5m。堰顶高程取：6.2m。内围堰位于海堤保护范围内围区侧，受风浪冲击较小，堰顶高程：设计潮位+安全超高，取4.4m。为减少外海侧围堰工程量，外海侧围堰采用5.0高程管袋+1.2混凝土防浪墙结构。

2.2 围堰基础处理

围堰基础处理采用塑料排水插板法进行排水固结，排水板设计深度为10m。

2.3 围堰结构设计

2.3.1 围堰轴线确定。根据水闸设计方案，中心大闸桩基处理范围中心大闸桩基处理范围79.6m×88m。由于闸基开挖深度仅为0.5m，开挖稳定边坡按1：6考虑，围堰（基坑侧）坡脚至桩基处理范围外边线的安全距离为12m（局部为5.0m）。从而中心大闸围堰总长515m。

2.3.2 围堰断面设计。外围堰堤顶考虑通车要求，堤顶铺填50cm厚泥结石路面，堤顶宽度6.0m。

围堰结构主体为：3层通长袋吹砂，至堰体镇压层高程，加上部袋装砂棱体，外海侧在▽1.5m高程设宽18m的镇压平台，镇压平台与堰顶之间用1∶1.5的斜坡连接；基坑侧在▽1.0高程设宽11.6m的镇压平台，镇压平台至涂面1：2放坡，与堰顶之间用1∶1的斜坡连接。

2.3.3 堰体与海堤交接设计。考虑到水闸和海堤（堤闸连接段）的过渡与稳定，在围堰施工前，对围堰与海堤交接处的基础采用了插板处理。为此，在围堰吹砂管袋施工前，对此交接处开挖一10m宽的截水槽（碎石清除干净，开挖至原涂面以下），并采用止水砂袋截断透水通道，后在其上铺设吹砂通长袋。

2.3.4 堰体材料选择。堰体管袋采用200g无纺土工布缝制，缝制时，袋体的所有接缝均采用包缝法进行缝制，采用35支三股棉线，强度大于150N/m，每条接缝缝制不少于三道（先缝一道，折叠后再缝两道）。缝制后的袋体拼缝部位强度不低于原织物强度的70%。拼缝设置在与上下层袋体的叠合部位，尽量避免通条出现在袋体两侧，确保袋体的接缝强度。

3 围堰安全性分析

3.1 沉降计算

软土地基沉降计算包括以下内容：瞬时沉降Sd；次固结沉降Ss；主固结沉降Sc；总沉降S∞。

瞬时沉降是在荷载实施后立即发生的那部分沉降量，它是由剪切变形引起的。主固结沉降指的是那部分主要由于主固结而引起的沉降量，在主固结过程中，沉降速率是由水从孔隙中排出的速率所控制的。次固结沉降是土骨架在持续荷载下发生蠕变所引起的。总沉降量为上述沉降量之和，表达式为：endprint

S∞=Sd+Sc+Ss

由于在计算过程中瞬时沉降和次固结沉降较难通过理论计算，所以总沉降量简化通过经验系数法进行计算。即通过计算主固结沉降，再用沉降计算经验系数修正，如下式：

S∞=msSc=ms

式中：S∞——总沉降量；ms——沉降系数，一般ms=1.3～1.6，根据本工程地质条件ms取1.4；Sc——主固结沉降。

计算参数：沉降计算时采用平均低潮位作为计算水位，平均低潮位以下取浮容重，平均低潮位以上取湿容重；计算深度算至附加应力为0.1倍自重应力处；e-p曲线采用地质勘察报告提供的平均e-p曲线（垂直）。

计算结果：采用上述计算方法及计算参数，计算围堰工后沉降约1.45m，在施工期应充分考虑沉降对围堰结构的影响。

3.2 渗流稳定计算

围堰基础渗流稳定破坏主要为“流土”破坏，其计算公式为：S=∑kγwh/γ；式中k——安全系数取1.2；——土容重（kN/m?），水下取浮容重，水上取湿容重；w——水容重（kN/m?）；S——土层厚度（m）；h——水头差（m）。

外海侧取50年一遇设计高潮位，经计算，实际围堰底宽土层宽度大于计算要求土层宽度，满足防渗流土要求。

3.3 围堰稳定分析

计算方法及允许最小稳定安全系数。

根据《浙江省海塘工程技术规定》，围堰整体稳定采用瑞典条分法，最小安全系数Kmin完建期按正常运行条件考虑控制在1.05左右。其计算公式如下：

K=；式中：K——抗滑安全系数；Wi——土条的滑弧长、重量（kN）；Li——土条的滑弧长（m）；Ci——土条滑动面上的凝聚力（kPa）；i——土条滑动面上的内摩擦角（度）；αi——滑动面中点的切线与水平线的夹角（度）；T——土工织物设计强度（kN）。

物理力学参数。围堰填筑体物理力学参数如下：

砂：重度17.5kN/m3，饱和重度21.0kN/m3；c=0kPa，=37.5°。T=35kN/m。

地基土层物理力学指标见表2：

稳定计算成果：根据本工程水闸围堰的地基土层变化情况，本阶段对各水闸围堰典型断面在其相应地质条件下的整体稳定情况进行分析计算，计算采用理正岩土工程软件进行。经计算分析，围堰最小安全系数kmin满足规范要求。

4 主要施工工艺及施工方法

4.1 施工程序

围堰施工程序为：施工准备→清理堤基→外海侧底层铺通长管袋吹填→内海侧铺通长管袋吹填（外海侧打排水板）→铺通长袋吹填砂（分层至镇压层高程）→外围堰镇压层抛石→袋装砂棱体（分层至顶，并留出龙口）→护面保护→合拢→龙口段的护面保护→堤顶路面及防浪墙。

围堰施工前，水闸南北两侧海堤堤基排水插板各推进进尺100m以上，避免堤基排水插板施工和围堰施工相互干扰。待通长袋施工后，围堰南北两侧海堤抛石跟上，以利于尽快形成转运平台，为水闸工程施工提供相应场地。

4.2 施工方法

管袋缝制：袋体规格按设计要求在现场加工，袋体制作长度以围堰断面宽度为准，袋体制作宽度为20m左右。同时，根据第一个试充填情况，适当调整袋体制作宽度，使一个袋体充填在一个潮水内完成。袋体上层纵向和横向每隔5m设置一个充填孔，充填孔缝制成“袖口”，便于充填砂。露滩部位的充填袋体的“袖口”长度宜为300～500mm。缝制时，袋体的所有接缝均采用包缝法进行缝制，采用35支三股棉线，强度大于150N/m，每条接缝缝制不少于三道。缝制后的袋体拼缝部位强度不低于原织物强度的70%。拼缝设置在与上下层袋体的叠合部位，尽量避免通条出现在袋体两侧，确保袋体的接缝强度。缝制好后，折叠成形，堆放于阴凉干燥处，并注明袋体的尺寸、充填位置和序号。

充砂：砂库布置：在围堰北侧主堤外海部位设一50m×70m的砂库，供砂船搁浅后将砂卸至砂库内。

管线铺设：低潮时段将6台吹砂泵放到砂库内，通过Φ150mm的输砂软管将充填料吹入袋体“袖口”。

袋体铺设：在高潮时，用机动舢板船将袋体运到充填砂部位，待潮水落至约0.3～0.5m水深时，根据测量放样的围堰中心线、边线位置将袋体铺平展开，并用锚坠将袋体四周固定，防止袋体移位。然后，开机充填砂袋。

充填：将Φ150mm的输砂软管口与“袖口”连接。启动水泵，用高压水枪造浆。启动泥浆泵充填砂袋，根据充填厚度及时移动输砂管口至各个充砂“袖口”充填砂袋。充填砂袋时，首先沿长边方向进行充填，避免应力集中损坏袋体，并在充填过程中经常调整输砂管口方向，防止袋体在充填过程中受力不均而移位、变形，待袋体固定并不再发生位移时，再次充填，直至达到理想的饱满度。在充填过程中，袋体顶面输砂安排人工来回踩踏，当砂袋充填到一定的饱满度后，用木棍敲打砂袋，使土颗粒重新排列趋于紧密，加快袋体排水固结速度，待整个砂袋达到屏浆阶段，适当减少充填砂袋机械或停止充填，防布袋爆裂，留有一定固结脱水时间。

充填质量检查：在充填砂袋排水沉淀完成后，检查充填质量，对不合格处补充，直至满足设计和规范要求。

吹填砂施工与充泥管袋交叉施工，相互形成依托。在围堰两侧充泥管袋砂棱体形成后，即可进行吹填施工。采用采砂船将砂装入泥驳运至施工现场，采用趸船直接进行吹填。

5 围堰施工特点及难点

本围堰施工具有以下几个特点和难点，具体采取措施如下：

涂面较高：基础处理难度较大，无论采用水上船只作业还是候潮露滩作业，有效作业时间均较短。结合本工程实际情况，围堰基础处理采用候潮露滩作业。

基础差：工程地基为淤泥质软土地基，且软土厚度较厚。在实际施工中严格控制加荷速率，防止围堰失稳。

受风、浪、潮影响大，本工程属于候潮施工项目，不同于陆上作业，施工组织难度较大，堰体容易被水冲毁。在施工过程中外海侧围堰充填后防护跟进及时，确保了施工过程安全。

受台风影响大：本工程地处浙江沿海，围堰施工中需至少经历一个台风期。在施工和使用过程中采取了在外海侧防护块石理砌的基础上做了混凝土灌注，内海侧做了抛石石渣防护。

防渗要求较高：管袋充砂围堰在管袋与基础之间；管袋与管袋层间、接头间；管袋围堰与构筑物（主堤）间易形成渗漏通道，在本工程中采取以下措施给予解决。（1）做好建基面清理与平整工作，管袋铺筑前将基面上的块石、垃圾等清理干净，保证基面尽量平整。然后垂直轴线方向铺三层通长管袋，层与层之间管袋错开，防止堰体与基础之间渗漏。（2）管袋充盈系数控制在80%左右，接头层间错开，以便充砂结构在重力作用下自密实。确保层间防渗。（3）与构筑物（主堤）结合范围内，挖10m宽截水沟，开挖时沟内碎石、杂物清理干净，然后延轴线方向铺三层通长管袋，并做好与内外围堰接头处理，确保主堤与构筑物之间防渗。

防渗效果：围堰在使用过程中，渗漏量较小，满足使用要求。

6 结论

与传统土石结合围堰相比，管袋充砂围堰具有造价低、工期短、适应地基变形能力强、施工简单等优点，在近海及河口等软土地基、附近有砂源等条件下有较大的优势。经优化采用管袋充砂围堰后在实施过程中基础稳定，施工工期大幅缩短（与同等土石围堰相比缩短工期3个月以上）、造价较低（与传统同规模土石围堰相比造价低20%～30%）等优势。其结构设计、施工等在同类型工程中有较强的借鉴意义。

参考文献

[1] 水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）[S].

[2] 堤防工程设计规范（GB50286-1998）[S].

[3] 浙江省海塘工程技术规定.

（责任编辑：蒋建华）endprint