斜坡海涂上修建海堤的爆炸挤淤施工技术

蒋昭镳，江礼凡，江礼茂，王 健

（1.宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波315211；2.宁波科宁爆炸技术工程有限公司，浙江 宁波315040）

斜坡海涂上修建海堤的爆炸挤淤施工技术

蒋昭镳1，江礼凡2，江礼茂2，王 健2

（1.宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波315211；2.宁波科宁爆炸技术工程有限公司，浙江 宁波315040）

采用爆炸挤淤置换法在较陡的斜坡海涂上修筑海堤，因堤身内外侧涂面高差大，施工过程中抛填堤身容易滑塌。最初在浙江舟山某海堤工程中遇到了这个难题。通过对堤身稳定性的计算分析，将堤身抛填方法调整为“内侧突前、外侧迟后”，炸药布置侧重于内侧。既保证了施工期抛填堤身的稳定，又使得爆炸处理后形成的堤身断面满足设计要求。此后该方法又在多条类似海堤的施工中得到成功的应用，由此总结出了在斜坡海涂上修建海堤的爆炸挤淤技术，并申报了发明专利（201510908384.1）。

斜坡海涂；海堤；爆炸挤淤；抛填

1 工程背景

爆炸挤淤是在软基上修建堤坝的一种施工技术，在我国最初是由中科院力学研究所等四家单位于1980年代中期共同研发，并申请了专利“爆炸排淤填石法”，逐步在沿海围垦和港口工程中得到推广应用。多年来，爆炸挤淤技术逐步突破原专利“爆炸排淤填石法”的技术要求和限制条件，对挤淤的机理有了新的认识。

“控制加载爆炸挤淤置换法”﹝1﹞与“爆炸排淤填石法”的区别主要包含两方面：首先是抛填的工艺，要求堤头抛宽，使泥下最宽部位基本达到设计断面的宽度，爆炸后加高的堤身逐步收窄，在爆炸有效影响范围以外，堤顶宽度能满足工程机械运行即可，但不小于设计宽度。它强调抛石的自重挤淤作用，所以在堤头爆炸前还要求临时加高堤头。其次，该技术不强求爆炸后能排开很大范围的淤泥，更主要的是降低堤头周边软土的强度，同时给予抛石堤身强大的振动能量，促使其挤淤下沉。

控制加载爆炸挤淤置换法已在我国沿海数十项海堤工程中得到成功应用﹝2-3﹞，有多条海堤的挤淤厚度超过了30 m。该技术的关键工序是：堤头抛填，埋药爆炸使堤身下沉，在下沉的堤身上加抛，再堤头抛填推进，再埋药爆炸使堤身下沉，如此循环进行，在堤身延长到一定长度，根据需要在两侧埋药爆炸，补抛石料并整理成堤心设计断面，再进行护面和堤顶施工，直至成堤（见图1～图2）。

图1 堤顶、堤头平面示意图Fig.1 Schematic plan of top and head of seawall

图2 堤头爆填纵断面示意图Fig.2 Schematic vertical section of head of seawall blast filling

近年来，由于工程需要，有些海堤需要选址在较陡的斜坡海涂上﹝4﹞，或离航道、水下深沟较近的部位，这给海堤的设计和施工增加了很大的难度，主要是施工期堤身极易滑塌。这种条件下堤身设计断面与一般的平坦涂面的堤身断面有较大的不同，而工程成败的关键则在于施工过程，如仍采用常规爆填施工方法，施工过程中堤身发生滑塌的可能性较大。于2007年在浙江舟山遇到了这个难题。

2 工程实例

浙江省岱山县江南山围垦工程﹝5﹞，位于岱山县高亭镇东南侧的江南山岛，与高亭镇隔海相望。该围垦工程海塘围堤由1～5号堤五段组成，分别将江南山、猴山、城干泥、荞麦格子山、和尚蟹山等5个岛屿通过海塘连接起来。需爆炸处理软基的海堤有：2#堤，长度为874.73 m；3#堤，长度为516.34 m；4#堤，长度为1 249.73 m。

2.1 工程的水文、潮汐情况

该工程海域属非正规半日浅海潮性质，潮汐作用明显，陆域地表水受潮汐作用影响较强。海域水文测验资料表明，涨潮最大流速1.7～1.9 m/s，落潮最大流速1.5～2.0 m/s。

历年最高潮位3.08 m，平均高潮位1.14 m，平均低潮位-0.80 m，平均潮位0.22 m，最大涨潮差3.75 m，最小涨潮差0.06 m，平均涨潮潮差1.95 m；落潮最大潮差3.21 m，最小潮差0.37 m，平均落潮潮差1.95 m；涨潮平均历时5 h 52 min，落潮平均历时6 h 33 min。

2.2 地形与工程地质条件

该工程区处于近岸浅水滩涂区，地势略有起伏，向海域方向倾斜。原始涂面内外高差3～9 m。

该地区按其成因及力学强度不同可分为5个工程地质层及若干亚层：

第①层：淤泥质粉质粘土。灰色，流塑，饱和，干强度中等，高压缩性，中等韧性，稍有光泽。质较均，偶夹极薄粉土，底部含粉量较大。偶见贝壳碎屑，层理不明显。厚层状构造，全址分布。典型断面轴线处涂面高程-9.0 m，层厚15.20 m。

第②-1层：粘土。灰绿色，软塑，饱和，干强度高，高压缩性，高韧性，切面光滑。略呈鳞片状，片间夹少量粉土，含腐植质，偶有铁锰质结核。典型断面轴线处层厚4.00 m。

第②-2层：粉质粘土。灰黄色，可塑，饱和，干强度中等，中等压缩性，中等韧性，稍有光泽。质较均，含铁锰质结核，偶夹少量砾砂。

第③层：砾砂。

第④层：粉质粘土混砾砂、碎石。

第⑤-1层：全风化凝灰岩。

设计以第②-2层（粉质粘土）为持力层。各土层物理力学性质指标建议值如表1所示。

堤身的典型设计断面及爆炸处理后的实测断面如图3所示。

2.3 爆炸设计和施工

施工初期，对斜坡海涂没有引起足够的重视，采用控制加载爆炸挤淤置换法，仍按常规方法设计和施工。以3#堤为例，具体堤身抛填和爆炸参数根据堤身断面和地形地质等情况分别设计，见表2和表3。

表1 各土层物理力学性质指标建议值Table 1 Recommended value of physical and mechanical properties indicators of various soils

表2 3#堤抛填参数Table 2 Cast filling parameters of 3#seawall

表3 3#堤堤头爆炸参数Table 3 Explosion parameters of 3#head of seawall

堤身推进过程中，堤头是平齐的，堤头前方和内外侧的药包布置仍是均匀的（见图1）。当堤身推进数十米后，在一次大潮的低潮时，堤身向外海侧滑塌。此前内侧淤泥包隆起较高，而外侧淤泥包大量的被潮流冲刷走，部分堤段淤泥面甚至远低于原涂面。其中一处断面实测的外侧泥面降至-25.4 m，比内侧泥面＋1.1 m低了26.5 m（见图3）。另一个促使堤身滑塌的原因是，抛填堤身的土石方含泥量偏高，在高潮位浸泡下，堤身整体强度降低。上述是海堤滑塌的直观原因，而根本原因是抛填堤身的稳定性问题。

3 稳定性分析

在海涂上抛填石料形成堤身，由于海涂的承载力不足，堤身会自然下沉，在一定的时间段内是一个动态的稳定平衡过程。抛填过程堤身的自然沉降量与涂面以上堤身高度h关系密切，h大则自沉量大，因此在同一条堤上，涂面低则自沉量大，涂面高则自沉量小。当涂面内浅外深时，即在倾斜涂面上抛填的堤身，其外侧沉降量会大于内侧，所以堤身底面也会呈内高外低的斜面。

图4是分别在平坦涂面和倾斜涂面上按控制加载爆炸挤淤置换法抛石形成的某部位堤身断面。两断面泥下最大宽度相同，中部下沉量相近，但后者因内外侧泥面高差8.5 m，故堤顶宽度减少约13 m（坡比按1∶1.5计），断面形状相差很大。

图4 堤身断面Fig.4 Seawall sections

一般地，若其他条件相同，斜坡涂面上堤身的稳定系数低于平坦涂面。若软土的指标均采用图3的指标，通过堤身稳定计算分析，前者的整体稳定安全系数为0.98，而后者仅为0.60。

斜坡上这样抛填的堤身，外侧的压载大于内侧，若在堤头布置同样的药包起爆，按“控制加载爆炸挤淤置换法”原理分析，每次堤头爆炸处理后外侧的下沉量都会大于内侧，经历多次堤头爆炸影响后的堤身，其底面的倾斜程度将较大，这不符合设计要求，也很不利于堤身的稳定。

由于水流、波浪的作用，因堤身下沉而挤出的淤泥包，在外侧被冲刷得较内侧严重，因此外侧淤泥包低于内侧。对于涂面向外倾斜的情况，海堤的存在使得外侧的水流和波浪明显大于内侧，由于水流和波浪的剧烈作用，外侧海涂面冲刷严重，外侧海底地形陡峭程度加剧。与此同时，爆炸挤淤施工过程中挤出的淤泥包位于堤身外侧部分原本对堤身起到反压作用而增加稳定性，但在陡峭地形条件及冲刷作用下淤泥包本身处于失稳状态，随着它的逐步滑移或消散，客观上造成了堤身外侧反压荷载的卸载，从而使堤身易于产生失稳破坏。

4 技术改进

针对上述情况，根据控制加载爆炸挤淤置换法的原理，从两个方面采取技术措施解决存在的问题。

4.1 抛填方案

对多数情况，堤身抛填石料载荷刚加上时不会导致软基瞬时滑移，即滑移面完全形成是有一个时间过程，本技术要点之一是在抛填堤身滑移之前进行爆炸处理，使堤身尽快下沉，增大稳定系数，保证堤身稳定。因此根据设计断面和地质资料，同时考虑到涂面的倾斜程度，确定抛填参数，堤头抛填时堤身内侧突前、外侧迟后，如图5所示。

图5 斜坡海涂上堤顶、堤头抛填平面示意图Fig.5 Schematic plan of cast filling of top and head of seawall

这样抛填有利于施工期堤身的稳定性。在堤头前端，见图6（a）。由于堤身断面狭窄，堤身厚度不大，内外侧涂面高差不明显，而且离外侧泥面很深的部位较远，虽然稳定系数较低，但滑移面的形成会需要相对较长的时间，因此可以快速完成一个循环的抛填，而在滑移面形成前及时进行堤头爆炸处理；越靠后断面逐步加宽，内外侧涂面高差也变大，但由于受到爆炸作用次数的增多而堤身达到的深度越大，断面的稳定性系数已经逐步增加，见图6（b）；当堤身宽度达到设计要求时，堤底面也较接近设计深度，见图6（c）；此后堤顶逐步收窄，在堤头爆炸影响范围外的部位，堤顶收窄到设计宽度，断面接近于设计断面，那么该处断面应是稳定的，见图6（d）。

这样抛填的根本目的是：在倾斜的软基滑移前堤身尽量达到一定深度，同时将倾斜涂面高处的淤泥挤到低处，可以使这部分涂面临时变缓，增加稳定性；其次，可尽量档住堤身内侧土压力对堤身外侧的影响；还可使得堤身横断面的底面线接近水平。

这实际上是控制加载爆炸挤淤置换法的改进，关键在于堤头抛填时“内侧突前，外侧迟后”，而非按原技术工艺的整齐推进，这可以用堤头内外侧的错位长度L来控制。根据多条海堤的施工经验总结，堤头内外侧的错位长度L与涂面的坡率、软土层的物理力学性质、外侧淤泥包受冲刷程度、抛石堤身泥面上下的高度、石料质量、及抛填进度等有关，但不应大于堤头爆炸对堤身沉降的最大影响距离。可以这样确定L：

式中：D为堤身断面泥下最大宽度；k1为涂面坡率；系数k2＝2～4，与软土的物理力学性质、外侧淤泥包受冲刷程度、抛石堤身泥面上下的高度、石料质量、及抛填进度等有关。

若外侧冲刷严重，或石料质量较差（无大块、含泥量高），则堤顶外侧抛填的设计宽度应适当缩小，应以泥下宽度达到设计图断面要求为准。因此L也会适当变小，但堤头抛填的不整齐度（斜角β）基本不变（见图5）。

4.2 爆破参数及药包布设方法

爆破参数的设计与控制加载爆炸挤淤置换法基本相同，但对药包的布置进行了调整。在每次堤头爆破时，与平坦涂面不同，药包布置主要在堤身内侧和堤头前方，而外侧不布置药包（见图5）。内侧药包间距为a1＝2～3 m，内侧药包个数n1＝［b/a1］（b为抛填循环进尺m）；堤头正前方的药包横向间距为a2＝3～4 m，泥面上实际布药间距略大于a2，药包个数n2＝［B/a2］（B为堤头抛填的堤顶横向宽度，m）；每次堤头爆炸药包总数为n＝n1＋n2。

图6 各时段堤身剖面形状Fig.6 Seawall sectional shape of each period

这种不均衡布药是为了进一步加快堤身内侧的下沉，在爆炸堤身下沉时减小堤身内侧土的压力，使得堤身经几次堤头循环爆炸挤淤处理后，同一横断面上堤身内侧落底深度与外侧落底深度大体一致。同时，在堤身完整断面形成前，可对外侧淤泥包起到保护作用。

5 工程实践

在分析原因、总结经验和技术探讨后，提出了上述技术改进措施，在堤头抛填时内侧突前，外侧迟后，抛填参数调整如表4所示（取k1＝0.05～0.12，k2＝2.5）。

表4 调整后3#堤抛填参数Table 4 Cast filling parameters of 3#seawall after adjusted

抛填推进和药包布置如图5所示，药包参数基本不变，但侧重布置于内侧。经过实验和改进，该段海堤修筑成功。但由于外侧涂面被冲刷程度超过预计，又是首次遇到大坡率涂面，设计参数时不免偏于保守，因此有些堤段的断面超过设计较多，如图3外侧坡脚超宽很多。

此后该技术又在浙江舟山的西白莲、虾峙岛、秀山岛等多条海堤的爆炸处理软基施工中得到成功应用。其中位于岱山县秀山岛的惠生重工秀山围涂工程，其海堤已爆炸处理的一段堤身整体滑入深水区，并采用本技术完成工程遗留问题的处理及其后续工程施工，取得良好的社会效益。

6 结语

（1）在斜坡涂面修建海堤，其设计与施工均不同于平坦涂面，难度较大，特别是施工期间堤身的稳定性，采用控制加载爆炸挤淤置换法并适当改进施工技术，是可以安全修建的。主要改进的技术措施是堤头抛填改为“内侧突前，外侧迟后”，而非原常规技术的整齐推进，且药包布置则侧重于内侧。

（2）堤头内外侧的错位长度L与涂面的坡率、软土的物理力学性质、外侧淤泥包受冲刷程度、抛石堤身泥面上下的高度、石料质量、及抛填进度等有关，但不应大于堤头爆炸对堤身沉降的影响范围。

由于完工后堤身泥下部分轮廓是根据少数钻孔资料推测的，肯定有一定误差，而且类似工程数据也是不很多，因此对堤身内外侧采用不均衡的抛填和爆炸处理尚无法准确给出计算公式，而只能是经验性的。鉴于我国的土地紧缺，沿海围垦工程将会越来越多地选址在斜坡海涂上修筑堤坝，所以该技术还有待提升和完善，仍有大量的研究工作需要继续进行。

（

）：

﹝1﹞江礼茂.控制加载爆炸挤淤置换法：ZL 03119314.5［P］.2003-3-13. JIANG Li-mao.Soft soil improvement by the controlled loading blasting replacement method：ZL 03119314.5［P］.2003-3-13.

﹝2﹞江礼凡，屈兴元，王江，等.爆炸挤淤置换法在浙江围垦工程中的应用和发展［J］.浙江水利科技，2012，40（3）：28-32. JIANG Li-fan，QU Xing-yuan，WANG Jiang，et al. Application and development of blasting replacement method in reclamation projects of Zhejiang［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2012，40（3）：28-32.

﹝3﹞江礼茂，许羿.控制加载爆炸挤淤置换法处理软基技术及其工程实践［J］.土工基础，2011，25（5）：27-30. JIANG Li-mao，XU Yu.Soft soil improvement by the controlled loading blasting replacement method and its engineering applications［J］.Soil Engineering and Foundation，2011，25（5）：27-30.

﹝4﹞朱小敖.斜坡上爆炸置换法处理软基建筑海堤的工程实践［J］.土工基础，2008，22（6）：1-5. ZHU Xiao-ao.Using inclined ramp displacement method by blasting for building seawall in soft foundation［J］. Soil Engineering and Foundation，2008，22（6）：1-5.

﹝5﹞屈兴元，江礼凡，王江，等.浙江省岱山县江南山围垦工程控制加载爆炸挤淤置换法处理软基竣工报告［R］.宁波：宁波科宁爆炸技术工程有限公司，2008. QU Xing-yuan，JIANG Li-fan，WANG Jiang，et al.A completion report of soft soil improvement by the controlled loading blasting replacement method in reclamation projects in Jiangnanshan Daishan county Zhejiang province［R］.Ningbo：Ningbo Kening Explosion Technology Engineering Co.，Ltd.，2008.

Explosion squeezing silt technology for seawall construction in ramp tideland

JIPPC Zhao-biao1，JIPPC Li-fan2，JIPPC Li-mao2，WPPC Jian2
（1.SchooI of MechanicaI Engineering and Mechanics，Pingbo University，Pingbo 315211，Zhejiang，China；2.Pingbo Kening ExpIosion TechnoIogy Engineering Co.，Ltd.，Pingbo 315040，Zhejiang，China）

Explosion squeezing silt replacement method in seawall construction in steep ramp tideland was used.Because of the seawall height difference between the inside and outside，cast filling in the seawall construction process was liable to slump. The problem was first encountered in a seawall project in Zhoushan，Zhejiang province.Based on the calculation of the stability of the seawall，the seawall filling method was adjusted to"pushing the inside faster than the outside"，and more explosives were put inside.The cast filling seawall stability during construction could be ensured，and the seawall section after explosion process could meet the design requirements.The explosion squeezing silt technology was summed up for seawall construction in ramp tideland，and it had been applied successfully in a number of similar seawall projects.It had declared a patent patent application number：201510908384.1.

Ramp tideland；Seawall；Explosion squeezing silt；Cast filling

TD235.4

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.005

1006-7051（2016）05-0024-05

2016-04-16

浙江省科技厅近海结构冲击安全与健康监测创新团队（2013TD21）

蒋昭镳（1963-），男，硕士，高级工程师，从事工程爆破的设计施工和力学教学等工作。E-mail：jiangzhaobiao@nbu.edu.cn