模袋混凝土在沣河水环境治理中的应用

黄平 王再明

模袋混凝土在沣河水环境治理中的应用

黄平 王再明

一、项目背景

随着西部地区的经济发展，水环境治理在社会长远发展中的战略地位十分重要。“水十条”提出水环境综合治理任务后，西咸新区沣河综合治理水面工程项目应期上马，其中G310-西咸交界段蓄水防渗工程与护坡工程总长1.662km。工程区属中纬度暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季干、湿、冷、暖分明，降水主要集中在7～9三个月，最大冻土深度45cm。工程区位于关中盆地中部，地势总体南高北低，渭河流经盆地偏南部位，蓄水区段沣河在渭河一级阶地上建造河槽，宽50～300m不等。地层主要为第四系冲积、洪积成因的松散堆积层。

二、方案比选

经过现场调查，提出了混凝土面板防护、混凝土+宾格防护、宾格+土工布防护三个初选方案，进行了技术经济比较，比选主要指标见表1。

充分考虑到模袋混凝土面板具有抗冲能力强、成本相对较低、不需要模板、施工机械化程度高、能够在各种复杂的地形上铺筑和无需铺设反滤层，尤其是可以在水上及水下同时施工，并能大面积一次铺筑成型等特点，与该项目必须争抢汛期快速有效的施工要求和现场施工条件相吻合，最终选用模袋混凝土方案。

三、方案实施

1.模袋设计

北方城市中模袋应用条件最大不同是需要度过寒冷的冬季，因此模袋设计时强度等材质要求、抗滑稳定性校核、排渗核算等与以往实施方法一致，主要是厚度选取时除考虑承受风浪荷载外还必须计算冬季冰推力作用，因此重点是进行厚度确定计算。根据《堤防工程设计规范》（GB50286 -2013），满足抗波浪稳定要求的板厚t计算如公式（1）且不小于10cm：

式中：t为混凝土护面板厚度（m）；η为系数，取0.075；H为计算波高（m）；rb为混凝土板的容重（kN/m3）；r为水的重度（kN/m3）；L为波长（m）；B为沿斜坡方向（垂直于水边线）的护面长度（m）；m为斜坡坡率。经计算t值为4cm。

抗冰冻混凝土护坡稳定厚度t计算按照无筋混凝土计算，如公式（2）：

式中：t为模袋混凝土平均厚度，m；P为设计水平冰推力，kPa；δ为计算冰盖厚度，m；m为护坡边坡系数；f1、f2分别为水上、水下护面与土工织物滤层或土工织物滤层与基土之间的摩擦系数；Hl、H2分别为冰盖下界面以上和以下参加抗冰推的护坡高度，m；Fs为护坡抗滑安全系数，Fs≥1.1；γc为混凝土容，kN/m3，C为织物反滤层与土体之间的粘聚力，kPa。经计算护坡t值为12.6cm。

根据经计算结果，确定模袋混凝土护坡厚度为15cm，考虑安全系数1.5取整，护底混凝土厚度为25cm。

表1 护底（坡）方案比选一览表

综合考虑地形条件、水文地质、水流条件以及排渗要求，验算模袋与护坡面之间的摩擦力后，确定为无反滤排水点模袋，膜袋混凝土厚度边坡为15cm，库底防渗护底为25cm。模袋采用全丙纶高强机织布制作，加工成长方形，宽度根据护底平面和施工坡面具体长度确定。同时考虑3%富余量以备充灌时收缩量的储备，常规的按照每条膜袋宽4m、长35m进行生产缝制，每块膜袋在长度方向间隔4m设一个灌口，灌口直径ф20cm，护底部位异形膜袋待护坡部位根据现场测量实际情况进行定制。膜袋上预先缝好土工布及连接带。护坡部位相邻两块膜袋连接采用缝制的方法进行，护底部位相邻两块膜袋连接采用连接带绑扎的方法。25cm厚C20膜袋混凝土8431m3，15cm厚C20膜袋混凝土5846m3。

2.施工程序

施工工艺流程：施工准备→坡面清理→地形测量→摊铺固定膜袋→混凝土充灌→清洗膜袋→循环至下一区施工。

作业顺序：先从上游往下游进行左右岸护坡段的膜袋施工，护坡段膜袋施工完成后再从上游往下游进行护底膜袋的施工。

3.施工准备

根据该工程实地施工条件，修筑好循环施工便道，准备好合格混凝土，左右岸护坡膜袋施工时采用汽车泵进行混凝土的充灌，护底膜袋施工时采用地泵进行充灌。施工现场水面搭设长10m，宽8m施工平台，输送泵管浮体采用油桶及槽钢制作。

采用人工配合挖掘机将边坡修整成设计断面。边坡清理完成后采用GPS结合水下测深仪对膜袋施工范围的河道轴线边线及江底基面高程进行水下测量，进一步了解水文地质情况，对测量过程中发现的地形突变部位需进行处理，修整成缓坡形状。

4.膜袋铺设固定

膜袋运抵现场按出厂编号叠放整齐，边坡膜袋从上往下铺设，采用手提式缝包机进行相邻两块膜袋之间的缝合，将膜袋上口基底布按要求放置在埋固沟或格宾石笼底部，膜袋上缘在其穿管布袋内插入钢管并用紧张器联接固定于定位桩上，膜袋下缘固定在对岸的定位桩上（或将水面施工平台可靠固定在河道中央，再将膜袋下缘固定绳固定在水面施工平台上）。

护底膜袋铺设时主要由潜水员从上游后下游进行铺设，在上游起始部位将膜袋上缘固定在格宾石笼部位，侧面按顺序通过连接带固定在已施工完成的护坡膜袋底部。当第一块膜袋充填完成后再利用预留在膜袋上的固定带进行下一块膜袋的铺设。

5.混凝土灌注

该工程采用混凝土强度等级为F100C20,采用一级配，混凝土坍落度22～24cm，原材料选用中粗砂，石子粒径0.5～2cm，保证混凝土具有良好流动性。

混凝土充灌时，导管末段用10m长的高压弹簧管，将泵管与灌口扎牢，水上部分由施工人员在船上吊移软管，水下部分由潜水员将软管插入膜袋进料口，并用铁丝扎牢，软管拐弯角度不大于70°，充灌顺序先上游后下游，先深水后浅水。充灌速度控制在12～18m3/h，充灌压力0.2～0.3MPa，每一灌口均连续充灌，将近饱满时暂停5min，待膜袋中水分析出后，再充灌饱满并及时撤管扎紧灌口，灌口采用内折法，以保证表面平顺。灌注顺序先从单元段最下一个进料口逐个灌注向上移，等前一个混凝土灌注口结束后直接把钢管连接到另外的软管上继续灌注混凝土，混凝土泵完成一段模袋混凝土后进行移位，保证施工连续进行。混凝土灌注过程中潜水员必须经常进行水下观察，并根据模袋充填情况进行不停的踩动，使混凝土能够顺畅的流动，保证模袋中混凝土的充盈。

水上混凝土充灌结束1h以后，用水对膜袋混凝土表面的残渣垃圾等进行清洗，以确保表面清洁美观。

四、过程控制要点

1.经济可靠的配合比

为了保证模袋混凝土顺利浇筑，混凝土的要求较合适坍落度和较强的可泵性，一般采取掺适量粉煤灰，控制适宜的砂率，并根据不同泵送高度选择入泵时坍落度值，通过对不同部位的混凝土施工开展混凝土工艺试验，测定坍落度、凝结时间、含气量、压力泌水率比等技术指标，根据试验成果确定经济合理的混凝土配合比。

2.严谨的预防措施

输送管在灌注前先进行水冲洗、润湿，然后采用砂浆润滑输送管道内壁，减小泵送阻力；严格按照试验确定的配合比进行配料；现场测定混凝土塌落度，合格后方可进行灌注；防止较粗骨料和空气入泵，充灌施工时连续作业，避免堵管发生。

3.严格的过程控制

水下整坡时，如遇坡面杂物及易损伤模袋布的硬物必须清理，遇到淤泥等存在不均匀沉降可能地段，进行清理、抛石或用编织袋装小石子进行整形。充灌次序先上游后下游，先深水后浅水，严格控制充灌速度；单元顺序采取自下而上逐排口逐仓充灌；每排的充灌顺序由模袋搭接的一侧开始向另一侧逐口充灌，充灌混凝土应持续进行，当模袋内混凝土充灌将近盈满时暂停5～10min，待水泡析出后再灌至盈满。

过程中发现混凝土压力持续上升时说明混凝土在模袋中流动减慢，此时应适当降低泵车的充灌速度，一般情况采取用脚踩踏的方法进行疏导；如踩踏疏导无效，灌口处混凝土压力上升较高或上升速度很快，则应停止充灌进行检查阻塞情况，及时将泵管拆走，将阻塞部位进行疏通。

五、结束语

2015年8月该项目通过工程验收，合格率达到100%。从实施效果分析发现，该项目模袋混凝土在水环境治理中的应用，节省了临时占地，减少了植被破坏，较好地防止了水土流失。在实施过程中体现其施工速度快工期可控，结构简单、施工方便、质量可靠，并且能适应北方气候环境和水下护底的特点；但需要关注的是在沉降不均地段也表现了它的不适应性。运行两年来改善了西安人居环境，提高了沣河周边生态景观功能和城市品位。随着西部地区的发展，搞好生态环境保护和建设已成为西部开发的根本任务，环境治理总承包将在我国北方城市大力推进，模袋混凝土技术必将在北方城市水环境治理中具有广泛应用的前景■

（作者单位：中国水利水电第三工程局有限公司710024）