深水条件下护岸处理关键技术袋装沙施工的研究与应用

黄 伟 汪贵成

(长江河湖建设有限公司，湖北 武汉 430010)

1 概 述

长江干流遭遇超标洪水进行崩岸治理时，抛填物位置无法精确定位、流失量大、施工效率较低，导致工程进度、安全、质量得不到有效保障，若不及时进行后期防护，极有可能形成二次崩塌。

袋装沙施工技术，在深水条件下护岸施工具有水下抛投定位准确、可持续作业时间长、施工效率高、受水流水深和风浪影响小、抛填物流失量小、成型的堤身密实性好的特点，适用于水深6m以下、工程量大、成型断面大、水流风浪条件差的、施工强度高的深水区域，能有效避免二次崩岸发生。

2 工艺原理

袋装沙施工技术，通过对水流的流速、流向和水深的分析，预先计算抛投物的着床点，并将施工船只准确定位。利用土工织物材料缝制加工成不同规格的袋子，在工作平台上预先对袋内充好沙。

首先在陡坎、深漕区域通过翻板抛袋施工工艺把充填好的小型袋装沙抛至陡坎、深漕底部，进行封堵找平，降低深度，减缓流速；再利用抛填大型袋装沙进行压顶，提高抛投的整体性，在深水中形成设计断面，再及时采用抛石下压软体排的形式进行防护。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

施工主要程序包括施工准备、定位、抛袋、测量等(见图1)。

图1 工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 施工准备

工程施工前，对施工区域进行水下地形测量，绘制断面图与平面图与原设计图进行对比。设计图纸时，往往采用的地形数据经历了一个甚至两个汛期，原始地形发生了变化，尤其是陡坎、深漕区更为明显。原始地形的复测有利于分区的真实，更能准确地指导施工。

根据地形复测数据和水深条件对滩地恢复区不同部位进行分区(见图2)。

图2 滩地恢复区分区断面①区为陡坎、深漕区，用小型袋装沙抛填进行封堵找平；②区用大型袋装沙抛填施工，进行压顶；③区用1m厚抛石下压软体排施工，进行防护。

3.2.2 抛投试验

深水水域往往水流湍急且水流流向不稳定，特别是陡坎、深漕区。根据水下地形，设计并准确抛填合适尺寸的袋装沙到达水下滩面，形成具有一定自然坡比的袋装沙棱柱体断面。水深、水流速度、施工期间袋装沙的尺寸、重量、水流流向、袋体入水角度等因素均直接影响抛填袋装沙的落点。

考虑诸多因素对抛填袋装沙到达泥面线的最终位置影响，施工前进行抛投试验为深水袋体施工提供可靠的技术参数并指导施工时袋体着床精确定位是非常重要的一步。

假设施工船舶的翻板宽度为L，施工区域的水深为H，袋装沙沉陆位置为S(袋体离开翻板后在水流作用下的运动距离，作为抛投位置预留量)，翻板上沙袋的重量为G(G=mg，m为沙袋的质量)；当沙袋开始滑动时，当沙袋与水平方向成一定θ角度时(假设沙袋的襟翼刚刚附着在水面上)，沙袋襟翼垂直高度h=Lsinθ;当沙袋与襟翼分离时，沙袋具有与水平面成一定θ角度的初始速度v0，此时沙袋具有水平方向的速度v0cosθ，垂直方向上的速度v0sinθ(见图3)。

图3 水中袋装沙的运动轨迹

设沙袋与翻板摩擦系数为S，根据动能定理有

(1)

可以得到

(2)

从沙袋落入水中开始，承受的力主要有浮力F和水流力P。一般来说，袋装沙抛填方向与水流方向相同。不妨设水流流速为v水，沙袋从脱离翻板到落在泥面上所经历的时间为t，当浮力F恒定时，有

S=(v0cosθ+v水)t

(3)

(4)

当翻板角度θ、沙袋与翻板摩擦系数μ、翻板宽度L和水流流速v水确定时，可以通过式(3)初步测算袋装沙沉陆位置S。

然而施工时的水流流速和流向往往是变化的，特别是水深条件受潮汐影响。因此，在施工过程中，翻板船上应配备测量水深、水流流速和流向的设备来时时采集数据校正抛投位置预留量S。

考虑到小型袋装沙和大型袋装沙受水流作用的影响是不一样的，在抛投试验时，应对不同尺寸的袋体进行抛投试验，获得不同的技术参数，以保证袋装沙水下成型的质量。

3.2.3 船舶定位

由于抛投采用顺水流方向作业，在进行船舶定位时，应考虑式(3)中的S(抛投位置预留量)的大小，在设计袋体边线逆水流方向移船S，以确保袋体在离开翻板后运动的范围。

值得注意的是，由于水下袋装沙棱体断面大，但是专业施工船舶的翻板长度一般在40m左右，因此，施工船舶只固定在断面的某一位置进行定点填沙和袋装施工，形成的断面宽度往往不能满足设计袋装沙棱柱体断面宽度的要求。此时，需要通过施工定位软件安排好预定位置，在施工过程中根据不同的施工位置进行船舶的移动定位和抛投，使沙袋形成设计断面宽度的棱柱体。将分好的网格图转换成“.dxf”格式导入翻板船的船舶定位软件中，船舶自带的两台GPS卫星信号接收机运用“RTK”技术根据已导入的网格图进行精确定位来指导施工。

3.2.4 抛填小型袋装沙

抛填小型袋装沙目的是对陡坎、深漕区进行找平，同时，可以更好保证水下围堤断面的成型和袋体之间的密实，对整个袋装沙大堤形成稳定的基础，便于上部大型袋装沙的抛填。

a.展袋与充灌。将运送至翻板船的小型沙袋展铺在翻板上，袋体的长度方向与船身垂直，整齐均匀摆放。考虑到一次抛填量最大化的原则，尽量在袋体展平好的情况下多铺沙袋。用泥浆泵对袋体进行袋装沙的充灌。对于深水抛填袋装沙，充盈度控制在60%～70%。

b.抛投。翻板船带有可控制上下翻动的翻板，抛投时采用顺水流方向作业。充灌完毕后，翻板下落，袋体自由滑行，落入水中。施工时用GPS进行精确定位，施工船舶按预设的位置进行袋装沙的充灌和抛填作业。抛投至预定高程以后,移至下一抛投区进行抛投。

3.2.5 抛填大型袋装沙

大型袋装沙抛填、施工定位的原理同3.2.3所述(见图4)。

图4 大型袋装沙抛填示意图

抛填小型袋装沙对堤基基础进行找平，随后即进行大型袋装沙的施工。一般利用大型铺排船进行大型袋装沙的施工。

a.卷袋。施工人员把加工好的沙袋平放至滚筒前舱面上，穿袋尾止排钢管，在止排钢管上每10m系

一根止排钢丝绳，共3根止排钢丝绳，每3根止排钢丝绳合并卡紧于一根总绳上。止排钢管挂于卷排滚筒上的止排小钩上，卷袋时袖口向上由滚筒下侧卷进，止排钢丝绳紧贴止排钢管放置，理顺系扣绳，袋头至袋体下放侧船边即停止卷袋。

b.袋头固定。采用边充灌沙土、边沉放的方法进行。施工时，根据气象水文预报、河流洪水流量大小及河流水位深浅情况进行，在水深时下放袋体，待袋头沉放到泥面并留有约1m富余量后，缓缓移船并沉放袋体。

c.沙袋充填。沙袋充灌在铺排船翻板上进行，翻板外侧端放至水面，在翻板上将沙管插入沙袋袖口，向袋内充灌沙土，缓缓沉放袋体。当充灌袖口将要到达翻板外侧端时，将充沙管拔出移至上排袖口，同时快速扎紧下排袖口，防止充灌的沙土从下排袖口流出。充灌时，根据泥浆泵效率和实际灌沙量更换充沙袖口，控制移船速度，确保袋装沙厚0.7m左右。

d.放袋。中控室人员松开包卷筒，启动绞车和锚，使铺排船后退，将甲板包放入水中。放袋控制人员应与船上观察人员保持联系，调整各绞车的速度，使袋子按要求下沉，使袋子到达水底时，与设计的下沉和放袋线重合。袋体与袋体之间搭接长度按3m控制。

袋装沙铺设平顺并保持松紧适度，对变形较大的基面留有一定的富裕量，袋装沙经向沿堤横断面布置，不设缝，沿堤轴线各块袋体搭接宽度3m。

e.止袋。袋装沙袋体卷筒上少于一圈袋体时(即止排钢管露出时)，袋体停止下放，并将止排钢丝绳系至止排卷扬机，继续下放袋体。当止排钢管到达卷排钢管下侧略偏上时，停止放袋。开动止排卷扬机至止排钢丝绳拉紧，然后开动滚筒卷扬机放袋至止排小钩与止排管脱开，此时袋体离开卷袋滚筒而直接受止排卷扬机作用。开动止排卷扬机放袋体至水底，充沙管移至最后一排袖口时，加长充沙软管，采用专用的绳索系扎充沙管，以便该段沙袋沉入水中后可以继续进行充填和拔出充沙管。待充灌沙量达到要求后，松开止排卷扬机钢丝绳回收连接绳。一个袋体在一个潮水过程中充填完成，施放下个袋体重复以上工序，逐袋逐层进行水下充泥管袋施工直至充泥管袋所形成的江堤堤身到达设计断面要求，沙袋分层铺设，袋体堆叠整齐，层与层之间交错排列，袋体紧靠、挤密无通缝。

3.2.6 水下检测测量

针对工程实际工况，施工时，采用浮在沙袋上的目测法进行沙袋漂移试验，测量相同水深条件下各种规格沙袋的近似漂移距离。根据实测结果，对抛袋装沙施工参数进行对比，并进行相应调整。同时，通过检查漂浮位置和潜水方法，检测袋体的实际投掷位置和质量，如有偏差，及时制定技术措施进行补救；及时测量堤防断面，掌握水下袋装沙断面的形成情况，计算出每天有效工程量，做好全程跟踪记录，指导现场施工，决定是否需要补抛、在何处补抛，以获得最佳的作业效果。

考虑到袋装沙的固结和沉降需要一定的时间，在抛填袋装沙施工时为确保最终稳定断面能满足设计尺寸，一般预留1～2m沉降量。

3.2.7 沙肋软体排铺设

沙肋软体排由320g/m2土工布缝制而成，具有较强的抗冲刷性能，对已恢复的滩地能起到防护作用，同时，也能避免后期抛石施工对已完沙袋的破坏。对于崩岸滩地的沙肋软体排施工一般采用专业铺排船进行。铺排船铺排时，将加工好的软体排由卡车运输至施工现场，通过运输船转运到铺排船上进行铺设。

沙肋软筏直接委托加工厂按设计要求加工组装，组装时严禁在垂直于堤防轴线的方向进行平接；这块布是用双线接缝拼接的。拼接后，钢管被用作轴，汽车起重机将钢管卷起，然后贴上标签并登记，储存起来以备运输。对于加工好的软排，应按照便于现场铺设的原则，卷成捆堆放，整体尺寸和克重用红油漆标明。

铺设软筏时，应平整适度，对变形较大的基面应留有一定的余量。软筏板应沿路堤横断面的经线方向布置，无接缝。每个砌块沿路堤轴线的搭接长度不应小于2m，铺设定位允许误差为+0.5m，搭接处应及时用沙袋加固。

3.2.8 软筏铺设

铺设软筏时，应注意及时填

充沙肋道渣，防止筏体因风浪冲击或其他因素而移位、翻滚或冲离搭接处。

沙肋采用吹沙船吹浇，具体施工方法如下:用5cm钢管等距离固定软筏的岸侧，用两只定位船将软筏岸侧的两个角拧紧→吹沙船的上下游河侧分别抛有锚，带有软筏的浮筏固定在吹沙船的岸边，沙驳固定在吹沙船的河侧→连接吹沙泵，用第一个沙肋填充固定浮筏。当填充度达到85%左右时，将袋口扎牢，放入水中。吹沙船慢慢向河边移动，第二、第三条沙棱相继入水。筋袋的袋口两端用小漂浮物固定漂浮在水面上，第四个沙筋袋仍在浮筏的边缘→装满第二个和第三个沙肋袋。装满后(通常约2min)，用尼龙绳将袋口绑紧→填充第四个沙肋袋。

以这种方式往复运动，当最后的沙肋被填满时，它被放置在浮筏上，浮筏慢慢地移动到河边，并且将系在软筏上的绳索慢慢地松开，将整个软筏沉入河中。

3.2.9 抛石

软体排的铺设是靠沙肋的自重来下沉和暂时压排的，所以在软体排铺设结束以后及时进行抛石压排是非常必要的，并且主要的抗冲刷和消能是由抛石来完成的。

抛石主要采用网兜定点抛石方法，网兜抛石船利用船上装的GPS定位系统(通过GPS定位系统可以在控制室的电脑上直观地看到抛石船的位置和各种控制参数)先大致平行堤轴线抛锚定位于作业区，然后根据设计施工图纸的平面位置精确定位。为了保证抛石船的安全，抛石顺序一般是由内向外，抛石船的内侧靠近抛石区域，外侧停靠石料运输船(见图5)。

图5 网兜抛石施工平面和断面示意图

水下抛石应按抛掷网格进行。根据船载物料的长度和宽度，划定抛掷施工的网格。根据施工网格的平面位置和设计要求的抛石范围和厚度，计算施工网格的抛石量。

施工前先画出方格控制网，填写各网格需要抛投的方量，作为各小抛投区施工的参考依据。投掷区间内每隔20m测量放置一条断面控制线，作出明显标志。同时，在堤上设置基准，辅以少量浮标，用于抛石船的定位和放样。在正式大规模抛石前，需要测量水流速度和水深，并进行抛石试验，以确定合理的抛石方法。

抛石作业应在潮汐较缓时进行。抛石过程中，吊车司机必须按照抛石指挥员的指示进行抛石。严禁随意抛石，网袋应尽可能靠近底部，以减少石块的损失。

深水区直接倾倒，浅水区抛石船二次转运。石块被转移到转移船上，然后由船运送到抛石区进行悬挂和抛掷。

同时需对保滩结构做进一步的检查，以确保大堤的安全，主要是观测滩前水深情况，看是否有刷深的迹象，对于被刷深地段，需进一步抛石，防止已建大堤出现意外事故。

3.2.10 二次水下测量检测

抛石施工结束以后，进行二次水下测量检测，通过两次测量的成果比较，不仅仅是可以检测抛石断面的增厚率，还可以得出已经恢复的滩地的沉降量，为以后对滩地监测提供了基础数据。

4 质量控制

抛填袋装沙施工在水深区域进行，水下填筑，其施工成果无法直接观察，滩地恢复后须通过水下地形测量的手段进行检测，所以袋体的抛投定位、严格原材料检测和工序施工质量控制，是确保深水袋装沙护岸施工质量的重要手段。

4.1 抛投试验及测量定位

袋体抛投位置的准确性决定了崩岸区域滩地恢复的质量，在进行抛投试验时，首先收集当地的水文地质资料，对施工过程中影响施工的诸多因数均予以考虑。对不同大小的袋体在不同水文条件下均应进行抛投试验。单个抛投袋体结束抛投后，立即进行水下地形测量，检测袋体的着陆位置和方向，并将数据以表格分析法的形式记录下来。

4.2 原材料

抛填袋装沙使用的袋体主要材料是土工织物，土工织物进场前，厂家应出具“出厂合格证、质保书”等质量证明材料，同时，应委托土工织物质量检测第三方，对土工织物进行2次质量抽检，检测合格后投入使用。

4.3 工序质量控制

a.为确保每幅袋体铺设质量，要及时掌握相邻袋体间的实际搭接长度和每个袋体的实际平面位置。铺设后，检测相邻袋之间的搭接宽度和每个铺设袋体的实际平面位置。沿袋体四角布置4个浮标检测点位，铺设结束后，利用翻板作为检测平台，浮标与袋体采用丙纶绳连接，移船至浮标处，将绳拉紧确保其处于铅垂状态，利用移动GPS检测该点的实际平面位置并做好施工原始记录，将4个测点的实际平面位置作为确定下一幅袋体平面位置的修正依据及与前一幅相邻袋体间搭接量检测的依据。铺设完成后委托有资质的单位对袋体完整情况、袋体充填情况及袋体搭接情况进行水下探摸检测。

b.充灌前首先进行生产性试验，取得有关如泥浆浓度、袋体尺寸、沉积率等经验值后，再全面施工；根据充填速度、袋体尺寸和输送距离的要求，选择用于土工织物袋充填的泥浆泵和高压泵。

c.铺设土工布袋时，上袋和下袋交错铺设；在同一层相邻袋的接缝处铺设土工织物袋时，应预留收缩量，以保证两袋在填充后挤压紧密，袋与袋之间无贯通间隙。

d.填筑过程应按填筑→拌浆→二次填筑→袋内土压实、厚度达到设计要求的顺序进行。袋体的充盈度为60%～70%，厚度控制在0.7m左右，充填后的干重度大于14.5kN/m3。

e.沙袋顶高程充填固结后按设计预留沉降值。

f.用高压水枪制作泥浆，泥浆浓度一般控制在20%～45%；充填采用泥浆泵进行，管路出口压力根据生产性实验确定，一般为0.2～0.3MPa。

g.采用铺排船铺设的袋体下沉时尽量使袋装沙袋体两侧均匀下滑，注意调整船速，使之与袋体下放速度同步，在滑板上加设限位管，以减少袋体在滑板上的收缩。

5 结 语

由于长江澄通河段通洲沙西水道长沙河—福山塘段边滩综合整治工程处在长江下游河口附近，筑堤基础普遍较差，筑堤高度较大且大部分位于深水区，在总结以往类似工程建设经验的基础上，结合本工程实际情况，对袋装沙筑堤施工工艺进行了改进和创新，具有广泛的推广应用价值。