南京八卦洲袋装砂抛枕防护施工技术研究与应用

邓传贵　甘磊　庄雪飞

摘要：鉴于长江南京河段八卦洲右缘深槽水深大、流速大、流态复杂、水流紊乱等特点，在八卦洲右缘深槽防护工程施工前开展了袋装砂抛枕现场试验，对袋装砂抛枕防护施工参数、施工流程及质量控制措施进行研究，提出了一种针对深槽防护工程的袋装砂抛枕防护施工技术。试验结果表明：在水下每隔120 m筑一道约5 m高的丁坝来改变水流流态，可有效解决八卦洲右缘水流紊乱处正常抛投成型率低的问题。工程施工完工后八卦洲水下岸坡冲刷明显减缓，控制八卦洲汊道现有河势的洲头及右汊内几处关键节点的稳定性大幅提高，并经历了2020年长江南京河段超历史洪水检验。相关经验可供类似深槽防护工程参考借鉴。

关键词：河道整治; 袋装砂; 抛枕防护; 复杂流态; 水下施工; 八封洲; 长江南京河段

中图法分类号： TV522

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.025

0引 言

河道堤岸防护工程按照形式一般可以分为坡式护岸、坝式护岸、墙式护岸以及其他防护型式。坡式护岸对河床边界条件改变较小，对近岸水流的影响也较小。中国长江中下游适宜采用坡式护岸形式[1-2]。房世龙[3] 总结了近年来适用于实际工程和室内试验研究的江河航道岸坡防护工程，如抛石防护、混凝土模袋防护等，并评价分析了各防护方法的机理、效果及优缺点。钟茂华[4]的研究表明：单个砂枕比单个块石体积大、重量大，稳定性好于块石坝，施工进度快，且坝面采用混凝土钩连块体连接，整体性比块石坝强，坝面平整度较好。龙跃桂[5]结合广东小榄水道航道整治护岸工程，探索了砂枕护脚在内河护岸工程中的应用，总结了相关施工工艺。周鸿[6]等结合长江中游荆江段航道整治工程施工，提出了砂枕袋在长江水流影响下的抛投质量控制措施及实施效果，试验表明砂枕袋可以有效防止水流冲刷河床底部，是稳定河床及岸坡、防止冲刷的主要加固措施。张增发等[7]通过试验研究提出了抛枕落距控制公式，采用实时监测数据指导抛枕施工过程。李晓兵[8]提出改变抛枕补坡的先后顺序，可较好地将岸坡、枕袋、排布结合起来，极大提高岸坡的安全性，避免先期在陡峭区域沉排施工护底不能有效到位的现象。

而对于水下施工问题，一些研究人员对提高水下施工工艺提出了新的措施。张伟等[9]结合乌克兰南方港航道疏浚工程，采用数学模型对不同颗粒的漂移情况进行分析，改进定位、抛填及抛填土的后续处理方式，有效控制抛投区的施工质量。滕超等[10]基于香港三跑水下DCM施工过程中实时记录的施工数据，建立了勘察-施工-检测的因果关系，为实际施工参数控制提供依据。潘庆武等[11]提出了一种新型的格宾网钢筋石笼施工方法，解决了水下施工的难题，并且能保证护坡的稳定性及使用年限。吴立柱等[12]将三维声呐探测技术应用于五峰山长江大桥锚碇沉井不排水下沉施工的水下检测，能有效指导现场施工。

随着抛枕防护及水下施工工艺日益成熟，它们在航道整治工程中被广泛应用。其中，长江南京八卦洲河段就采用袋装砂抛枕施工技术进行河道整治，该段右缘深槽防护工程水深大、流速快、流态复杂、水流紊乱，一般的抛投方式难以抛投到预定位置，且有效成型率低。因此，本文结合袋装砂抛枕现场试验，对深槽防护工程袋装砂抛枕防护的水下施工参数、流程、工艺和质量控制措施等进行研究，提出了一种深槽防护工程袋装砂抛枕防护施工技术。并结合砂袋抛投后多波束水下地形测量技术，对八卦洲右缘深槽袋装砂抛枕防护工程的施工效果进行检验。

1工程概况

1.1工程背景

长江南京河段八卦洲汊道河道整治工程是国家172项节水供水重大水利工程之一“长江中下游河势控制和河道整治工程”的子项、长江中下游干流河道河势控制及河道整治的重要组成部分。八卦洲汊道段位于南京河段中下段，上起下关、下至西坝，主长约18 km，为鹅头分汊型河道，右汊为主汊，左汊为支汊。八卦洲汊道自20世纪30年代开始，左汊逐渐从主汊演变成支汊，在水流的冲刷下，洲头大幅后退，北岸岸坡多处发生坍塌，八卦洲汊道逐渐形成向北弯曲的鹅头型双分汊河道，至80年代，左汊枯水季分流比减小至15%。

为了控制和稳定河势，保障防洪安全，南京市分期实施了长江河道整治工程，但受資金限制，两期水下护脚工程仅对岸坡变形严重的区域进行了防护，标准较低。受河势演变及三峡水库运行后清水下泄的影响，八卦洲头水下鱼嘴出现了多条横向冲槽，洲头右缘深槽向近岸和下游发展，已有护岸工程出现了不同程度的淘刷，危及河势稳定及防洪安全，且左汊衰退速率有所加快，影响左汊内国民经济设施的正常运行。为此，需进行更加系统而深入的河道整治。

1.2工程地质

工程区属长江河床、江心洲地貌，八卦洲头地势平坦，水下地形起伏较大，在右汊贴近洲头位置形成了水下深槽，洲头水下深槽岸坡坡比仅为1∶2左右，勘探可知的最深处高程为-45.8 m。水下鱼嘴冲刷明显，中部可见一条冲刷横沟，下鱼嘴出现了被截断的迹象。右汊进口段水下地形较平缓。

工程区地层主要由粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉砂、细砂组成。水下岸坡段的岩性上部为粉质黏土（软塑～流塑）、淤泥质粉质黏土组成，其下部为粉砂（松散～稍密）、细砂（中密～密实）。粉土、粉砂、细砂为相对透水层，粉质黏土、淤泥质粉质黏土多形成相对隔水层。工程区岸坡均为易冲刷的土质岸坡，浪蚀作用较为普遍。

1.3防护工程结构型式

长江南京河段八卦洲汊道河道整治工程为2级，主要包括八卦洲右缘深槽防护工程上段、深槽防护工程下段、护岸加固工程。右缘深槽防护工程上段护岸结构型式为“袋装砂抛枕防护+网兜块石覆盖防护+坡脚水下抛石防护”。袋装砂抛枕防护工程量为54.05万m3，网兜块石覆盖防护宽度50～135 m，厚度1.0 m。聚丙烯网兜块石方量为5.98万m3。坡脚水下抛石防护宽度30 m，厚度2.0 m，水下抛石护脚量为4.27万m3。深槽防护顶高程-5.0 m，聚丙烯网兜块石的填充块石粒径范围为0.20～0.40 m，水下抛石块石粒径为0.15～0.50 m。右缘深槽防护工程下段护岸结构型式与上段相同。袋装砂抛枕防护工程量为47.2万m3，网兜块石覆盖宽度110～130 m，厚度1.0 m。聚丙烯网兜块石量为6.9万m3。坡脚水下抛石防护宽度30 m，厚度2.0 m，水下抛石护脚量为3.81万m3。深槽防护顶高程、聚丙烯网兜块石的填充块石粒径及水下抛石块石粒径与上段相同。

右缘护岸加固工程长度1 600 m，抛投区位于八卦洲右缘深槽防护工程顶面高程以上，由顶面平台内缘至已建护坡坡脚。护岸结构型式为聚丙烯网兜块石，护宽14～107 m，防护厚度1.0 m。聚丙烯网兜块石的填充块石粒径范围为0.20～0.40 m，方量为10.24万m3。

2袋装砂袋抛投试验

袋装砂袋抛投试验内容主要包含：水流流向试验、抛投落距试验、成型率试验以及充盈率试验。

（1） 通过水流流向试验，分析水流流向及流速对袋体落地位置的影响，计算出抛投位置与砂袋成型位置的关系，获得施工参数，以灵活调整施工船舶的作业位置，能使成型抛填袋装砂断面满足设计要求，确保施工质量。

（2） 通过抛投落距试验，确定袋体入水点至浮球位置的漂移量（漂移量距离为落距），测定不同流速、水深和砂袋下放速率条件下的抛投物位置，探索合理砂袋抛填施工工艺，为大范围抛填定位和投放提供理论依据。

（3） 针对成型率试验，采用多波束水下地形测量和旁扫测量手段，构建三维立体模型，分析试验区域内砂枕分布情况，复核覆盖厚度和增厚值是否满足设计要求。

（4） 开展充盈率试验，根据试验砂料充填时间等指标判定砂袋充盈率是否达标，为大规模施工获得施工时间参数，确保枕袋充盈率能满足设计要求。

3袋装砂袋抛投施工

3.1施工流程

砂枕抛填坡面防护示意如图1所示。施工时首先布设施工区域的控制点，在抛投前进行水下地形测量、分层抛投小区划分，然后测量抛点水深和流速，计算确定和调整抛投落距。抛投之前，抛枕船抛锚定位，运砂船靠泊，然后验袋充砂，验枕抛投，从底层断面开始依次抛投，一直到最上层断面依次抛投，最后完成断面测量以及完工测量。

3.1.1单元小区划分

为保证深槽防护工程成形，采用分层抛投的方式，控制每层抛投范围及厚度。根据水下地形分析结果，遵循先深泓后浅滩、先上游后下游、先底部后顶部的施工顺序，以袋装砂有效厚度合理划分施工层，并确定每层抛投区范围。

3.1.2水下地形抛前测量

为准确检验砂枕的抛投状况和增厚效果，抛投前进行水下地形图测量，以积累对比资料。

3.1.3砂枕落距

砂枕自水面落水点落入水中，受水流作用影响，将经过一段水平距离后落入江底，自落水点至着底点的水平距离称抛投落距，落距大小与流速、流向、水深、砂袋大小和袋内砂比重等因素有关。砂枕落水后至河床的落距受多重因素影响，主要依靠现场试验确定，并通过每天及时的水下地形监测分析工程效果，及时调整施工所用的砂枕落距。

砂枕落距测定方法具体如下：

（1） 抛枕船移至断面定位后，通过流速仪测量流速，同时采用测深仪测量断面处水深，现场测量图片如图2所示。

（2） 测量落距。已充填好的砂袋，分别注上标记，选择不同水深和流速的区域进行试验。选定已稱重完成砂袋，系上PE定位浮球（见图3），在铺排船舷的某一点上做好标记，定位浮球浮出江面后利用DGPS采点的方式进行测算，可掌握袋体入水点至浮球位置的漂移量，漂移量距离即为落距。砂袋抛填如图4所示。

（3） 根据南京市多年长江整治积累的经验公式计算落距[6]：

S=KVHW1/6

式中：S为落距，m;V为表面流速，m/s;H为抛点水深，m;W为抛填材料平均重量，kg;K为漂距修正系数，根据现场试验确定。

3.1.4抛枕船定位

根据现场试验确定落距后，将抛枕船固定在大致位置和方向，随即开始抛枕船的抛锚定位，抛枕船布置如图5所示。

3.1.5砂袋制作、运输

砂枕施工所用材料主要是长丝机织土工布，制作好的砂袋采用交通船运输，复检后充砂。

3.1.6砂料水上运输

运砂船从采砂船侧离泊，沿岸驶入施工水域，驶近吹砂平台时，从下游侧接近。

3.1.7充填砂枕、抛投

充填砂枕作业在抛枕现场进行，工艺流程如下：人工展铺砂袋、检查枕袋完好状况、连接充砂管、扎紧充砂袖口、开动吸砂泵和高压水枪进行充砂、砂枕排水、二次充砂、充盈度达到要求、停止充填、拔出充砂管、扎牢充砂袖口、检查枕体状况、砂枕制成和抛投。

工程采用铺排船进行抛枕，砂枕砂袋并排铺放翻板上，检查砂袋缝制的完好情况。每条砂枕袋制作时，设有1个充砂袖口和2个排水袖口。充砂时中间插管，两侧出水。充砂采用二次充填法，间隔期采用压重法加速袋内积水的排出。扎袖口采用上一道、反扎一道的两道收口扎袋手法。冲砂是运用高压水泵，通过水枪形式的高压射流将运砂船上的砂料冲成水砂混合物，然后在运砂船上用吸沙泵抽吸，通过管道将水砂混合物源源不断地送入枕袋中，水和少量细砂从袋内析出，较粗的砂粒很快沉积在袋内。待砂料充满整个袋体后，拔出充砂管，扎紧扎牢枕袋袖口，再经过短时间的泌水后，经检验满足单体枕袋充盈度方可抛投。砂枕全部充填饱满后，检查枕袋有无破损现象及枕架是否正常，开启翻板，使砂枕在瞬间抛投入水中。单层抛投结束，进行抛后测量，分析单层的位置、宽度及增厚是否满足设计要求，如有欠缺，则进行补抛。

3.2施工工艺

八卦洲右缘处于水流紊乱处，很难抛投到预定的位置，正常抛投时，有效成型率低。为改变水流流态从而提高成型率，每间隔120 m先在水下用袋装砂枕筑一高约5 m的丁坝，将紊乱的水流挑走，降低丁坝后的水流速度，把施工区的紊流尽量改变成层流状态再行施工。

3.3质量控制措施

砂枕抛投前，先将抛砂枕船移至即将要抛护的设计断面位置进行抛前断面测量，参照测量时水位及时算出河床断面标高;抛前测量结束后，将抛砂枕船上移至抛护该断面的位置定位，抛砂枕，该断面抛投完毕后，再将抛砂枕船移至进行抛前测量的断面处，进行水下河床断面测量，要求抛后测量点位与抛前测量点位重合，计算出测量成果后，与抛前该断面河床面进行比较，确定该断面实际增厚情况。

砂枕每一層抛投开始时对水下断面进行测量，比例为1∶200，沿坝体轴线方向测量横断面，测量点水平间距为2 m，在坝体每一层抛投结束并进行水下断面测量后，分析抛投结果，以便及时调整分区格抛投计划和水下作业定位位置。定点测量要求每一层增厚应控制在砂枕有效厚度范围内，达不到该要求则进行补抛。抛砂枕船应根据流速和水位及时调整船位，勤测流速、流向、水深等参数，计算调整抛砂枕提前量。

砂袋封口牢固，抛填完工后进行沉降观测，分析观测结果，如趋于稳定，则砂枕固结密实，达到了设计要求;如不够稳定，则及时用网兜块石进行加固。水面以上砂枕分层填充，袋体之间紧靠、挤密，袋体堆叠整齐，交叉排列，不出现通缝。砂枕施工完成后，及时进行网兜抛石覆盖加固，防止袋体遭受水流淘刷和波浪冲击。

施工期间加强对河床的监测，每7～10 d监测一次，密切注意河床变化，发现有局部冲刷，立即采取措施予以补抛。在计划安排时必须考虑到每一个工序施工完毕后的阶段性验收时间及进行补救的时间，避免同一区域重复施工。针对施工时局部沉降、塌陷问题，抛填施工时需分层逐步交叉上升直至设计高程，考虑砂袋的下沉量，实际施工高程大于设计高程，留有一定的余量。当边坡达不到设计要求时，可采用抛填小袋装砂方法成型。

3.4效果分析

一般抛投时，经水下多波束成型测量，有效成型率只有60%。采取5 m高丁坝的施工工艺，可以使得砂袋抛填成型率达到80%～85%。经完工后测量，理论方量是100.25万m3，实际施工约130.19万m3，成型率为77%。

该工程施工期是2019年9月至2020年6月。工程施工完工后，第三方采用多波速进行了水下地形测量，结果如图6所示。观测表明：经2020年长江南京段汛期超历史洪水考验，八卦洲水下岸坡冲刷明显减缓，控制八卦洲汊道现有河势的洲头以及右汊内的几处关键节点的稳定性大幅提高，工程完全达到了预期效果。

4结 论

针对长江南京河段八卦洲汊道河道整治工程洲头右缘深槽水流条件复杂、抛投有效成型率低的情况，结合现场试验和监测，确定袋装砂抛枕防护技术施工参数、流程、工艺及质量控制措施等，具体结论如下。

（1） 通过袋装砂袋抛投水流流向试验和抛投落距试验，确定抛投防护技术的施工参数和工艺;结合成型率试验和充盈率试验，检验袋装砂袋抛投防护技术的效果。

（2） 确定了该防护技术施工流程，即先布设施工区域控制点，抛投前测量水下地形，抛枕船抛锚定位，运砂船靠泊;然后分层划分抛投小区，验袋充砂，验枕抛投，并连续测量抛点水深和流速，确定和调整抛投落距，从底层断面依次抛投至上层断面;最后完成断面测量以及完工测量。

（3） 建议改变水流流态，提高袋装砂枕成型率，即每间隔120 m在水下用袋装砂枕筑一高约5 m丁坝，降低丁坝后水流速度，把施工区的紊流尽量转化为层流，提高砂袋抛填成型率至80%～85%。

（4） 经第三方多波束测量，八卦洲汊道右缘深槽袋装砂抛枕抛填河道整治工程施工效果良好，达到了预期效果，说明本文提出的袋装砂抛枕防护施工技术是合理的。

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（编辑：胡旭东）

Abstract：In view of the characteristics of large water depth，high flow velocity，complex flow pattern and disordered flow in the deep groove on the right edge of Bagua bottomland in Nanjing reach of Changjiang River，the field test of bagged sand throwing pillow was carried out before the construction of deep groove protection project.The construction parameters，construction process and quality control measures of bagged sand throwing pillow protection were studied，and a bagged sand throwing pillow protection construction technology for deep groove protection project was proposed.The test results showed that building a spur dike of about 5m high every 120m underwater to change the flow pattern can effectively solve the problem of low normal throwing molding rate at the right edge of the Bagua bottomland.After the completion of this project，the erosion of the underwater bank slope of Bagua bottomland was obviously slowed down，and the stability of several key nodes and sandbar heads of the Bagua bottomland was greatly improved.It has experienced the inspection of the ultra-historical flood in the Nanjing reach of Changjiang River in 2020，and the relevant experience can be used for reference in similar deep groove protection projects.

Key words：river regulation;bagged sand;throwing pillow protection;complex flow pattern;underwater construction;Bagua bottomland;Nanjing reach of Changjiang River