青草沙水庫深水段拋填砂袋筑堤關鍵技術研究與實踐

劉漢中，吳彩娥

（上?？睖y設計研究院，200434，上海)

一、工程區域概況

青草沙水庫工程位于長江口南支下段南北港分流口水域，由長興島西側和北側的中央沙、青草沙以及北小泓、東北小泓等水域組成，總面積66.15 km2，總庫容 5.27 億 m3，是上海市最大的飲用水水源地，供水規模719萬m3/d,可解決上海市1000萬人的供水問題。水庫環庫大堤由南堤、西堤、北堤、東堤及長興島海塘組成，總長48.5km，其中新建北堤、東堤長22 km，加高加固中央沙南堤、西堤長10.5km，加高加固長興島海塘長16km。

青草沙水庫新建大堤深水段位于東堤范圍。東堤起點與新建北堤連接，自東北小泓北側水下沙體順勢下延約1.5 km后，橫向穿越東北小泓漲潮溝深槽，終點與長興島現有海塘連接，全長3 030 m。東堤約有1 900 m堤線灘面高程為-5～-11 m，實質上屬東北小泓深槽堵泓工程。同時，根據青草沙水庫堤壩總體實施計劃，龍口也選址在東堤深水段，東堤深水段堤壩的成功構筑成為青草沙水庫建設至關重要的環節之一。

二、工程條件與特點分析

1.風浪、水流條件

根據資料統計分析，本地區多年平均風速差異不大，但季節性的變化較為明顯，尤其是11月至來年的3月，偏北風發生頻率較高，而4～10月則以東到偏南風為主，較大風速出現在偏北向。東堤處以海向風涌混合浪的偏東向(E～ESE)的波浪所控制，100年一遇高潮位與100年一遇波浪（設計風速）組合時，其概率為1%大波波高可達3.98 m。東北小泓漲潮溝深槽天然條件下大潮漲落急流速達2.0 m/s左右。

從風浪、水流條件分析，青草沙水庫東堤段水深大、水流急、風浪大，全部工序均需依靠船舶，施工作業受風、潮、浪、流的影響大，可作業時間短，施工強度高，施工組織難度大。因東堤深槽段漲落潮流速較高，必須趕潮施工，且水深超出了目前常規充填袋裝砂斜坡堤結構的適用范圍，所以必須改變傳統的筑堤方式。

2.工程地質條件

根據本工程詳勘勘察報告顯示，東堤深水段范圍內圍堤堤基淺表層為3-1粉性土混黏性土、3-2砂質粉土、3-2灰色粉砂、3-3灰色砂質粉土，厚度3.20～17.00 m，表部呈松散狀，向下呈稍密狀，中等透水性。中部為厚度較大的淤泥質黏土、1-1灰色黏土層，其中淤泥質黏土厚度5.70～16.00 m，呈流塑狀，具高壓縮性，土體強度低，屬軟弱土，承載力低，是堤基的主要壓縮層；1-1灰色黏土厚度3.10～10.00 m，具高壓縮性，也是主要壓縮層，均對圍堤沉降控制不利。

從工程地質條件分析，淺層粉土及粉砂層分布厚度變化明顯，從東堤起點經深槽到終點，厚度自11 m至5.0 m再至17 m，隨堤身結構高度的增加，上部淺層粉土層及粉砂層的厚度卻逐漸減小，而淤泥層的厚度卻有所增大，地基土的壓縮性也逐漸增大，淤泥質黏土、1-1黏土主要壓縮層的影響也逐漸突出，而且由于固結速度慢，使用期沉降量大，大堤選型時要注意大堤使用期對地基變形的適應性，并適當考慮采取地基處理措施減少后期沉降。土層的強度指標相當低，大堤的整體穩定問題尤其突出，特別是深槽段，由于覆蓋層薄，若采用土石混合斜坡堤，需要較長的壓載平臺才能滿足大堤整體穩定的要求。同時，東堤深水段河床淺層主要為厚度3.20～17.00 m的粉土、粉砂層，長江口表層及灘面的粉細砂層抗沖刷能力較差，在水流的作用下極易運動，在施工過程中沿堤流和堤頭繞流可能將產生較大沖刷溝，危及建筑物自身的穩定和造成河勢的不良變化，必須采取保灘護底措施。

3.水庫堤壩受力特性

水庫大堤作為水庫工程的蓄水擋潮結構，青草沙水庫建成后最高蓄水位為7.0 m，死水位為-1.5 m，堤壩外側設計低潮位為-0.33 m（P=1%），設計高潮位為6.13 m（P=1%），最大水位差將近7.33 m。水庫大堤承受內外雙向水頭作用，且外海潮位變化較大。深水段新建大堤堤基淺層為砂質粉土和粉砂地層，砂土滲透系數較大，抗滲透變形能力弱，是主要透水層；堤身采用庫區淺層砂土吹填筑成，也易產生滲透變形破壞。因此，在庫內外雙向水頭差作用下，水庫堤壩的滲流和滲透穩定問題不可忽視，應采取相應的防滲措施。

4.龍口布置的影響

根據本工程總體布置，圍堤主龍口設在東堤深槽段，龍口保護期寬800 m，底高程-3.00 m。龍口分兩階段實施，一階段先施工至-3.00 m高程進行龍口保護度汛，二階段進行龍口合龍，施工上部結構。龍口水流數學模型計算結果表明，隨著龍口段的逐步抬高和縮小，流速將逐步增大，在不利工況下，龍口局部流速高達8.0 m/s以上。由于主龍口設在東堤，給東堤堤型的設計帶來了諸多難題。

三、堤壩結構研究

1.堤壩結構選型

目前，浙江及福建沿海地區灘涂圈圍工程的主要材料是開山石料，多為拋石筑堤；上海及江蘇沿海地區的主要材料是砂料，多為采用土工布袋充填砂料成型堆砌筑堤。根據類似已建工程的成熟經驗，從結構形式、材料強度、施工設備、施工工效和施工成本等綜合分析，認為在水深約-5.0 m以上灘面采用常規的充填袋裝砂斜坡式土石混合堤是比較經濟合理的。目前充填袋裝砂斜坡堤在長江口地區已得到廣泛應用，并積累了不少成功經驗，充填袋裝砂的施工工藝也比較成熟。但是，在-5.0 m以下深水區域充灌砂袋的施工非常困難，存在充填管袋袋體飄移、破損、水下充砂難等問題，施工質量也難以保證。

在調研分析大量工程實例基礎上，借鑒國內外圍海造地工程及海港工程中的深港防波堤、深水碼頭等深水筑堤技術，對拋石棱體斜坡堤、沉箱直立墻混合斜坡堤、拋填砂袋雙棱體斜坡堤等堤型進行了深入研究，經比選后深水段堤型推薦采用拋填砂袋雙棱體斜坡堤形式。該堤型為常規充填袋裝砂斜坡堤結構的技術改進，突破了深水區常規充填管袋筑堤工藝的局限性。其優勢體現為：①將深水充灌砂袋改為船上甲板充灌砂袋，袋裝砂自身固結好，拋填重量可控制，堤身后期沉降量較小，可直接構筑大堤基礎。②大型翻板船充灌、拋填流水作業，分區填筑，可保證填筑面的均勻上升，且砂袋柔性較好，適用性強，地基受力均勻。③深水拋填袋裝砂施工工序較少，船機種類較單一，施工組織難度一般，施工進度較易控制。其劣勢主要是①袋裝砂自身抗波浪水流作用能力較差，需設置拋石護坡護腳結構。②深水拋投袋裝砂，定位與密實性控制難度較大。

2.堤壩結構斷面

拋填砂袋雙棱體斜坡堤，在深槽灘面高程-5.00 m以下堤身內外側直接分層拋填小袋裝砂形成2個拋填袋裝砂棱體，然后在堤心部分水下吹填管袋，形成堵泓大堤弱透水堤身，在-5.0～-3.0 m高程設通長高強充填袋裝砂覆蓋，兼作防沖和過渡層，在內外側跟進施工反濾層并及時進行拋石護坡施工以滿足施工期大堤保護要求。-3.0 m以上采用常規充填袋裝砂斜坡堤結構形式，即以充填袋裝砂構筑內、外兩側棱體，棱體間吹砂形成大堤下部堤身，棱體平臺以上土方采用充填袋裝砂小棱體并吹填砂土逐步抬高到設計堤頂高程。

東堤堤頂設直立式防浪墻，墻頂高程9.20 m，堤頂設瀝青混凝土路面，高程8.0 m，寬度9.5 m。內外坡坡比均為1∶3，外坡護面采用厚0.40 m鋼筋混凝土柵欄板，內坡護面采用混凝土框格+厚0.35 m灌砌塊石。堤身內外在2.0 m高程結合堤身處灘面高程和地質條件，通過堤身穩定計算設不同寬度的鎮壓平臺。堤基寬度約200 m。

3.護底結構

根據數模計算成果，在施工過程中因水流速增加，庫內外灘地沖刷嚴重。為保證施工期灘地穩定，東堤庫內側鋪設長40～150m砂肋軟體排進行保灘護底，砂肋軟體排規格為Φ300@500 mm，基布為 230 g/m2機織布，肋布為200 g/m2機織布。庫外側根據各段沖刷情況設長度40～100 m混凝土鉸鏈排護底，混凝土鉸鏈排規格400×400×160 mm，基布為 500 g/m2機織布。同時，庫內外堤前設寬5 m、厚1.5 m拋石護腳，拋石下設800 mm厚袋裝碎石墊層壓在反濾砂肋軟體排上，以確保安全。

4.軟弱地基處理

東堤天然地基屬軟弱地基，綜合比較各種軟弱地基處理方式的優缺點，針對本工程中圍堤堤線長、地基處理范圍廣以及采用充填袋裝砂斜坡堤結構型式的特點，根據上海地區類似工程的經驗，推薦采用塑料排水帶與堤身自重加載預壓相結合的處理措施。水平排水體充分利用表層上覆的粉土、砂土層及堤身砂，豎向排水體采用長21～25 m塑料排水帶，呈正三角形布置，間距1.4 m，塑料排水帶設置范圍確定在壓載平臺及堤心范圍，以滿足穩定沉降控制要求。

5.滲控措施

東堤深槽段為滲控特殊部位，該堤段堤身填筑荷載大，堤基土層中存在淤泥質黏土和黏性土，堤身堤基工后沉降大，對防滲墻結構穩定不利，墻體容易產生變形、拉裂而失去防滲作用；灘面高程-5.0 m以下采用散拋袋裝砂填筑，堤身結構復雜，土層均勻性可能很差，而且上覆通長高強充填袋裝砂，另外因度汛、龍口保護的需要，堤身有多層排體，且堤身下有一層厚度達1.4 m的龍口保護網兜拋石或預制塊體水平夾層，僅在堤頂下約6～8 m范圍對預制塊體進行了拆除并置換成袋裝砂。東堤承受一定水頭后，尤其是庫內高水位運行條件下，易形成連續貫穿性的滲漏通道。因此，東堤必須進行滲流控制設計。經方案比選，推薦采用雙排三軸水泥攪拌樁加高壓旋噴樁防滲墻方案，以確保防滲效果可靠。

四、拋填砂袋堤身設計和施工要點

深水段堤壩采用拋填砂袋雙棱體斜坡堤結構的主要特點是下部拋填砂袋堤身和上部常規充填袋裝砂斜坡堤的有機結合，因此拋填砂袋堤身設計和施工控制是技術關鍵，其要點在于拋填砂袋的袋布設計、施工期砂袋在波浪水流作用下的穩定性以及作為水庫大堤堤身的密實性。

1.拋填砂袋袋布設計

砂袋的保砂性與袋體材料和所充填的砂質有關，在施工過程中，特別是位于變動回水區和直接迎浪面的袋體材料，由于受水流和波浪作用，砂粒將從袋體布內析出。根據《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》，土工織物保土性應以土工織物有效孔徑（O95）與土的特征粒徑之間關系表征，對于靜載荷和單向滲流條件下，其有效孔徑應符合O95不大于d85；對有動力作用和往復水流的情況不論保護何種土類材料，其有效孔徑應符合 O95不大于 0.5d85；d85為被保護土的特征粒徑即土中小于該粒徑的土質量占總質量的85%。

為保證拋填砂袋施工充填效率，應保證滲透水通暢且不被細土粒淤堵，則拋填砂袋的袋布材料還應兼顧透水性和防堵性。防堵性要求對于被保護土級配良好、水力梯度低、流態穩定、修理費用小及不發生淤堵時，其孔徑應符合O95不小于3d15；透水性要求袋布材料滲透系數為充填砂的滲透系數的1～10倍。

拋填砂袋材料強度與拋投水深、水流強度、袋體體積形狀、充填砂砂質以及充盈度有關。砂袋布強度是重要指標，包括拉伸強度、撕裂強度、握持強度、頂破強度、脹破強度、材料與土相互作用的摩擦強度等力學性能指標和抗老化性、抗化學腐蝕性等耐久性能指標，砂袋布各種強度指標目前還難以理論計算確定，主要通過大量的工程調研和現場試驗確定。

根據長江口地區多年工程實踐經驗，并通過大量的現場試驗來確定拋填袋裝砂袋體的材料。先期選用了800 g/m2的機織布、500 g/m2的機織布、260 g/m2的機織布進行試驗。試驗結果表明，前兩種材料的泌水性能不如后者，在充灌砂的過程中，飽滿度達不到設計要求，充灌效率也很低。后期又選用了410 g/m2的復合布和260 g/m2的機織布進行試驗比較，前者布體的強度能符合要求，且透水性較好，對于減少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用，但相對來講成本較高，而260 g/m2的機織布通過砂袋制作時增加排水袖口的措施，可彌補透水性較差的缺點，最終選用了260 g/m2的機織布。實踐證明該布體的強度和透水性均能滿足施工和使用要求，充灌效率較高。

2.拋填砂袋尺度設計

拋填砂袋尺度應根據各種施工設備的特點采用不同尺寸大小、不同加工方法的砂袋，充分發揮各種設備的功用和施工效率，并最大限度地減少破損率和降低成本。

影響和決定袋體形狀的因素主要是施工工藝。翻板跟網絡拋袋袋體的形狀采用方形；溜槽拋袋，袋體的形狀采用長條形。袋體的大小取決于船機設備的有關性能。翻板拋袋應考慮翻板的寬度、工作面的最大利用率、施工效率及翻板安全工作下的極限允許承載力等因素；網絡拋袋應考慮吊機的起重能力及平板駁工作面的大小等因素；溜槽拋袋應考慮溜槽的孔徑大小等因素。砂袋單層最大厚度主要受砂袋布強度限制，過厚不利于設計斷面形狀的形成，過薄砂袋布用料多，將不經濟。

綜合考慮以上因素，并結合實際情況，在青草沙水庫工程中主要采用翻板拋袋船施工拋填袋，通過現場實施試驗，推薦采用4 m×6 m和6 m×8 m兩種規格的拋填砂袋，每層砂袋厚度以0.6～0.8m為宜。充盈度應控制在60%～70%左右，有利于控制砂袋密實性。

3.拋填砂袋施工期穩定性

通常由于存在袋內砂體在波浪作用下單向搬移的不利因素，單層砂袋的臨界穩定波高一般在1.5 m以下。根據河海大學的深水航道整治工程物理模型試驗成果，在袋裝砂頂部覆蓋了兩層大砂袋，并對頂部兩層砂袋作隔倉處理，其臨界穩定波高可提高至2.8 m。因此，本工程在-5.0～-3.0 m高程設通長高強充填袋裝砂覆蓋，兼作防沖和過渡層，以滿足施工期穩定性要求。本工程范圍水深較大，為防止拋填時袋裝砂破裂和增加拋填砂袋施工期穩定性和密實性，要求拋投時上下兩層砂袋按品字形排列，交叉重疊，并注意水流對其的影響，以大大提高砂袋的抗滑穩定性。

考慮到龍口設置在深水段，-3.0 m高程需要度汛，且在圍堤抬高過程中深水段大堤范圍的水流速將進一步加大，受水流沖刷強烈，大尺度管袋既需要有一定的強度又要有較好的保砂性能，因此袋布采用410 g/m2高強復合土工布，內層為加強保砂性能采用150 g/m2無紡土工布，外層為抗沖刷采用260 g/m2機織土工布。

4.拋填砂袋施工期密實性控制

拋填砂袋堤身的密實性直接決定工程質量和安全，必須加強施工期密實性控制。根據以往的施工經驗、結合砂源情況等，選擇以拋填效率最高的大型翻板船側翻拋袋為主要施工方式，日最大拋填量可達2 000 m3左右。施工中采用船載GPS和專用定位軟件進行定位，拋填精度較高。

拋袋時砂袋入水后會產生一定距離的漂移，從而影響水下堤身實際成型效果。施工時采用在砂袋上系浮漂的方法進行砂袋漂移試驗，測出相同水深條件下各種規格的砂袋在漲急、落急情況下的大致漂移距離，依據測定結果對拋袋的施工參數進行相應調整。并通過檢測浮漂位置和潛摸的方法檢測實際拋放位置和拋放質量，及時對堤身斷面進行測量，掌握水下袋裝砂堤心斷面成型情況，以指導現場施工，決定是否需要補拋，何處需要補拋，確保水下堤身成型質量。

拋填砂袋堤身施工完成后，采用水域走航式高密度地震映像法對東堤深槽段局部已拋的水下砂袋體進行了試驗性檢測，基本查清了布置測線下方拋填砂袋體的平整度、厚度及搭接情況，共發現17萬m2范圍拋填砂袋體內部空洞或搭接異常部位42處，探測結果表明拋填砂袋內部的搭接情況整體上反映良好。