強涌潮區管袋圍堰施工技術探究

李建雄,朱沈鳴,徐洋洋,郭陳超,周 磊

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州 311122;2.浙江省錢塘江流域中心,浙江 嘉興 314399)

0 引言

管袋圍堰是一種就地取材、施工方便、易于拆除,具有一定防沖、防滲能力,且較為經濟的堰型[1]。因其整體性好,施工工作面大、工期短、污染少等優點,被廣泛應用于江、河、湖、海的港口、船閘等臨時圍堰工程[2]。管袋圍堰施工技術雖然前人已有研究[3-9],但適用于潮型復雜、流態紊亂、涌潮沖擊力強、漲退潮河床沖淤變化大的強涌潮區的管袋圍堰施工技術鮮有研究。在圍堰施工中面臨如取土強度不足、堰腳沖刷劇烈、管袋圍堰與老構筑物交界處險情多發、底袋鋪設施工窗口期短、易沖毀及圍堰越浪等難題亟需解決。本文依托錢塘江北岸秧田廟至塔山壩段海塘工程(堤腳部分)的管袋圍堰工程,結合工程特點及其水文泥沙條件,對管袋圍堰進行了優化設計和施工關鍵技術研究,形成了一套較為完善的強涌潮區管袋圍堰施工技術體系,取得了良好的施工效果。

1 工程概況

錢塘江北岸秧田廟至塔山壩段海塘工程全長25.6 km,其中,堤腳加固長16.475 km,采用300年一遇洪水影響下的最不利沖刷高程設計,海塘工程級別為1級,總投資5.88億元,如圖1所示。工程堤腳加固采用布置密排扭王塊鎮壓層2.295 km(塘下便道候潮施工工藝)、混凝土板樁防沖+預制混凝土塊護坦4.46 km(鋼棧橋施工工藝)、混凝土板樁防沖+現澆鋼筋混凝土護坦9.72 km(圍堰干法施工工藝)。其中,混凝土板樁防沖+現澆鋼筋混凝土護坦9.72 km(圍堰干法施工工藝)全部采用充砂管袋圍堰施工技術[10]。圍堰施工期間,工程河段的潮汐特征和水文泥沙特點如下:

圖1 工程平面布置

(1)涌潮特點

錢塘江河口潮汐為非正規淺海半日潮,一天內兩漲兩落,大潮期潮波可達富春江電站大壩[9]。根據工程附近水文站的長期觀測數據,多年平均高潮位4.0 m,多年平均低潮位0.20 m,最大潮差3.80 m。涌潮行進速度一般約4～8 m/s,涌潮高度一般1～3 m,最大可達3 m以上,涌潮沖擊力約為1.6～6.4 t/m2。

(2)潮型特點

工程區段潮型復雜,上游秧田廟至七里廟段位于一線潮區段,下游大缺口至塔山壩段位于漲潮潮流頂沖段,涌潮均以南潮為主,如圖2,南潮過后時有東潮發生。一線潮區段具有以下特點:漲潮時自東向西沖擊,短時內涌潮流速大,但持續時間不長,一般在涌潮達到初期的0.5h內流速較大,至高平潮時段后2 h內水位逐漸平穩,流速變緩,水流逐漸平穩,而退潮時段由于主流位于北岸,退潮流速較大,沖刷時間一般為4～5 h。南潮區段具有以下特點:漲潮時自南向北沖擊,短時內涌潮流速大、沖擊力強、水位上漲幅度較大,但持續時間不長,南潮沖擊后形成的更加猛烈的回頭潮,局部區域會形成漩渦;一般在涌潮到達后0.5 h內常有東潮發生,東潮漲潮時自東向西沖擊,因南潮造成河床水位已抬高,東潮更易造成潮水直接越過圍堰堰頂高程情形即越浪,而退潮時段由于主流位于北岸,退潮流速較大,沖刷時間長。

圖2 小管帶+堰芯吹填土圍堰設計典型斷面(單位:cm)

(3)水文泥沙特點

錢塘江河口受徑流、涌潮共同作用,水動力強,流態紊亂,含沙量高,河床沖淤變化大。錢塘江干流的大洪水主要由梅雨造成,占88%,多發生在4-6月下旬,過程一般3～7 d,流量以復峰型為多。

(4)施工外部條件

工程所處河道屬于非正常的航道,該區域為海事部門劃定的禁航區,可裝載施工機械的船只很難近岸。通過砂源勘察情況,探明離岸300～400 m范圍內的粉土和粉砂平均厚度為8 m,粉砂儲量滿足圍堰施工需求,料源充足。

2 設計方案優化

在圍堰施工初期,參照初步設計的方案,嘗試采用了鋼管固定小管帶(長寬高為24 m×(4～8 m)×0.5 m)+堰芯吹填土形式的圍堰,小管帶+堰芯吹填土圍堰設計典型斷面如圖2所示,經過嘗試難以成功,原因如下:

(1)工程處于非正常的航道,可裝載施工機械的船只很難近岸,無法采用船只協助水上打設定位鋼管;若采用人工打設定位鋼管,則需低潮位時段施工,作業時間短且穩定性差。

(2)管袋施工需候潮作業,考慮到打設定位鋼管、鋪設管袋、架設管路、充填沙土等工序,在這種有限的且不連續施工時段內難以保證施工工序有序銜接。

(3)若取消固定鋼管,則小管袋穩定性變差,無法抵抗涌潮沖擊,造成管袋沖損,圍堰難以成型。

考慮到鋼管固定小管帶+堰芯吹填土形式的圍堰的優缺點,結合工程概況中的涌潮和潮汐特點可知,一線潮具有漲退潮流速大、退潮時間長,造成管帶鋪設難度大、固定困難,堰腳沖刷大的特點和南潮具有漲潮沖擊力大、持續時間短、極易出現回頭潮,造成堤腳部位被來回刷深掏空,底袋鋪設困難或圍堰底部管袋被卷走的特點,設計從以下方面進行了優化:

(1)結構設計方面。通過加大圍堰底寬斷面的形式,由原有的4～8 m的底寬調整為10～40 m的底寬,從而更好地適應基礎變形、高灘沖刷和涌潮沖擊情況,提升圍堰整體穩定性。

(2)防滲設計方面。圍堰斷面設置堰芯吹填土,堰芯吹填土外部外包反濾土工布,基坑側設置吹填土鎮壓層,以此來截斷滲漏通道并延長滲徑。

(3)防沖設計方面。為防止潮水沖刷基礎,造成土工管袋產生不均勻沉降而撕裂,臨江側搭接三層水平寬度為10 m的土工管袋,隨沖隨填。

(4)施工效率方面。取消了小鋼管固定的措施,減少了施工工序,同時,圍堰底部采用大管袋,有效減少人工鋪設管袋的次數和時間,有效提升了作業效率。

綜合考慮后,提出了由小管帶(長寬高為24 m×(4～8)m×0.5 m)+堰芯吹填土形式的圍堰改為大管帶(長寬高為24 m×(7～40)m×0.5 m)+堰芯吹填土形式的圍堰設計方案,越接近底高程的管袋尺寸越大,大管帶+堰芯吹填土圍堰設計典型斷面如圖3所示。

圖3 大管帶+堰芯吹填土圍堰設計典型斷面(單位:cm)

3 圍堰施工關鍵技術研究

通過在錢塘江北岸強涌潮區的9.72 km大型管袋圍堰的摸索實踐,針對圍堰施工面臨的取土強度不足、江道漲退潮流速大堰腳沖刷劇烈、管袋圍堰與老構筑物(樁式丁壩及老護坦)交界處險情多發、底袋鋪設施工窗口期短易沖毀以及圍堰越浪等難題,總結出了以下強涌潮區管袋圍堰施工關鍵技術:

(1)江中取土排架土源單一,取土強度不足

本工程所處禁航區,采用取土鋼排架代替取砂船進行江中取土。取土排架日取土量可達1500～2000 m3,但取土排架極度依賴回淤效果,小潮汛期間江面水流較平緩,灘地土方回淤速度較慢,一般需要依托大潮汛挾沙淤積,但水下管袋鋪設出于安全考慮嚴禁在大潮汛時段施工,因此,無法進行連續取土作業。由于取土強度不足,造成一段300 m的標準圍堰施工需要經歷兩次小潮汛才能成形,圍堰施工需跨越大潮汛,管袋圍堰受外江沖刷時間延長,安全風險增加。

對應措施:新增取砂浮排進行江中取砂,取砂浮排采用四只船錨固定在江中,取砂管路采用鋼管和高強度膠管嵌套連接,電纜采用鎧裝電纜,均具備一定的柔性和強度,能夠抵抗涌潮沖擊,可以實現小潮汛和大潮汛連續取砂。同時,考慮利用已完成樁號段的圍堰的基坑砂土作為泥庫儲備土源,以便砂源不足時仍可進行圍堰施工。

(2)江道深泓線逼近北岸,江道漲退潮流速大,堰腳沖刷劇烈且持續時間長

根據近十年內工程深泓線(河流各橫斷面最大水深點的連線)位置統計研究,發現江道深泓線正逼近北岸,江道主流斷面更加靠近北岸,水流對北岸圍堰底腳沖刷劇烈。另根據鹽官水文站2021-2022年的流速數據統計,離開魚鱗塘60 m位置(即縱向圍堰堤腳處)在小潮汛期間漲潮流速可達2.5 m/s以上,退潮流速可達1.0 m/s以上。大潮汛期間漲潮流速可達3.5 m/s以上,退潮流速可達2.0 m/s以上。而除了高平潮期間約2 h內水流流速較緩外,其余漲落潮20多h時段內的水流流速均較大,會一直對圍堰底腳進行沖刷。

對應措施:圍堰施工前先在兩側建設管袋丁壩,其頂寬為12～15 m,底部寬度為30～36 m,丁壩頭部伸出魚鱗塘80～100 m(圍堰橫隔堤設計為60～70 m,丁壩應比橫隔堤往江中多延伸20～30 m),丁壩底腳考慮水流沖刷采用黏土護腳,根據施工區域水流情況300～600 m設置一處。布設丁壩可有效減緩縱向圍堰區域的水流速度,解決江水流速快造成的水下管袋圍堰鋪設固定困難以及成型管袋圍堰的堤腳沖刷問題。

(3)管袋圍堰與老構筑物交界處易出現滲漏、管涌等險情。

滲漏、管涌是圍堰施工中的常見問題,其不僅干擾施工環境而且影響圍堰的穩定性[11]據海塘建設前期相關資料統計,工程沿線建有長度50～70 m的單排樁式丁壩50座,長度70～180 m的拋石丁壩約18座,海塘沿線均存在老護坦。而老護坦底部經過長時間涌潮沖刷底部多有脫空,樁式定壩結構為梳齒樁與拋石結構,底部易形成滲漏通道。管袋圍堰施工完成后,在內外水位差的作用下,管袋圍堰與老護坦、老丁壩結合處易出現滲漏、管涌等險情,造成圍堰基礎粉砂土被掏刷,從而引起圍堰基礎不均勻沉降、管袋被撕裂,最終導致圍堰被破壞。

對應措施:對于管袋圍堰與老護坦結合處采取粘土填筑護面+護坦底部灌漿處理,如圖4,即對圍堰與海塘接頭處兩側采用黏土進行護腳,起到延長滲徑和平衡水壓力的作用。同時,在圍堰打設完成后,檢查老護坦處滲漏情況,對在圍堰與魚鱗塘交界處的護坦底部進行水泥灌漿處理。管袋圍堰與老丁壩結合處采取拉森鋼板樁+換填粘土+灌漿的方式處理,即在圍堰內坡腳與樁式丁壩結合處及丁壩兩側10 m范圍內施打單排拉伸鋼板樁,利用拉伸鋼板樁防滲及擋土,然后采用弱透水性的黏土回填至丁壩頂高程1 m以上作為鎮壓層,接著在鋼板樁樁背采用套管灌漿(水泥+水玻璃),固結土方及封堵滲漏。最終,通過拉伸鋼板樁的防滲、黏土的封堵鎮壓和套管灌漿的封堵作用達到延長或封堵滲徑的目的。

圖4 管袋圍堰與老護坦結合處處理典型斷面

(4)圍堰底袋鋪設施工窗口期短,管袋未充滿固結易沖損。

圍堰底袋(常水位以下管袋)的鋪設是圍堰施工的基礎,它具有施工時間短、充填方量大、充填平整度難以保證的特點。圍堰底袋鋪設必須在小潮汛施工,且管袋鋪設完成后才能進行底袋土方充填。因此,必須在漲潮前4 h的水位下鋪設管袋但由于水流湍急,管袋鋪設較為困難,同時,在實際施工過程中,潮水到達后部分管袋由于土量供應和時間因素造成無法全部充填,未充滿的底袋易被沖毀。

對應措施:采用船只協助底袋定位鋪設,同時底袋采用通長大管袋,充填至60%-70%狀態,在保證底袋穩定的同時讓底袋有一定韌性,提高施工作業效率。

(5)受東潮影響,圍堰存在越浪現象,破壞頂部管袋、造成基坑淹沒

下游大缺口至塔山壩段位于漲潮潮流頂沖段,涌潮以南潮為主,南潮過后時有東潮發生。東潮漲潮時自東向西沖擊,因南潮造成河床水位已抬高,東潮更易造成潮水直接越過圍堰堰頂高程情形(即越浪),越浪時直接會破壞頂部管袋,造成圍堰基坑淹沒。

對應措施:圍堰頂部管袋由原有的7 m加寬至12 m,圍堰堰頂高度加高1～2 m,增加圍堰頂部的整體抗沖能力;在距離圍堰內坡腳寬度8 m處打設一個寬度10 m、高度2 m的子堤防止波浪直接打入基坑,并在子堤與圍堰形成的寬度約8 m的基坑內設置集水坑進行抽排。

4 管袋圍堰施工

4.1 施工原則

圍堰施工按“上游側管袋丁壩或橫隔堤→下游側管袋丁壩或橫隔堤→縱向圍堰→圍堰合攏”的總體原則,充分利用管袋丁壩或橫隔堤來減緩流速,為縱向圍堰施工創造有利條件。施工時遵循“管袋自下而上分層吹填加高,相鄰管袋斷面逐層輪加,管袋整體均衡上升”的原則,管袋相鄰高差一般不超過1 m。

4.2 工藝流程

工藝流程如圖5所示。

圖5 工藝流程

4.3 工藝要點

(1)清基

管袋鋪設前需進行地基基礎的清理施工,施工一般選取在低潮時段,采用挖機下塘清除臨岸塊石、拋石等物體,防止尖銳塊石刺破袋體,從而影響圍堰穩定性及防滲效果。因管袋丁壩或橫隔堤與老構筑物交界處可能存在局部不平或拋石層,所以,施工應重點關注該區域的清基質量,針對該區域清基完成后還應視情況拋填黏土整平防滲。

(2)管袋丁壩或橫隔堤施工

管袋丁壩或橫隔堤能否成功實施是決定整個圍堰能否成功實施的關鍵因素。因強涌潮區圍堰施工情況復雜,管袋自身結構易沖損,且遭受大流速沖刷影響時基礎極易被掏刷,管袋丁壩或橫隔堤越往江中延伸施工難度越大。因此,管袋丁壩或橫隔堤管袋施工中除遵守上述施工原則,充分抓搶小潮汛期間的有效施工時段完成外,還需在管袋丁壩或橫隔堤壩頭和兩側迎水面及時拋填粘土進行護腳施工。

(3)縱向圍堰水下部分施工

縱向圍堰水下部分的管袋鋪設、充填施工是縱向圍堰施工的關鍵。該區域管袋圍堰具有充填方量大、施工時間短、質量要求高的特點。管袋鋪設一般選在小潮汛期間候潮施工,管袋充填時按“充填→迸漿→二次充填”的順序進行,每層管袋泥漿固結完畢后,再進行內部龍芯土方吹填施工。最底層管袋施工時應注意充填至60%～70%狀態,切忌充至飽滿狀態[11]?；觽裙艽佰庑耐粱靥罱ㄗh在臨江側管袋完成2～3層后同步實施,以提升垅心土施工效率。施工過程中相鄰管袋必須要平行或垂直于圍堰的軸線上、下層交錯排列,注意嚴禁出現通縫。

(4)縱向圍堰加高施工

縱向圍堰加高施工相較于水下部分施工難度低,除大潮汛非漲潮時段外其他時段均可施工,但存在直面潮水沖擊的問題。因此,管袋施工除遵守上述施工原則外,應注意迎水面管袋材質并采取相應防范越浪的措施。

(5)圍堰合龍施工

為保證圍堰堰體安全以及給圍堰本體砂土固結及沉降預留一定的時間,圍堰合龍盡量安排在小潮汛期間低潮位時段實施,同時,也可減少基坑積水量和抽排水量,避免形成從基坑內向基坑外的滲流。

(6)基坑側鎮壓層施工

基坑側鎮壓層對圍堰安全穩定和防滲起到較為重要的作用,因此,鎮壓層在基坑內側管袋施工期間同步實施,在圍堰合龍后進行加高加寬成型(寬度不小于6 m)。

5 結論

在錢塘江北岸秧田廟至塔山壩段海塘工程(堤腳部分)的管袋圍堰施工中,根據強涌潮區的工程特點,從設計優化、工藝改進角度進行思考,總結分析了圍堰施工時遇到的取土強度不足、堰腳沖刷劇烈、與老構筑物(樁式丁壩及老護坦)交界處險情多發等難題并提出相應對策。同時,對管袋圍堰施工工藝要點進行了介紹。根據工程進度統計,圍堰自2021年7月開始施工至2021年12月,僅完成臨時圍堰1.0 km;經研究調整采用上述施工技術后,2022年1月至2022年10月成功高效地完成剩余8.72 km管袋圍堰,證明了這種強涌潮區管袋圍堰施工技術是合理可行的,對水利工程類似的強涌潮區充砂管袋圍堰施工具有一定參考意義。