浅谈吹填技术在温州东围堤工程中的应用

2011-03-13金毅杨梅萍曹茜茜吴勇

大坝与安全 2011年2期

金毅，杨梅萍，曹茜茜，吴勇

(1.温州市瓯江口开发建设总指挥部，浙江温州325000；2.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州310014；3.宁波大学，浙江宁波315000)

0 前言

在我国沿海省市经济飞速发展的今天，随着各类固定资产投资增幅攀升以及城市化进程加快，原本就存量不足的土地资源更是陷入了供不应求的被动局面，而土地资源紧张也成了直接制约经济可持续发展的主要瓶颈。为此，各地先后把目光投向了面积广阔的海洋，相继开始了大规模的围海造地开发，通过对沿海滩涂资源进行改造和利用，达到缓解土地资源紧缺和不占或少占农田的目的。

传统抛石筑堤的结构形式由于受工程所在地周围矿石资源分布、开采运输方式复杂和工程造价偏高等客观条件限制，围堤结构形式相应向着更加安全、高效、低成本的方向转变。随着设计理念不断成熟和施工技术的不断进步，当地现有筑坝材料逐渐得到了充分利用，围堤断面形式也向着复合型式发展，围堤工程造价也得到了进一步降低。

吹填筑堤技术与传统筑堤技术相比，由于是利用压力水冲击砂土形成泥浆，由管道输送泥浆至作业区完成土料填筑，因此具有采运难度低、机械化程度高、节省劳力、施工安全高效等特点，有着非常广阔的应用前景。浅滩东围堤工程位于浙江省温州市瓯江口外，距工程4.5 km的瓯江南口航道东南方向滩涂上蕴藏着丰富的细砂和粉细砂资源，适合作为吹填土料使用，故在围堤结构上采用了以吹填砂为主的断面设计，并使吹填工程量占到了土石填筑总量的78.5%。本文针对温州浅滩的实际工况条件，结合东围堤工程吹填具体施工情况，对充砂管袋、吹填砂的施工工艺进行了详细介绍，并对如何控制软土地基上吹填施工加载和应对不利因素方面的经验进行总结。

1 工程概况

温州浅滩东围堤工程位于浙江省温州市瓯江口外，介于灵昆岛（原温州市瓯海区）和霓屿岛（原温州市洞头县）之间，在9.248 km长的灵霓海堤完成的基础上新建东围堤3.538 km。堤顶防浪墙顶高程为7.83～8.03 m，堤顶路面宽度4.5 m，并与在建的温州浅滩灵霓海堤一期工程的交通道路相接，最终与北围堤、南围堤连接，形成一期圈围成陆，合计围涂面积0.158万ha。

东围堤工程堤身结构为土石混合堤，堤外侧设二级镇压平台和一级消浪平台，堤坝内侧设一级镇压平台堤。堤外侧镇压层为抛石填筑，堤身中部设充砂管袋棱体，内侧为吹填砂和涂泥闭气，为便于填砂施工，内侧沿堤身轮廓线设充砂管袋子堤。外坡护面结构采用灌砌石和扭王块，内坡护坡结构为干砌块石。根据批准的初步设计文件，本工程级别为Ⅲ等，相应主要建筑物为3级，按重现期50年防潮标准设计。

根据工程总进度计划要求，堤身吹填施工时段为2006年12月开工至2008年11月完工，总工期23个月。

2 堤身吹填设计

东围堤工程堤身吹填主要由内棱体充砂管袋、外棱体充砂管袋、度汛充砂管袋、充砂管袋小棱体和堤芯吹填砂等五项内容组成，标准断面详见图1。

其中外棱体位于基础碎石垫层上部，外侧二级抛石镇压平台内侧，外棱体外侧坡为1∶2，内侧坡比为1∶1，顶宽10.5 m，最大填筑高度为5.2 m。内棱体位于堤身内侧基础处理区以外，内棱体外侧坡为1∶2，内侧坡比为1∶1，顶宽3.0 m，最大填筑高度为4.0 m。内坡变坡采用小棱体控制轮廓，坡比为1∶2.5，由2.63 m填筑至6.92 m高程。由于吹填施工横跨2个台汛期，为防止已完工程台汛内被冲损，并使吹砂与涂泥有效分隔，在外棱体2.63 m高程和内棱体、下部吹砂顶部设度汛管袋进行防护。吹砂位于内、外棱体和充砂管袋小棱体、干砌石挡墙之间。充砂管袋所采用的袋布规格及质量要求详见表1。

本工程吹填总工程量为63.7万m3，其中外棱体充砂管袋20.0万m3，内棱体充砂管袋13.0万m3（含充砂管袋小棱体），度汛管袋8.6万m3，吹砂22.1万m3。

3 施工机械设备配置

鉴于工程所在区域是强潮海区，平均高潮位为2.58 m，平均低潮位为-2.01 m，工程原始涂面高程为-0.5～-1.8 m，大型施工船舶和管道无法布置，同时按分层加载控制要求需薄层轮加，全堤段共需划分为3～4个作业段同时施工，施工机械应具有较大的灵活性，故设备配置在满足强度要求的前提下以中小型驳船为主，具体配置情况如下。

（1）吸砂船

吸砂船采用260 t驳船,配备5艘。驳船特征如下：①对海域的适应性强，作业时采用锚缆固定船位，并使用尾锚和主锚控制船位的移动。②适应性强，生产能力是100 m3/h，采砂效率高。③每艘吸砂船配置一台210 kW的发电机组，5台离心水泵作为吸砂设备，采砂过程中利用卷扬机保持吸砂管口在取砂层顶部，边采边沉放吸砂管口，通过离心泵运转使砂随高速水流流出。

（2）运砂船

运砂船采用500 t自驳船，每次平均可运200 m3砂，共配备12艘运砂船。每艘船配2台22 kW泥浆泵，管直径为4寸。

图1 东围堤标准断面示意图Fig.1 Section of east polder dike

表1 堤身充砂管袋袋布规格及质量要求Table 1:Characteristics and quality requirements of filled geotube at dyke body

（3）吹砂定位工作船

根据本工程施工进度安排，配备4艘500 t吹砂定位工作船。每艘工作船配备250 kW的柴油发电机1台，22 kW的泥浆泵2台，并带4个高压枪，管直径为2.5寸。

4 吹填施工方案与施工工艺

4.1 吹填施工方案

全堤段划分三个施工作业段，每个作业段配1艘吸砂船、4艘运砂船、1艘吹填工作定位船，进行流水作业施工。

堤身充砂管袋及堤芯吹填砂采用分层加载，各层施工的程序为：外棱体吹砂管袋→内棱体吹砂管袋→堤芯吹填砂。

吹填施工采用“吸-运-吹”的方式。吸砂船在指定砂源区通过离心泵吸取水砂混合物至运砂驳船储砂仓内，砂沉积后其上部废水通过砂仓顶部排水口流出，每次采砂量按相应时间的潮位通航能力控制。运砂驳船自航运砂至堤坝内海侧施工区域，施工区域辅以吹砂定位工作船，运砂驳船停靠在工作船侧，然后将运砂驳船中的砂子用泥浆泵通过塑胶软管水力输送至堤身吹砂管袋和堤芯吹填部位，使其自然固结。吹填用水源利用东围堤内侧积水，每500 m于堤内侧挖一积水坑。

4.2 施工工艺流程

堤身基础排水板施工后，先进行400 g/m2无纺布的铺设，然后再进行充砂管袋施工，充砂管袋施工工艺流程见图2。

图2 充砂管袋施工流程图Fig.2 Flow chart of construction of sand-filled bag

4.3 施工工艺

高压水枪冲刷运砂船内的砂土制成泥浆→通过泥浆泵吸浆输送充填至缝制好的编制袋内或吹砂区内→自然固结→分层充填完成。充砂管袋施工工艺如下：

（1）土工编织布管袋尺寸由棱体断面不同宽度确定，长度一般定为20～50 m，袋体采用35支三股锦纶线缝制，缝三道（先缝一道，折叠后再缝两道），保证线缝平顺均匀，缝合牢固。每只袋视容积不同设置冲填袖口，每60～80 m2设置一个袖口，袖口直径12 cm，长40 cm，成梅花型均匀布设。

（2）退潮后由人工将袋体摊铺就位，并用塑料绳将管袋固定好，以免袋体受力不均导致变形位移。采用吹砂船上设置的泥浆泵，通过水枪形成的高压射流将砂料冲成水砂混合物，然后用泥浆泵抽吸，将水砂混合物源源不断地送入砂袋中，水和泥浆从袋内析出，砂粒很快沉积在袋内。待砂料充满整个袋体后，此袋充填即告结束，此时可拔出充砂管，扎紧扎牢编织袋袖口，再经过短时间的排水固结即可。充灌过程分为：充填进浆→二次充填→滤水成形。袋体充灌过程中，应控制好充灌压力，充灌压力与土工织物袋尺寸、浆液浓度有关。压力控制以泥浆充入饱满，又不造成破袋或增大流失量为宜，泥浆浓度宜为20%～25%，充灌时泥浆泵管路出口压力控制在0.2～0.3 MPa。

每次充灌时，以4～5个充砂袖口为一个充砂区域，充砂时中间插管，两侧出水。当一侧袖口冒砂时，立即调转充砂管向另一侧充砂，同时扎紧该袖口；待另一侧袖口也冒砂时，立即停机，扎牢余下的两个袖口。扎袖口采用上一道、反扎一道的两道收口扎袋方法。

铺设充砂管袋时，砂袋布置要尽量平顺，如必须转弯处则要成圆弧形，避免出现折管现象，影响砂流而导致管道堵塞。在充砂管头插入和拔出袖口后，均要及时用制袋时已备好的系袋条将袖口扎紧扎牢。

（3）充填土料取自工程指定取土区域，吸砂船采砂时须进行平面控制，采砂取土前准确定位；挖深须严格控制，根据土质情况和砂源厚度分层开挖，防止超挖。所用土料既要满足水力填充时具有较好的排水固结效果，又要避免因砂粒过粗不利于堤身的防渗安全，因此，所选充填土料在满足固结排水和施工进度的条件下，尽量采用较细的材料。

（4）袋体填充度控制在适宜的水平上，冲填袋体分层放置，堆叠整齐，排列有序，每层袋体以0.5～0.6 m为宜。如袋体一次充填不到理想厚度，可采用二次充填或其他措施。

（5）堤芯吹填砂施工工艺与上述冲砂管袋施工工艺相似。

（6）堤身吹填作业考虑施工期沉降，每层按1～1.5 m进行加载，参照设计图纸的加荷程序、加荷曲线及现场原位观测结果进行施工，先深后浅，先点后线，薄层轮加，均衡上升。

5 吹填施工技术及质量要求

（1）土工织物进场时，逐批检查出厂合格证和试验报告，并逐卷进行外观质量检查；其主要物理及技术性能按设计和规范要求进行抽查复验，抽样数量每批次不少于一次，抽样检测不合格的材料全部退库。

（2）土工织物充填袋施工过程中进行下列检查：①堤底清理、平整情况；②土工织物充填袋铺设过程中损伤及修复；③充填料土质、颗粒级配、干容重；④泥浆浓度、进浆压力；⑤充填袋充填成形后的外形尺寸及平整度。

（3）土工织物袋充填筑堤过程中，应认真检查土工织物的品种、规格和技术性能、充填料土质、颗粒级配和干容重及土工织物袋充填筑堤施工的允许偏差。

（4）土工织物袋充填筑堤验收时提交下述资料：土工织物出厂合格证、土工织物抽样试验报告、土工织物充填袋铺设施工记录、充填料颗粒分析、干容重试验报告、土工织物袋充填筑堤分项工程质量检验评定报告。

（5）根据设计要求，用于充砂管袋的土料粘粒含量应小于5%，中值粒径d50为0.07～0.03 mm为宜，用于堤芯吹填砂的土料，中值粒径d50为0.03 mm左右，粘粒含量一般不大于15%。

（6）当袋体逐步充满后，在屏浆期间，注意对屏浆压力的控制，防止布袋破裂。

（7）充填管袋固结后干容重应达到14.5 kN/m3，要求冲砂管袋排列整齐、无空隙、上下错缝。堤芯吹填砂完工时干容重应大于14.0 kN/m3。

6 施工加载控制

根据地质勘测报告，本工程坐落在深厚的软土地基滩涂上，涂面以下40 m范围内均为高含水量、高孔隙比、高压缩性、低抗剪强度的软土，不仅承载力低，且在堤身加载过程中会产生相当大的沉降和不均匀沉降，且沉降变形持续时间很长。根据设计，吹填总高度为5.2 m，按分层加载控制高度1.0～1.5 m计算，共分为8层作业，控制加载间隙时间为2～3个月，因此吹填施工过程中必须科学合理地控制施工加载速率，使堤基通过压缩固结得以加固，充分减少施工后的残余沉降量对堤顶高程、外形和道路的不利影响。

6.1 加载控制标准

（1）地表沉降控制标准

堤身加载应严格按施工图中提供的加载曲线进行加载。由于涂泥表层有浮泥，因此第一层加载可仅控制加载高程，原位观测指标不予控制。以后各层地表沉降控制指标按表2控制。施工过程中，根据原位观测成果及原位观测单位提出的建议，及时调整。

表2 地表沉降控制指标Table 2:Control indexes of ground settlement

（2）水平位移控制标准：最大水平位移［Mmax］＜6 mm/d。

（3）超静孔隙水压力控制标准：超静孔隙水压力系数［Af］＜0.6。

（4）其它监测项目控制标准，数值不出现急剧变化。

施工期间，若上述标准中有一项未达到要求，应立即停止填筑，并采取相应措施。

6.2 加载控制效果

吹填开工以来，根据施工加载实际情况和原位观测提供的沉降观测数据分析，在各部位分层加载完成后1周内连续3 d沉降速率均可小于等于15 mm/d，1～2个月内连续5 d沉降速率均可小于5 mm/d，加载时间间隔控制在2个月内完全满足堤基稳定要求。

7 影响吹填施工的不利因素及应对措施

（1）袋体材料抗老化能力差，内棱体充砂管袋（130 kg/m2裂膜丝机织土工布）和度汛管袋（200 kg/m2丙纶长丝机织土工布）在夏季高温、紫外线和海水浸泡等外部条件影响下，在风浪和其他外力作用下相继出现了破损情况，尤其是E0+000～E0+700段度汛管袋更是大面积破损。由于袋布强度已降低到不能承受人工修补缝线拉力，故采用以下方法进行处理。

应对措施一：变更袋体材料，增强袋布抗老化能力。经过对130 g/m2裂膜丝织机织土工布和175 g/m2防老化裂膜丝织机织土工布两种材料各项指标进行比对和对现场实际使用情况进行分析，130 g/m2裂膜丝织机织土工布破损的主要原因是材料不具备抵抗紫外线能力，另外单位面积质量、经纬向断裂强力、顶破强力等指标偏低。因此经设计同意，将内棱体布袋130 g/m2裂膜丝织机织土工布变更成175 g/m2防老化裂膜丝织机织土工布。

度汛管袋采用防老化丙纶长丝机织土工布，虽然袋布本身具备抵抗紫外线能力，但由于表面还不具备闭气土方的施工条件，不能及时覆盖，在夏季高温和海水浸泡下强度降低很快，管袋破损非常严重。为了解决这个问题，咨询了很多生产厂家，查阅了大量资料，找到了一种既能抗老化又能防止抗冲刷的材料，240 g/m2防老化裂膜丝织机织土工布采用粗丝工艺编织布，具有单位面积质量高、厚度大、强度高、经纬向断裂延伸率小，变形小等特点，抵抗不利环境能力较强，故予以设计变更。

应对措施二：调整加载方案，继续缩短下层管袋的覆盖时间。原加载方案是一次吹填两层袋体，加载间歇期为两个月，现调整为一次吹填一层袋体，根据原位观测的结果和设计加载要求，达到设计要求即可进行上层覆盖，加载间歇期缩短为一个月，这样就大大缩短了管袋的暴露时间，管袋破损现象得到了有效控制。

（2）施工区域因风、浪、潮的综合影响，引起外棱体和度汛充砂管袋起包、偏移现象比较严重。施工区域受季风气候影响，风向和风速季节性变化明显，年平均风速在5 m/s以上。由于已建成的北堤隔断，四月以前的西北风对工程影响不大，但四月以后东南风会造成每只管袋向西北侧隆起和移位，平整度差距一般在1.0～1.5 m，同时由于隆起部位袋体大量积存，受拉强度大增，导致袋体撕裂砂子流失。

应对措施一：缩小袋体尺寸，限制砂子流动范围。袋体隆起和移位的根本原因是潮水涨落至袋体上表面时，袋中表层砂随海水浮起，在风浪的推动作用下产生向前流动。因此，袋体尺寸越大，袋中砂越多，隆起和移位现象就越严重。单个管袋原施工长度一般定为20～50 m，现缩短为20～35 m，总宽度虽然按棱体断面不同宽度确定，但在此方向上加缝一道不连续的分缝线，人为分隔出小的区块，从而大大限制了砂子的流动范围，有效抑制了袋体隆起和移位现象。

应对措施二：兴建抛石临时隔堤，消弱浪潮作用。袋体隆起和移位主要发生在外棱体和度汛管袋上，根据现场的实际条件，东南风影响期间，在抛石二级镇压平台外侧兴建抛石隔堤一条，高度按超过已完工管袋0.5～1.0 m控制，让海浪在隔堤处得到消减，减少风浪对管袋的冲击，管袋隆起和移位得到了有效控制。

（3）台风期工程施工。吹填施工期中需经受2次台风期考验，吹填结构抗台能力差，存在极大风险。

2007年应对措施：2007年汛期以“均衡生产，低平施工、及时防护”为指导思想，汛前围堤北端外棱体顶高程为1.0 m、内棱体顶高程为1.0～1.35 m，仍处于平均高潮位（2.58 m）以下，继续加高受台风破坏风险较大。而围堤南端外棱体顶高程为-0.5～0.5 m、内棱体顶高程为0.3 m，与东端普遍相差1.0 m左右，因此汛期吹填调整为重点加载围堤南端，从而使全堤段堤身在汛期中处于相对较低的高程上，以减小受台风影响程度。

2008年应对措施：2008年台汛期间堤身施工全面超过4.5 m高程，其中外棱体（4.5 m高程）4月30日前完成全部吹填，汛前内侧充砂管袋小棱体已至4.5 m高程，堤芯砂吹填已至4.0 m高程。故采用以下方案度汛：（1）在台汛来临前完成外棱体外侧C20灌砌块石的施工；（2）对达到沉降稳定的外棱体部位及时进行干砌石挡墙施工，尽可能让堤身前部高程上升，提高堤身防台抗冲能力。