浅谈水域桥梁桩基水土保持监测

2014-01-29林晓渝汪海飞

浙江水利科技 2014年2期

林晓渝,汪海飞,王森,江涛

(1.杭州华辰生态工程咨询有限公司,浙江杭州 310014；2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江杭州 310014)

目前交通项目水土保持的主要监测区域为陆上部分,且监测技术和手段较为成熟；水域部分因其施工的特殊性,水土保持监测的重点为泥浆钻渣的防护与处置,桩基施工对水域的影响等。但截至目前,尚无关于专门针对水域桥梁桩基施工造成的水土流失的成熟观测经验与方法,对于桥梁桩基施工产生的水土流失量观测、监测点位布设,需要在实践中进行技术方法的思考和探索。

1 水土保持监测的目的和意义

1.1 项目本身的需要

陆上部分涉及的主要水土保持监测对象如弃土(渣)场、土(石)料场、高填深挖路段和土 (石)料临时转运场等,根据目前的技术规范,对该类对象可采取的地面观测和调查监测方法均很成熟。但是,对于工程施工对水系的影响、水域中桥梁桩基施工造成的水土流失等鲜有可借鉴的经验和手段。水域桥梁桩基施工多采用松木桩、钢板桩和钢套筒等防护,桩基管桩施工扰动河床,对水系水域输沙过程、河床和下游区域产生的影响,防护措施的防治效果等,因缺乏可操作的监测方法或手段而难以获取相关基础数据。因此,需亟待探索交通项目水域桥梁桩基施工区域可采取的水土保持监测方法。

1.2 对地方水文勘测的补充

目前,已有部分地区开始将水土保持监测和水文监测结合起来开展[1],因为两者存在相关性,主要表现为水土保持监测中的自然环境因素、人为活动影响因子等与水文勘测要求大致相同,监测方法也有相似可借鉴之处。因此,在交通项目水域桥梁桩基施工过程中开展水土保持监测工作,能够补充完善地方水文站网勘测功能。

1.3 帮助区域水环境质量的改善

水域桥梁桩基施工造成的水土流失主要反映在水域泥沙含量变化上,而河流泥沙含沙量监测是水利建设、环境保护以及水土流失等获取基础数据的重要手段,与地方国民经济的发展关系密切[2]。因此,对桥梁施工水域进行水土流失量监测,既可满足水土保持监测定量化的要求,又可以对该区域水环境质量的监测提供帮助。

2 水域桥梁施工特点及水土流失机制

2.1 水域桥梁施工特点

水域桥梁施工主要分为辅助设施和主桥2部分,在空间上按照从下到上的工序进行施工。

2.1.1 辅助设施施工工艺

水域桥梁施工辅助设施主要有栈桥、临时码头和钻孔平台等。在施工时,将起重机和振动锤配合使用沉放管桩,再用起重机安装梁、板,之后进行焊接等工作。

2.1.2 主桥施工工艺

主桥施工主要由以下几道工序构成：钻孔桩施工、承台施工、墩身施工、桥台施工、箱梁施工、附属结构物施工。

钻孔桩施工时,采用起重机、导向架和振动锤将钢护筒沉放至设计高程,之后用回旋钻机或者冲击锤配合起重机进行钻孔施工,成孔后进行清孔操作。成孔检验合格后,安装、接长钢筋笼,并将钢筋笼固定在护筒上,2次清孔后进行水下混凝土施工。

按照泥面高程不同,承台施工方法分为钢板桩围堰施工和有底钢吊箱施工。钢板桩围堰施工用于泥面高程较高的情况,施工时,先用起重机配合振动锤对钢板桩进行施打沉放,然后抽水清淤,用混凝土封底后安装侧模。有底钢吊箱用于泥面高程较低的情况,主要工序为吊箱支撑、侧板安装、钢护筒割除、桩头凿出、混凝土施工等。

墩身施工工序主要为墩身钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑养生、墩帽底模安装、钢筋加工安装、混凝土浇筑养生和模板拆除等。

桥台施工工序主要为清表、放线、基坑开挖、基础混凝土浇筑、台身模板安装、混凝土浇筑养生、台帽背墙钢筋安装、模板安装、混凝土浇筑和模板拆除等。

箱梁施工一般采用移动模架进行现浇施工。附属结构物施工主要为桥面系、伸缩装置、垫石和支座的施工。

2.2 水域桥梁施工水土流失机制及危害

2.2.1 水域桥梁施工水土流失机制

通过对华东地区的温州市大门大桥一期工程、椒江二桥及接线工程和诸永高速公路温州段延伸工程等项目水域桥梁施工水土保持监测发现,水域桥梁施工水土流失主要发生在船舶运输、辅助设施建设和主桥建设3个阶段。

根据水域桥梁施工特点,相关建材靠船舶运输,在运输过程中运输船对项目建设区水体上层流速产生影响,使该层的泥沙搬运状态产生变化。

因栈桥、临时码头和钻孔平台等辅助设施的施工需要,在河(海)床、沿河 (海)滩涂和河 (海)岸等处沉放、施打大量的管桩基础。在沉放和施打管桩的过程中,必然会影响水文勘测数据,同时,改变水域泥沙运移的自然状态,其中包括管桩对水体悬移质和推移质搬运过程的阻滞,改变河(海)床底泥稳定状态,产生新的悬移质和推移质,海潮和降水冲刷滩涂将泥沙带入水体,河岸受到凿击后碎屑掉入水域等。

主桥钻孔施工过程中,需不断向管桩内加水稀释管桩内的泥浆,然后由水泵抽至中转台,再由中转台抽至运输车,外运至附近泥浆池,或者由泥浆船驳运至指定地点。如未能够安排足够数量的运输车或泥浆船,将会造成中转台泥浆满溢,流入水体中,污染水环境。钢筋笼固定好之后,混凝土浇筑时,如不合理控制加水比例,亦可能使管桩中的泥浆满溢进入水体。因此,钻孔灌注桩是水域桥梁施工过程中最容易产生水土流失的过程。

此外,承台和墩身施工过程中需进行泥浆灌注和现场混凝土浇筑,若钢套筒或模板防护不到位,泥浆和混凝土很可能落入水体。因此,河(海)床、沿河(海)滩涂和河(海)岸成为水土流失发生的主要部位。

2.2.2 水域桥梁施工对水土流失的影响及危害

根据华东地区水域水文条件和桥梁施工特点,桥梁施工对下游影响更甚,范围比上游更广；上游受河(海)床地形和涨、落潮等因素影响产生回流的情况下,在局部有限区域受到影响。

水域桥梁施工现场周边基本为江河水域及滩涂泥地。桥梁基础钻孔灌注桩施工产生的水土流失将直接或间接进入附近水域,致使工程周边水域产生局部污染和泥沙淤积,影响其局部水体水质；同时,桥梁基础钻孔灌注桩施工征占海域、航道和养殖水面较大,使原有的自然景观被施工场地和工程景观所替代,影响通航和行洪能力,对周边生态环境造成不良影响,造成水体生物多样性下降,并影响当地水产养殖业的生产和日常用水。

3 监测原则、内容、范围、方法和设备

3.1 监测原则

水域桥梁桩基施工的水土保持监测是生产建设项目水土保持监测工作的组成部分,水域桥梁因其施工的特殊性,其于水土保持监测工作的开展不同于常规陆上监测。为做好水域桥梁水土保持监测工作,建议遵循以下原则：

(1)根据施工工序、施工内容,将监测期细分为施工准备监测期、正式施工监测期和施工结束监测期等,以便确定各阶段监测的频次和主要内容。

(2)经济和安全条件允许的情况下,布设相当密度和有代表性的监测点位,包括临时性监测点和长期性监测点。

(3)采用多样化、针对性强的方法进行监测。

3.2 监测内容

生产建设项目水土保持监测内容是根据已审批的水土保持方案确定的,在水域桥梁施工水土保持监测工作中,应对以下几方面进行监测：

(1)生态环境变化情况。水域桥梁施工引起的地形地貌、水系等变化情况,上下游河流泥沙量变化等。

(2)泥浆钻渣运输、临时贮存、外运处置等情况应全过程跟踪调查,尤其要主要实地调查外运综合利用地。

(3)桩基周边临时防护措施的实施情况,如防护材质、形式、实施时间、有无渗漏等。

(4)如有泥浆钻渣溢出或因防护问题引起乱流,或有乱排、乱倒等违法事件发生,则应调查对水系和周边造成的危害。

3.3 监测范围

监测范围根据项目水土流失防治责任范围确定,应覆盖项目建设区和可能涉及的直接影响区。一般而言,项目建设区范围根据项目主体资料较容易确定,而直接影响区需经综合分析后确定,而不应简单外延。位于河道行洪范围内的水域桥梁施工区,直接影响范围可沿施工场界,向上游侧延伸20～50m,向下游侧延伸500～2000m,两侧以河道行洪范围为边界。

3.4 监测方法和设备

3.4.1 水体泥沙含量监测

水域桥梁桩基施工产生的影响主要表现为对水体中泥沙含量的影响,在施工过程中影响原有泥沙运动规律并可能产生新的泥沙。因此,对水域桥梁造成的水土流失进行监测需综合分析悬移质、推移质和底泥的变化情况。

国内外测量泥沙含量的方法主要分为2大类：直接测定法和间接测定法。

3.4.1.1 直接测定法

直接测定法是通过取样,除去泥沙中的水分,以确定其含沙量。直接测定法中应用最广泛的是烘干法,该方法通过在施工水域上下游取样,过滤、称重、求差,来反映施工扰动产生的水土流失。通过对温州市大门大桥一期工程、椒江二桥及接线工程和诸永高速公路温州段延伸工程等线性项目和火电、水电等点状项目的货运码头水土保持监测工作实践,发现该方法设备简单、易行,精度较高。通过施工前、施工高峰期和自然恢复期在温州市大门大桥一期工程上下游50m范围内取样、烘干、称重推算出桥梁防治责任范围内,土建高峰时段的土壤侵蚀模数比施工前和自然恢复期高出100～500t/(km2·a)。但是,该方法存在易扰动实验环境、测量周期长、点位不固定、不能连续测量和劳动强度大等缺陷。

另一种直接测定法是比重计法。比重计法利用比重计在施工水域上下游进行读数来反映水体泥沙含量的变化。受施工水域水流、船舶航行和施工等因素影响,水面起伏较大,影响正确读数,因此用比重计直接测定泥沙含量获取的数据误差大。

3.4.1.2 间接测定法

间接测定法是通过泥沙特性来确定含沙量的方法,其不破坏实验环境,可作定点连续测量,是水域桥梁桩基施工水土保持监测研究的最佳方法。近年来,国内外科技人员一直在积极探求含沙量的现代监测方法,如超声法[4-8]、红外线法[9]、激光法[4,10]、γ射线法[11]、振动法[4,12]、电容法[13-14]等。

(1)超声法利用遇到沙时产生的反射波,转换成电脉冲信号,经放大电路放大后,由计数电路将电脉冲的数量记下来,所记下的数量与脉冲数成比例,即与沙粒成比例,从而可测含沙量。该法对低含沙量水流特别灵敏,且测量精度较高,只是测量范围较窄。此外,可以根据超声波在含沙水流中的衰减律,将超声波在含水流中的衰减系数,经一定的变换后达到检测含量的目的。

(2)红外线法利用光电传感器测量悬沙对红外光源的影响,经过相应电路将信号放大,有数据采集系统进行处理,得出泥沙含量。

(3)激光法利用先进的激光测量仪器,对整个流场的流速进行矢量测定。通过在测量时在流动介质中加入示踪粒子,跟随介质一起运动,以此测得泥沙含量和分布情况。但由于泥沙颗粒具有不规则性、非均匀性和弱反光性,这些都会对激光法测量泥沙结果产生一定影响。

(4)γ射线法利用一定强度的γ射线穿过一定厚度(即放射源与探头间的距离)的浑水后,γ射线会被浑水所吸收。根据水、沙对γ射线共同吸收的原理测得含沙量。

(5)振动法利用棒体谐振原理,用一充满水的金属空管代替棒体,其密度与金属空管材料和水的质量相关。当注入不同含沙量的水体时,棒体密度发生了变化,产生不同的振动周期,因此,可以通过测量密度可得含沙量。

(6)电容法是利用泥沙与水的混合物引起的介电常数差异的电物理特性,采用变介电常数电容式传感器原理,将被测泥沙含量转化成电容量的变化,从而测得水体中的泥沙含量。

此外,还有日本学者应用日本土木研究所开发的河床侵蚀观测装置,超声波堆积层厚度监测仪、振动计和推移质采样器等进行姬河流沙系统泥沙监控[15]。

3.4.2 泥浆钻渣监测

桥梁桩基施工过程中产生的泥浆钻渣常存放在临时的钢套筒、钢套箱或者泥浆池内,用来造浆护壁,多余的泥浆钻渣用泥浆船外运或用输浆管输送至指定区域沉降。然而在施工过程中,往往会出现临时钢套筒、钢套箱和泥浆池破损,导致泥浆外溢；或者泥浆船运输频次不够、输浆管破裂等情形,导致泥浆钻渣直接向水域排放。对此,在监测工作中建议做好以下3个方面的工作：首先,明确泥浆钻渣排放及去向情况；其次,加大现场巡查频次,密切关注泥浆钻渣存放和去向情况,督促施工单位委托有资质的单位进行泥浆钻渣外运工作,并安排合法临时存放点,现场一经发现泥浆钻渣外溢,及时通知相关责任单位进行整改；其次,建议施工单位建立泥浆钻渣外运 (或排放)台账,报监理单位审核,每次现场监测时进行查阅。

4 结语

随着经济的不断开展,交通项目水域桥梁施工的水土保持监测工作将成为必不可少的一项工作。

目前,交通项目水域桥梁施工水土保持监测实际可操作方法和设备比较单一,测量精度低、不连续性和高劳动强度等缺陷已表明传统泥沙直接测定方法使用受到限制。一些现代监测方法因仪器稳定性、量程、设备成本等原因未被广泛应用。因此,结合水域桥梁施工过程,进一步研究操作简便、应用范围广的监测方法,将会为交通项目水域桥梁施工水土保持监测工作提供必要的帮助；继续研发和不断完善具有价格适中、宽量程、高集成度、较好的稳定性以及高精度泥沙监测设备,对交通项目水域桥梁施工水土保持监测具有重要的意义。

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