充泥管袋技术在湖区潜岛堤身构筑施工中的应用

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(中国水电基础局有限公司，天津 武清，301700)

1 施工原理

将土工织物缝制成大体积的管袋，根据设计断面、管袋长短，留置多个充填管状袖口，采用高压水枪将滩地上的细粉砂料射水冲起，由泥浆泵经由输泥管路将带水细粒料冲灌进预制管袋内，水分从土工布孔中滤出，粉细砂料在自重和渗水压力下逐渐固结密实，经过一段时间，脱水固结形成堤芯，外筑防护结构达到筑堤、挡潮、围护等功效。

2 工程概况

2.1 项目概述

上海浦东国际机场第五跑道项目二级排水扩建工程主要内容包括新建河道2条，联系河518m和随塘河13716m；新建人工湖泊一个，面积1.5km2，湖区潜岛构筑2个，岸线长度882.41m；新建薛家泓泵闸一座，其中泵站设计装机流量60m3/s。通过新建排水系统，达到浦东机场调节自身降排水的功能。

新建人工湖位于浦东机场新建大堤的南侧堤与顺堤交接处，人工湖潜岛工程位于湖心区。潜岛工程主要施工内容包括：堤身基槽开挖6.21万m2，充泥管袋筑堤4.0万m3，堤身护岸结构882.41m。

2.2 水文、地质条件

浦东机场二期排水工程属于内河，特征水位：内河设计高水位3.60m(上海吴淞基面，下同)；设计常水位2.35m；设计低水位1.50m。外海特征潮位：200年一遇高潮位为6.37m；历史最低潮位为-0.82m；多年平均高潮位3.51m；多年平均低潮位为0.73m。

人工湖湖区和河道范围内的土层依次为吹填土、淤泥土、淤泥质粉质粘土、砂质粘土和粘土，由于施工范围比较大，各土层埋设深度不一。其中，吹填土的埋深高程为-0.13m～2.07m，淤泥土的埋深高程为-2.13m～-0.13m，淤泥质粉质粘土的埋深高程为-4.63m～-2.13m，砂质粘土的埋深高程为-7.93m～-4.63m，粘土的埋深高程为-26.83m～-7.93m。

2.3 潜岛堤身施工内容

潜岛基础为充泥管袋，中心为吹填砂，堤身结构为灌砌块石。潜岛基础底高程-0.7m，宽度20m，基础结构为整体式棱体结构，顶高程+1.80m，宽度5.0m，迎水面坡比1∶3，背水面坡比1∶2。潜岛剖面如下图1。

图1 潜岛剖面

3 施工工艺

潜岛堤身构筑采用充泥管袋充填施工工艺，利用高压水枪将堆载预压区砂粒料冲起，通过泰兴泵(22kW)经由输泥管路将带水泥砂充填至潜岛预铺充泥管袋内，经屏浆、脱水、固结等工序，形成堤身基础。

3.1 袋体选择

充泥管袋袋布采用聚丙烯、聚乙烯土工布缝制成袋体，用泥浆泵进行充填时，袋布必须满足抗拉强度、透水性能、保砂性能等方面的要求。本潜岛堤身工程设计要求充泥管袋袋布采用150g/聚丙烯编织布。主要技术指标如下表1。

表1 聚丙烯编织布主要技术指标

(1)砂袋制作宽度根据设计断面确定，潜岛堤身底宽度20m，顶宽度5.0m，袋体宽度6m～21m不等，加工数量根据堤身棱体每层工程量制作，每只充泥管袋视大小、长度不同设置多个充填管状袖口，正方型布置。

(2)充泥管袋袋体缝制采用35支三股锦纶线缝制，缝三道(先缝一道，折叠后再缝二道)，保证线缝平顺均匀，缝合牢固。管袋的拼接缝制必须与潜岛堤身轴线方向垂直，平行潜岛堤身轴线方向的一条接缝设在袋体的一端，拼接强度必须满足设计要求。

(3)每个充泥管袋的拼接缝不宜过多，并且相邻接缝的间距不应小于2.0m，管袋的横向应为整体，纵向层管袋间接错缝应不小于3.0m。

(4)管袋加工好后，折叠成形，堆放于阴凉干燥处，并注明尺寸及铺放位置。

3.2 袋体稳定

人工湖内河调蓄水量过程中，在水流作用下，充泥管袋袋体稳定性是潜岛堤身稳定的关键，也是施工的重点。管袋在不同的施工阶段及后期运行期间，在水流作用下的稳定性分为袋体贴在河床上的稳定性和相邻管袋间的稳定性两种情况。

潜岛堤身构筑施工期间，由于大部分湖底露滩，湖区水位较低，水流速度平缓，几乎无流动。对袋体的稳定基本没有影响。后期湖区调蓄过程中，在水流作用下袋体底部和搭接层面之间的稳定尤为重要。

解决潜岛堤身稳定性最有效的办法是增加管袋长度(L)、设置倾向岛心坡比。但长宽比(L/B)较大的管袋(如长管袋)，由于施工过程排水期间(蓄水后)管袋迎水侧受力不均匀，管袋首端和末端容易发生侧向偏转，与此同时又增加了管袋的迎流面积，从而导致管袋快速横向扭转滑动，严重则使管袋折断。也就是说要增加管袋临界失稳流速，在增加管袋长度的同时，适当增加管袋的宽度，使管袋满足最大的长宽比。根据抗洪工程施工经验最佳长宽比一般控制在L/B=2.1～3.2之间。潜岛堤身基础高程为-0.7m，处于淤泥土的埋深位置，淤泥流塑性较大、变形较严重，在水流作用下易塑化，考虑堤身基底最底层袋体不均匀沉降因素，底层袋体宽度20m，本工程袋体长度取值45m，局部底层袋体长度达到50m。在底层袋体固结、脱水、沉降后(本工程底袋沉降15d)，逐步推进施工上层袋体，上层袋体横向按照倾向岛心1%的坡度进行控制，避免脱水固结期间袋体间侧滑失稳。本工程长宽比控制为2.5。

3.3 工艺流程

潜岛施工前，将湖区蓄水抽排至外海，待人工湖湖区滩面露出水面后，进行潜岛堤身基础基槽冲挖，冲挖至设计标高-0.7m高程后，及时组织基坑验槽，满足设计指标要求，采用人工将充泥管袋袋体摊铺就位，铺设时按测量放样位置定位，底层袋四周用袋装碎石(质量不小于25kg)包压牢固，上层袋铺设时四周用铁丝或碎石包与下层袋体间作固定，防止充泥开始时袋体移动，下层袋体若移动，则在铺上层袋时要作适当的位置调整，确保充泥管袋总体位置准确。

充泥管袋袋体摊铺就位、固定和管口联结完毕后，即启动泥浆泵开始充填，充填过程中注意观察浆水的流向、流量和流速，及时调整输送管口的方向，以免袋体受力不均而导致变形位移。

潜岛堤身充泥管袋充填施工工艺流程如下：

图2 潜岛堤身充泥管袋充填施工工艺流程

3.4 施工工艺

(1)充泥管袋袋体按照设计要求选取原材料，经过加工、制作、验收后即可投入施工使用。依据现场测量放线情况，进行铺设、固定、连接；

(2)确定砂源。潜岛堤身构筑充填砂源采用随塘河或泥库的砂源。吸砂设备供砂于泥库，再由泰兴泵从泥库取砂通过输泥管路筑堤；

(3)人材机准备就绪，具备充填条件后，启动22kW泰兴泵开始充填筑堤。充填过程中注意观察泥浆的流量、流速和流向，及时调整输送管口的方向；

(4)管袋在充填过程中，在袋体顶面采用人工来回踩踏。当管袋充填到一定的饱满度后，采用木棍敲打管袋，促使土颗粒重新排列组合趋于紧密，加快管袋排水固结速度；

(5)当充泥管袋逐渐充满后，进入屏浆工序。屏浆期间，注意控制屏浆压力，防止因压力过大而充爆管袋；

(6)充泥管袋屏浆、固结、脱水后，进行袋体充盈度的检查，如袋体一次充填不到理想厚度，采用复充法。在砂袋稍有固结后，再进行二次或多次充填，直至达到理想的充填高度；

(7)下层袋体验收合格后，进入上层袋体的充填施工。充泥管袋袋体做到排列整齐，无空隙，上下错缝。

4 控制要点

4.1 技术控制要点

(1)砂源粒料尽量采用粉细砂、中细砂，不宜采用粗砂，粘粒含量宜小于10%，充填泥浆浓度控制在20%～45%范围内；

(2)充泥管袋袋体原材应满足抗拉强度、透水性、保砂性要求。本工程采用150g/m2聚丙烯编织布，缝口处折叠3层，宽度不小于5cm，先缝1道，折叠后再缝2道；

(3)充泥管袋袋体在施工时应分层铺设、与潜岛堤身轴线平行，应堆叠整齐，上下层交错排列，错缝间距不得低于3m，在袋体间不得留有通缝、通孔；

(4)相邻充泥管袋袋体接头处应挤靠紧密，充灌搭接在另一袋体上部的袋体时，要先向接缝处充灌，使充泥管袋袋体在砂重力的作用下紧贴下层袋体表面，避免该砂袋在接缝处悬空形成三角缝，不得出现通长底部三角缝，如出现局部三角缝要用袋装砂填塞严密；

(5)袋体充填厚度应控制在适当的水平上，每层袋体厚度控制在0.5m～0.6m；

(6)充泥管袋袋体充填时，首先沿长边方向进行充填，避免应力集中损坏袋体，并在充填过程中经常调整出泥管口方向，防止袋体在充填过程中受力不均而移位变形，待袋体固定不再发生位移时，再次充填，直至达到理想的充盈度；

(7)泥浆泵吹填压力不宜过大，管路出口压力应控制在0.2MPa～0.3MPa。当袋体逐步充满后，要十分注意对屏浆压力的控制，防止布袋破裂；

(8)根据地勘报告、潜岛堤身棱体形状、袋体充填高度确定沉降比例，预留一定的抛高。本潜岛堤身充泥管袋抛高0.6m。

4.2 质量控制要点

(1)充泥管袋施工是潜岛堤身构筑工程的关键工序，是确保工程质量，加快工程进度，确保施工工期的重要工序；

(2)砂源选择结合设计要求，含泥量不超过5%，严格控制泥浆浓度，在满足输送条件的前提下，尽量提高泥浆浓度，加大输送力度；

(3)充泥管袋袋体吹填施工进度必须按计划均匀加荷，且不得大于最高荷值，确保袋体吹泥充填的均匀性；

(4)加强充填过程中测量工作，依据施工图纸及施工情况，每层充填时均需要测放边线，保证坡比。从开始充填到滤水结束均保证袋体均匀加高，使管袋平整。滤水结束后，管口处人工填砂找平；

(5)砂袋的充填高度应控制在适宜水平上，每层的充填高度、泥浆的浓度、充填饱满度、管路出口压力等参数要严格控制。在充填过程中如一次达不到理想高度，待砂袋稍有固结后，再进行二次或多次充填，直到理想的充填高度；

(6)施工时还应特别注意同一层袋体的厚度基本上保持一致，以便于下一层的施工和质量控制。充填管袋固结后的容重达到15kN/m3；

(7)施工过程中，每层袋体吹填需待下层袋体排水固结后，再铺设上层袋进行充填施工；

(8)新充泥管袋袋体不得用锋利的块石堆压，以免割破袋布。袋体若出现破损或孔洞，应及时修补，修补原则采用相同材料，并且缝接宽度不应小于150cm；

(9)潜岛堤身护坡整坡或施工护坡结构前，应将充泥管袋用砂或袋装砂找平、压实，不应破坏原有袋体，若必须破袋削坡须重新将袋布缝制包好；

(10)潜岛堤身基础根据基槽淤泥土层状况，为保证充泥管袋袋体稳定，局部淤泥区采取滩面软体排铺设，并清除表层杂质，同时按照相应断面设计好袋体尺寸；

(11)充泥管袋接近合拢时，应先将底袋全线贯通；

(12)在潜岛堤身充泥管袋棱体形成到一定高程后才能进行岛心吹填砂的施工。为保证工程质量安全，温度低于5℃时，所有充泥管袋工程不宜施工。

4.3 安全控制要点

(1)充泥管袋施工附属配电设施设置防潮措施，防水电缆采取泡沫浮板固定，避免线路浸泡泥浆中，同时要求电工持证上岗，加强电器安全防护设施维护，确保用电安全；

(2)泰兴泥浆泵及其配套设施定期检修、保养、维护，保障设备完好率，对传动防护部位加强管理，进行不定期检查，保证设备正常运转，减少人身机械伤害；

(3)输泥管路接头须做好密封工作，杜绝跑、冒、滴漏现象，避免环境污染，造成附近植被的破坏；

(4)潜岛堤身每隔50m设置一道集流沟，将袋体泥浆固结水体引流至集水坑内进行沉淀，杜绝泥浆四溢现象发生；

(5)充泥管袋袋体在充泥施工过程中受到泥浆的顶涨力，由于袋体里的泥浆流体受到时间、泵压、液压、排水、固结等综合因素的影响，其受力分布极不均匀，无法准确测量袋体受力，合理选择最佳施工参数，避免爆袋现象；

(6)管袋充填过程中，应加强袋体观测，注意袋内泥浆流体的顶涨力，根据情况合理移动充填位置，避免应力集中，保证袋体均匀受力。同时，控制好潜岛堤身充泥管袋坡比，杜绝出现袋体侧滑；

(7)施工期间应加强已建堤身沉降位移观测，如出现异常现象，则立即停止加载，然后根据具体情况采取应急措施。

5 应用前景

上海浦东国际机场二级排水扩建工程人工湖湖区潜岛堤身构筑采用充泥管袋施工工艺，具有可就地取材、造价低、施工速度快等优点。目前我国在北海建造、浦东机场围堤、青草沙水库围堤工程中广泛应用充泥管袋施工技术，充泥管袋工艺比较适宜于在中低滩面上筑堤、挡潮、维护等，有着广阔的应用前景。

5.1 堤岸维护

我国大部分河流堤岸上世纪八九十年代设计标准为50年一遇，据报道近些年受大气变暖影响，风暴潮有增加的趋势，洪水爆发频繁、部分堤岸需加固维修；我国海平面也在以1.5mm/a的速度上升，为了防御海平面上升和风暴潮的袭击，也需要不断加高河堤、海堤或修建新的海堤。

5.2 围海造地

我国人口众多，土地资源非常宝贵，围海造地成了众多沿海大中城市解决土地资源短缺的好方法，尤其是那些缺乏砂石料的城市(如上海、厦门)，围堤完全靠砂石料不现实，而充泥管袋技术用的是当地淤泥，砂石料缺乏问题迎刃而解。目前我国不断推进近海区域人工岛建设，需要修建大量围海堤防，同时我国海生鱼类养殖业、盐田建设也在不断向海域发展，需要建设大量海堤。

5.3 抗洪抢险

目前，抗洪抢险多采用装砂土的化纤编织袋(或草袋)，单个化纤编织袋装土容量约25kg。采用充泥管袋装土容量约为单个化纤编织袋的2500倍及以上(宽5m～30m，长15m～90m，高度0.5m～2.0m)，充泥管袋充泥强度大、体积大，同时可以提高抗洪抢险的效率，不失为抢险首选。

5.4 淤泥清除

日前，大中城市河流黑臭体的处理备受人们关注。通常做法是将黑臭淤泥外运至郊区垃圾堆场，既花费大量人力物力，又占用宝贵的土地资源。充泥管袋技术，为解决此类问题提供了一条新途径。可以把高含水量的黑臭淤泥充填至土工织物袋中，加载预压，加快淤泥的排水固结。固结后的土体可以直接堆叠管袋用于修筑围堤。

采用充泥管袋技术具有重大的经济效益和社会效益，充泥管袋技术同时可以尝试应用于其他建设领域。

6 结语

浦东国际机场二级排水扩建工程人工湖湖区潜岛堤身构筑完成吹填充泥管袋4.0万m3，袋体制作1.8万m2，施工历时38d，投入泰兴泵(22kW)4台套，日工作时间12h。白天施工充填管袋，夜间排水固结，合理统筹安排充填管袋时间。本项目每台泰兴泵配置4人，设备功效为175m3/台日～190m3/台日，人均功效为45m3/台班～50m3/台班(按8h计)。施工效率较高，施工成本较低。与近期土石机械填筑堤防单价及同期一般劳力市场单价相比，节省投资。

充泥管袋技术可以就地取材，也可以利用污泥充填管袋，解决供料问题，利于环保。同时，充泥管袋技术可以带水作业，雨天仍可施工，无需排水，解决涉水区域传统排水筑堤及高价材料费的难题。正因为充泥管袋技术具有施工简单、操作方便、进度快、成本低、环保等优点而被广泛应用于沿海堤防工程建设中。作为一种新型技术，在今后的工程实践中，应进一步探索研究，趋于完善，使充泥管袋技术更加合理，应用于更广阔的施工领域。