复杂流态下长江深槽岸坡沙袋防护设计与施工

李铭华，严 彬，朱相丞，樊昆澎，孙明辉

(1.南京市长江河道管理处，江苏 南京 210011；2.南京市水务建设工程有限公司，江苏 南京 210011)

近年来，长江南京段河势持续改变和调整，护岸工程面广量大。水下岸坡防护是护岸工程的一种，水下岸坡防护中抛石应用最为广泛，其特别适用于水深流急、水流紊乱等流态复杂河段的防护。但是，由于近年来抛石所需石料来源枯竭，人们一直在寻找能够替代石料的防护材料。沙袋由土工织物袋充沙而成，在水下能形成抗冲实体，具有取材容易、经济环保、施工方便等优点。最早埃及将沙袋作为临时措施用于尼罗河防治；20世纪50年代荷兰、墨西哥、德国、美国等在河道、海岸防治中有所应用；20 世纪 80 年代我国采用编织袋充土修筑围堰，之后在长江、黄河、汉江等大江大河及其支流中都有应用[1]。长江下游河道整治工程中沙袋主要应用于筑坝、填槽，如镇江和畅洲左汊潜坝工程[2]、新济洲汊道中汊封堵工程[3]、南京大胜关填槽工程[4-5]等，南京水科院曾就沙袋护坡开展过水槽试验研究。本文以长江南京八卦洲头右缘深槽岸坡防护工程为例，主要论述复杂流态条件下深槽岸坡沙袋防护工程设计以及为确保沙袋抛投落点位置准确所采取的施工措施，为类似工程提供参考。

1 河段概况及河势问题

长江南京八卦洲河段主泓长约18 km，为鹅头分汊型河道，左汊为支汊。分流段主流靠左，左汊河道沿程阻力大于右汊。受此影响，主流在左汊口门处向右急转越过洲头鱼嘴后贴洲头右缘后挑流顶冲右岸燕子矶段(图1)。洲头区域水深流急，主流多次转向，水流流态、流场空间分布复杂多变。八卦洲头右缘水下深槽1983年后形成，近年来，深槽继续向下、向近岸发展。深槽岸坡冲深变陡，坡比约1:2，岸坡稳定性较差；八卦洲左汊总体呈缓慢淤积萎缩态势，左汊河道阻力呈加大态势，洲头横向漫滩流对洲头右缘深槽的冲刷加大，严重威胁洲头右缘岸坡稳定。

图1 八卦洲汊道河势

2 工程设计

2.1 水文条件

防洪设计水位8.50 m(85高程)，设计枯水位1.0 m，设计流速3.0 ms。

2.2 地质

深槽岸坡最深处高程-46.30 m，滩顶至河床最大高差超过50 m。水下岸坡段的岩性上部为②1粉质黏土(软塑-流塑)、②2淤泥质粉质黏土，下部为③粉砂(松散-稍密)、⑤细砂(中密-密实)。河床主要物质组成上部为⑤细砂(中密-密实)、⑤1粉质黏土(软塑-可塑)，底部为砂砾石层。

2.3 结构断面设计

2.3.1比选方案

初拟4个方案进行比选(图2)。

图2 比选方案断面(单位：m)

2.3.2岸坡稳定计算结果

采用“瑞典圆弧滑动法”分析岸坡稳定性，各方案抗滑稳定安全系数Kc计算结果见表1。

表1 抗滑稳定安全系数Kc计算结果

2.3.3断面设计

计算结果表明，方案2、4不能满足GB 50286—2013《堤防工程设计规范》规定的“2级建筑物正常运用条件下岸坡抗滑稳定安全系数应大于1.25”的要求。方案1与方案3均能满足规范要求，方案3工程量少于方案1，故优于方案1。基于方案3，综合考虑工程投资和岸坡稳定性，进一步将断面形式优化为3级复式断面，顶高程-5 m、顶宽5 m，坡比1:3，二级平台顶高程-15 m、宽5 m，坡比1:3，三级平台顶高程-25 m、宽10 m，坡比1:3(图3)。同时，为防止工程前沿冲刷影响沙袋防护体的稳定，对坡脚进行抛石防护，抛石厚2 m，宽30 m。该结构断面岸坡抗滑稳定安全系数Kc=1.32～1.42，符合规范要求。预计工程建成运行后，工程前沿会发生冲刷下切，按工程前沿河床估算冲刷深度及稳定边坡为1:3核算，岸坡抗滑稳定系数Kc=1.29～1.31，满足规范要求。

图3 结构断面

2.4 沙袋体型设计

八卦洲段深槽岸坡防护沙袋典型外形见图4。直径1.2 m，长度10 m，每个沙袋同侧分别保留3个直径200 mm的袖口，袖口间距4 m，袖口外缝接长500 mm的同面料、同直径、两端敞口的袖袋，中间袖袋用于吹填沙时的水沙进口，两端袖袋用于出水。沙袋起动流速U大于设计流速，该沙袋单元在水流作用下能保持稳定，起动流速计算公式为[6]：

图4 沙袋体型

(1)

式中：U为失稳流速(ms)；k为修正系数，取0.713；f为材料的摩擦系数；ρs、ρ为沙袋和水的密度(kgm3)；g为重力加速度(ms2)；D、L为沙袋投影后在高、长方向的尺寸(m)。

2.5 充填料、土工织物设计

充填料为八卦洲左汊进口黄家洲边滩产生的天然江沙，充填沙黏粒含量不大于10%。土工织物袋由丙纶长丝机织土工布缝制而成，本工程按水利水电工程设计，根据SLT 225—1998《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》，其保土性应满足：

O95≤0.5d85

(2)

式中：O95为土工织物等效孔径(mm)；d85为充填沙的特征粒径(mm)。

土工布物理特征见表2。沙袋充填度≥70%，沙袋充填完成后，将每个袖袋折叠，再用专用绳绑扎封口。

表2 丙纶长丝机织土工布物理力学特征

3 工程施工

3.1 施工流程

深槽岸坡沙袋防护施工采用水面平台上充填沙袋抛投工艺。施工流程为：布设控制点→抛前水下地形测量→分层、分区、分格→测量抛点水深、流速，计算、确定和调整抛投落距→抛投船抛锚预定位→运沙船靠泊→验袋充沙→验沙袋抛投→抛投后施工船移位，继续下一轮抛投(直至该区域或层次抛投结束)→抛后测量→移至下一区域或层次抛投→竣工测量。

3.2 施工重难点分析

在复杂流态条件下，如何确保沙袋抛投落点位置准确是工程施工的重点和难点。

3.3 采取措施

3.3.1优选施工船舶

深槽岸坡沙袋防护施工流程中，沙袋抛投工艺较为重要，施工工艺一般有铺排船翻板滑抛和开体驳抛投两种抛投工艺。铺排船翻板滑抛(图5)是先将铺排船翻板处于水平状态，在其上验袋充沙后，将翻板缓缓放下，同时利用水枪冲击沙袋底部，形成水垫，沙袋滑入江中。单层抛投；开体驳抛投(图6)是在开体驳船舱内验袋冲沙后，开体驳船舱打开，沙袋直接入江；多层抛投。本工程采用的开体驳船总吨位(GT)640 t、净吨位(NT)358 t，总长51.5 m、型宽10.6 m、型深3.9 m。

图5 铺排船翻板滑抛

图6 开体驳抛投

通过分析，最终采用开体驳抛投工艺。该工艺下，沙袋落点位置相对准确，主要原因有：

1)沙袋排水到位，漂距计算更准确。铺排船翻板滑抛时，沙袋通过袋体自身渗水、人工踩踏加速排水，排水时间长；开体驳抛投时，沙袋通过上层沙袋自重压实，排水速度快、效果好。沙袋充分排水密实后，沙袋的自质量和含水量基本一致，在水中的漂距更有规律，根据漂距公式计算得出的沙袋漂距更加准确。

2)定位更可控。沙袋在水中的漂距与水深、流速及沙袋自质量有关，铺排船翻板滑抛每次抛投4包，一次循环10 min，而南京河段属于感潮河段，河段水位受长江径流与潮汐双重影响，水位每日两涨两落，水深、流速时刻在变，每次抛投前都移船定位很难做到，一般采用1 h移船定位1次；开体驳抛投每次充填6层33包，一次循环70 min，定位更可控。

3)入水姿态更好。开体驳满载时，沙袋位于水面以下1 m处，开体后，水先包裹住沙袋再沉入水中。而铺排船翻板滑抛时，沙袋位于水面上一定高度，沙袋滑下时，入水姿态难以控制。

3.3.2合理分层分区

合理分层分区的目的是除了确保沙袋抛投均匀外，也保证沙袋落点位置的准确。防护沙袋从江底填筑至-5m，回填厚度最深处达35 m，填筑时遵循先上游后下游、先深泓后浅滩的原则。施工前先根据等高线将沙袋分为7层，每层5 m，再根据开体驳货仓尺寸，将每层划分为若干个30 m×7.5 m的小格，然后计算出每个小格的回填量，通过定点定量的抛投方式，在每个区格内抛投沙袋，填筑完1层后再填筑下1层，均匀回填上升。

3.3.3生产性试验研究

为保证沙袋落点位置准确，施工前进行沙袋抛投试验研究，主要目的是为了寻找沙袋的漂距与水深、流速之间的关系以及沙袋充填时间与充填度之间的关系。

1)沙袋的漂距与水深、流速之间的关系。

漂距经验公式：

s=KvHW

(3)

式中：s为沙袋纵向水平漂距(m)；K为经验系数；v为施工时抛枕部位水面流速(ms)；H为抛区相应水深(m)；W为沙袋质量(kg)。

经试验，沙袋漂距的经验系数K值平均为1.72，水体表面流速比平均流速慢0.14～0.20 ms。故将施工时流速仪所测得的水体表面流速加0.17 ms作为平均流速、K值系数取1.72，以此指导施工。漂距与水深、流速关系见表3。

表3 漂距与水深、流速关系

2)沙袋充填时间与充填度之间的关系。

经试验，沙袋充填时间宜在11 min。沙袋充填时间与充填度关系见表4。

表4 沙袋充填时间与充填度关系

3.3.4二次定位法

沙袋抛投定位采取二次定位法，第一次定位是在沙袋施工前进行预定位，将开体驳定位至抛投区格的上游经验预定位置，待沙袋充填至第5层时，根据实时采集的水深、流速计算出沙袋漂距，再通过软件实时动态测量，将开体驳精确定位，确保每次抛投的准确性。

3.3.5动态量测修正

移船定位时采用GPS-RTK实时动态测量，利用软件将开体驳船型示意到CAD图上，可直观地看到开体驳是否定位在指定位置，水上定位测量时可极大地提高作业效率。

3.3.6加密检测频次

每层填筑后即利用多波束测深系统进行检测，检测是否达到预定高程，对未达到高程的区格进行标注，在下一层施工时补抛。

4 结语

1)深槽岸坡采用3级复式断面沙袋防护，顶高程-5 m、顶宽5 m，坡比1:3，二级平台顶高程-15 m，宽5 m，坡比1:3，三级平台顶高程-25 m，宽10 m，坡比1:3；沙袋单元直径1.2 m，长度10 m；充填料为八卦洲左汊进口黄家洲边滩天然江沙，充填沙黏粒含量不大于10%；沙袋采用丙纶长丝机织土工布缝制，沙袋充填度不小于70%，充填完成后将每个袖袋折叠后用专用绳绑扎封口。工程设计方案技术可行。

2)采用开体驳抛投工艺，结合施工船舶尺寸合理分层分区，施工前开展生产性试验确定沙袋充填时间及沙袋漂距经验公式中的K值系数，施工时利用二次定位法、动态量测修正、加密检测频次等，可以确保沙袋抛投落点位置准确。