膜袋砂围堰在板屿水闸施工中的应用

黄舜祥

（福建省惠安县外走马埭海堤管理处，福建 泉州362100）

引言

水利建设工程中河道当中的淤泥含水量极高，但是承载能力不足，对于由普通砂土形成的围堰会产生非常严重的沉降，进而影响稳定性，由于淤泥产生了扰动，经常产生滑塌和难以成型等问题，因此围堰施工技术是关键环节。膜袋砂具有许多技术优势，在现场进行施工的过程中可以直接使用膜袋来进行膜袋砂充填，也可以按照工厂生产的标准进行缝制，在成型之后运输到现场直接使用。在充填时如果使用海砂可以直接从海滩、内河道取材，还可以使用船只送至专门的膜袋泵进行充填，采用这样的充填方式不仅可以实现资源的高效利用，同时整个施工过程变得更加简单，在对环境进行保护的同时，实现了较高的经济效益。因此，膜袋砂围堰具有丰富的应用与研究价值。

1 工程概况

板屿闸临海侧围堰防潮标准不低于原海堤防潮标准，围堰设计潮位应为50年一遇高潮位为4.83 m。背海侧导流建筑物级别为4级，洪水重现期为10年标准，相应背海侧非汛期流量为113 m3/s。临海侧围堰堰顶高程为原海堤顶高程7.50 m。临海侧围堰采用石渣围堰，堰顶宽4.0 m，围堰长240 m，迎水面边坡为1∶2.0，背水面边坡为1∶1.5。

背海侧围堰堰顶高程为2.00 m。结合水闸背海侧捕捞桥，可安置闸门作为背海侧挡水建筑物，需拆除混凝土7.0 m3，预制混凝土闸门32座，每座闸门分为5节，单节混凝土闸门尺寸为1 m×2.6 m。闸门背水侧填筑粘土防渗，同时作为两岸临时交通。

2 围堰设计

2.1 断面设计

根据潮汐资料临海侧平均高潮位为2.35 m，最大值2.47 m，为此首先需要修筑吹砂充填膜袋围堰，然后在此基础上修建石渣围堰。对于修建的吹砂充填膜袋围堰的要求为高程是3 m，顶宽是4 m，坡度为1∶2.0。围堰还需要铺设20 cm厚C20膜袋混凝土以防止渗漏，此外在石渣围堰和膜袋混凝土之间还需要铺设垫层，垫层的厚度是20 cm，使用的物料为砂砾石；背海面需要使用石块进行防护，厚度为40cm。围堰和原堤接触的部位要做好防渗保护，以便水平铺设土工膜，土工膜上浇筑500 mm厚混凝土作为防渗体。典型断面如图1所示。

图1 典型断面图

2.2 围堰稳定性验算

本工程假定围堰滑动土属于不变形的刚体，在对其稳定性进行计算时采用毕肖普法。设立围堰的地方潮位变化明显，含水量高、孔隙度高、孔隙压力大。在对土坡进行划分时采取的是沿竖直划分的方式，土体可以被划分为若干条竖直长条，比如在对其中的第i条土条进行受力分析时，假设该条土体之上的土条自重是Wi，土条弧面上的法向反力为Ni和切向阻力Tri、孔隙应力大小为Ui、两侧作用力为Xi、Ei和Xi+1、Ei+1。计算简图如图2所示。

图2 毕肖普法受力简图

采用毕肖普法进行计算时首先需要考虑力矩的平衡，同时还要考虑每一土条竖直方向力的平衡，所以根据力矩平衡原理，以及竖直力平衡原理进行围堰土坡稳定安全系数推导，可得：

式中c和φ——分别表示土层的粘聚力和内摩擦角；

Fs——土坡稳定性系数；

γ——土层的计算重度；

θi——第i个土条到滑动圆弧圆心与数值方向的夹角；

hi和bi——代表的分别是第i条土的高度和宽度。

本围堰验算过程中，主要参数有：共有50条块，开挖的基坑深度是2.38 m，内外侧水位到坑顶和坑底的距离分别是2.37 m和1.5 m。放坡的高度是2.38 m，宽度是3.56 m，平台的宽度是16 m。汽车的载重是55 t，荷载宽度是1.5 m，距离边线的距离是1 m。砂砾土层，厚度是2.37 m，单位土的重量是20 kN/m3，内摩擦角的大小为15°，粘结力是13 kPa，饱和重度23 kN/m3。

依据上述给出的参数进行计算，可以得到围堰开挖后安全系数的大小是Ks=2.40，因此，完全符合规范Ks≥1.35的要求。

3 围堰施工方法及措施

3.1 抛石挤淤

石料采用自卸汽车运至施工现场，到达现场后使用挖掘机进行抛石，采用的方法为进占法。

抛石须分层抛填。抛石的基本顺序是先从中线开始向前抛填，然后向两侧延伸，长度为20～50 m，采取依次推进方式进行；能上大型机械进行施工是第一层抛石厚度的基本要求。经过检验如果没有出现块石头的明显下降，则可以开始下一阶段的施工；如果沉降比较明显，则必须再进行一层抛石然后碾压，直到没有明显的下降为止。

3.2 充填膜袋砂

3.2.1 膜袋材料要求

充填袋选择的标准是具有良好的透水性和保土性，需提供厂家的生产合格证书和检测，水面以上的砂袋需采用防老化土工布，必须满足在暴露使用3个月之后仍然有较高的强度，基本在原来强度的80%左右。

膜袋充填施工的基本步骤是膜袋缝制—→膜袋定位—→膜袋充灌—→膜袋检查验收。

3.2.2 围堰主要施工方法

膜袋铺设：膜袋按照设计要求在缝制完成之后运输到施工现场，按照围堰轴线方向进行摆放，通过人工铺设的方式将膜袋铺设在设计边线之内。在完成膜袋铺设之后，围堰边线外侧需要设立几根10 cm厚的木桩，然后将膜袋固定在木桩之上，具体如图3所示。

图3 膜袋定位示意图

膜袋充填：海砂是本次围堰充填的主要材料，充填采用6PN-150水力冲挖机组，先充填中间再充填两边，避免出现褶皱，在沉放第2块膜袋时需要预留搭接长度，然后进行定位，采取依次沉放的方式进行。

3.3 石渣填筑

3.3.1 石渣填筑施工

石渣填筑工艺流程：填料运输—→卸料—→摊铺平整—→洒水—→振动碾压实—→质量检测。

铺料：施工过程中，使用载重为30 t的自卸车运输物料，物料到达现场之后沿着工作面的前沿进行卸料（离端点2～3 m处），铺料方式为进占法，厚度为50 cm，摊铺使用装载机进行，直到整体基本平整，起伏高度控制在10 cm以内。

洒水：气温高或者风力大时，使用洒水车进行洒水，在洒水之前首先进行一次碾压，然后一边洒水一边进行压实，洒水的基本要求是均匀、不间断、连续。

碾压：对石渣层进行碾压时，使用18 t的震动碾。碾压路线是沿着铺料方向，与围堰的轴线垂直，采用进退错距法进行碾压，同时在进退的过程中要与相邻单元产生联系，确保施工的连续性。

3.3.2 膜袋混凝土施工

施工程序：摊铺膜袋布—→混凝土的输送及充灌—→清洗膜袋混凝土表面及前期防护—→循环至下一块模袋。

1）铺设膜袋布。将膜袋布运输到工地之后，按照要求进行整齐叠放，在进行单块膜袋布铺设时顺序为从上到下，从上游到下游。一个铺展块的长度是16 m，采用缝接的方式连接展块，上下两层都要进行缝接。在进行充填之前要对膜袋布进行调整，水平方向需要保持一定的松紧度，留足收缩长度，通常情况下为每仓水平长度的10%。

2）混凝土输送充灌。混凝土泵送时需要扎牢泵管和充灌口，将泵管垂直插入膜袋。顺序为从上到下，先进行压顶然后护脚，最后进行护坡，在进行充灌时需要对膜袋的松紧程度进行及时的调整，从而确保施工完成之后坡面仍然能够保持美观。通常情况下控制充填速度为10～15 m3/h，压力控制在0.2～0.3 MPa，泵送时距离不得超过50 m。每次进行充灌时必须要确保连续，在充灌将要完成时需要停泵3～5 min，直到膜袋析出水分，然后接着进行充灌，一直到饱满为止，充灌完成后需要将管撤出，然后将冲灌口扎紧，并将袋口塞入护坡体内并缝合。

3）膜袋混凝土表面清洗。完成膜袋混凝土充灌30 min之后，需要将膜袋表面的灰渣及时进行冲洗，保证干净和美观。膜袋混凝土充灌结束8 h以内禁止人员踩踏和压放重物，并适时洒水养护。

3.4 施工排水

施工排水包括初期排水及经常性排水。

初期排水中的水主要来自于围堰闭体之后在基坑中存留的水，在进行排水时需要将从围堰深入到基坑的水量和降雨考虑在内。选择水泵的数量是初期排水量的主要确定依据。在进行初期排水量确定时可以根据地质情况、施工条件和工期长短进行估算：

式中Q——初期排水流量（m3/s）；

V——是基坑积水的体积（m3）；

K——积水系数，将围堰存在基坑渗水和降雨的可能性考虑在内，在中小工程中K的大小为2～3；

T——初期排水时间（s）。

渗水、雨水和施工废水属于经常性排水，其中可以忽略的是基坑渗水和施工废水，所以在考虑水泵数量时可以排除雨雪水。

1）汇水面积：本工程中水闸基坑汇水面积较大，大小在5 500 m2左右。

2）降雨量：设计排水系统时特大暴雨的降雨量按照250 mm/d计算。

3）每天排水量大小为1 375 m3。

4）集排水设置：在开挖基坑之前，首先在防冲槽处进行开挖，然后进行抛石，在防冲槽之内需要设计一个抽水坑。在施工的过程中根据现场实际情况开挖排水沟，保证雨水在降落之后都可以流入防冲槽，基坑之内要确保无水作业。在进行水泵安设之前需要将临时水坑之内的水抽到围堰外侧。

5）排水设备配备：配备排水设备的主要依据是最大日积水量，功率为22 kW、扬程为20 m型号为100SNL150-20-15的潜水泵。需要水泵的数量是：n=1375/（24×150）=0.38台，取n=1台；考虑到极端情况，现场共需要水泵2台，其中有1台属于备用泵。

6）经常性排水运行时间约10个月，2020年3—12月。

3.5 围堰的检查与维护及拆除

施工期间安排专人对围堰进行检查巡视，发现问题及时处理，确保施工期间围堰的安全。

围堰在完成后可能会出现渗透问题，所以对围堰要进一步压实，一旦出现渗漏需及时进行水泥灌入，阻止渗漏。在施工中要采取块石护脚或土袋护脚防护措施，检查水流冲刷。汛期必须对围堰进行加固，随时观测围堰的变化，遇有紧急情况立即采取有效措施，确保施工围堰安全。为预防堰体渗漏和溃坝，事先准备好土工编织袋以及灌装好的袋土、木桩等。在汛期来临前，组织人力、物力突击，在原堰顶位置用袋土加高围堰，确保围堰高度满足该水位下的设计要求。

在对围堰进行拆除时，首先需要上报到监理人进行批准。监理人批准拆除后，使用挖掘机进行挖土作业，然后使用自卸汽车将土运送到废弃区域进行堆放。为了保证后期围堰拆除的顺利进行，确保挖掘机有足够的停放位置，可以将围堰与堤身之间的粘土回填到围堰顶面，实施退拆作业。

3.6 围堰监测方案

3.6.1 水位监测

布设水位观测点需要遵守的原则是“牢固适用，便于观察”，在监测点布设的过程中可以在围堰对岸合适的位置设置水标尺，在进行测量时，使用水准仪将监测点的实际标高测出，然后根据刻度来安装水标尺，且结实耐用，监测点位置的选择要合理，在围堰外和围堰内都要布设观测点。

3.6.2 围堰结构变形监测

可以采用目测和仪器监测相结合的方式来监测围堰的结构变形情况，目测主要观察的是围堰是否有明显的裂痕产生，是否有塌方和渗水。在选择围堰监测点埋设位置时，优先选择变形幅度大、变形速率快的位置，遵守的基本原则是可以快速反应围堰的变形。

3.6.3 水平位移量测

采用测边交会法对水平监测点进行观测，安装监测点棱镜时需要使用强制归心装置，确保符合精度要求。变形点与工作点位置之间的误差控制在≤±2.0 mm之内，通过两侧测量求出平均值的方式来确定各监测点的水平位移量，水平位移量的精度控制在毫米级，将测量数据进行记录。

3.6.4 沉降测量

优选精度较高的电子精密水准仪，变形点垂直误差的控制范围是≤±0.5 mm。为了确保监测精度，各监测点的工作基准点应该在一个闭合路线之内，采取两次平均值的方式来确定各监测点的沉降量，沉降量精确到毫米级，记录测量数据。

3.6.5 围堰监测频率

监测频率要考虑时效性和计划性，具体可以根据表1所示来进行确定，如果出现较大险情，需要提高监测频率，在监测值趋于稳定之后，降低监测频率。

表1 围堰施工监测频率表

4 结语

本工程当中使用膜袋砂围堰防浪挡水效果十分明显，具有良好的稳定性，且施工材料取材方便、施工周期短、成本低，不仅提高了施工速度，且节约了大量的时间和经济成本，符合环保要求，可大面积推广，此外还可以考虑使用新型材料，比如土木膜和土木布，从而进一步降低工程成本。