减少围堤施工中沿堤流冲刷破坏对策研究

朱林志 ZHU Lin-zhi

（南通市交通运输综合行政执法支队，南通 226000）

0 引言

通州湾新出海口一期项目位于匡围一期项目北侧，新建一条L 型导堤，全长约3.4km。通道堤身采用“充填砂袋双棱体+吹填堤心砂”的结构型式；护坡为反滤布+袋装碎石+块石+扭王块体的护面结构；护坡外侧设置块石镇压平台和块石防冲刷护底。该项目合同工期要求在汛期前完成扭王字块安装全线至+8m 高程，全断面达到防汛要求。水下通长砂袋是围堤的基础机构，在施工中处于关键线路中，为关键工作，施工时间直接关系到本工程的工期，按照合同约定、施工进度计划安排及汛期要求，棱体袋需要在规定日期前全天候露出水面。

该工程工期至关重要，而影响工期的重要因素就是在新构筑的棱体附近容易形成沿堤流沟槽，造成堤身失稳，因为该工程中棱体袋属于不透空建筑物，与潮流向存在较大的夹角，收棱体带两侧存在较大水位高差，受到沿堤流的不断冲刷，低潮露滩时存在较多的冲刷凹地，一些汇水性好的沟槽则不断向岸延展伸长，并在滩地微地貌的影响下出现分叉型冲沟，各种沟支汊不断溯源侵蚀发育成滩面水流冲刷型或潮流辐聚侵蚀型潮沟系统。而且经资料查阅，该区域沿堤流冲刷破坏堤身现象频繁出现。减少沿堤流冲刷破坏直接影响到该工程是否能够在汛前节点目标，所以本文通过研究对策减少沿堤流冲刷破坏，保障工程顺利完成。工程平面布置示意图如图1 所示。

图1 工程平面布置示意图

1 研究现状

经过现场调查，认为本工程汛前节点目标能否完成取决于通长砂袋的施工进度，而影响通长砂袋施工效率的因素主要是高滩围堤施工过程中，新构筑的棱体附近滩涂极易生发形成沿堤轴方向的沿堤流沟槽，并且沟槽不断摆动导致围堤下蚀，最终造成堤身失稳而溃堤。防范围堤实施过程中新生沟槽对堤身棱体的冲刷破坏影响相当关键[2]。

围堤施工过程常常会引起附近水流变化，进而影响工程施工，如何有效防治施工期水流变化影响已成为围堤施工的重点及难点。尤其是粉砂淤泥质潮滩地质条件下的围堤，泥沙易启动易落淤，施工期极易受潮流变化影响侵蚀堤脚产生冲沟，严重时甚至形成与堤身垂直的贯通槽，形成龙口，危及堤身安全。通州湾位于南通市腰沙、冷家沙区域，地处辐射沙洲南缘，项目所处的浅谈区域由于砂质颗粒细，受潮汐涨落的影响易起动，呈现波浪掀沙、潮流移沙的特点。浅滩区均表现为涨潮漫滩和落水归槽的运动形式，表层土对水流变化反应强烈，容易发生冲刷等地形变化；同时由于土质无黏性，堤基易发生渗透破坏，渗透变形机理复杂。

2 现状分析

本文应用分层法对沿堤流发展过程、围堤变形破坏类型进行分析，我们可以得到这样的结论，南通通州湾地区粉砂淤泥质滩涂变形破坏主要有冲刷破坏和渗透破坏两种类型。其中冲刷破坏根据破坏原因又可分为沿堤流冲刷破坏以及堤身翻水冲刷破坏[3]。通过查阅匡围一期通道施工总结，在工程完工后的保修期间，仍然受到沿堤流影响，多次出现冲刷损坏的现象，增加了项目成本。减少围堤施工沿堤流冲刷破坏影响也是我们要解决的主要问题。

根据现状调查分析结果，确定把解决减少围堤施工沿堤流对堤身的冲刷破坏影响作为本次研究的着手点。经过讨论和研究，最终确定本次研究的目标为：减少沿堤流对棱体袋抬升过程中的冲刷作用，避免出现袋体破损的现象，如图2 所示。

图2 影响通长砂袋充灌效率分析图

制定此次研究目标主要依据以下几点内容：

①按照施工整体进度要求，为了达到合同工期要求，节点日期前全断面须达到防汛要求，根据匡围一期施工时存在的沿堤流冲刷破坏堤身现象频繁出现，我们觉得提前加强对堤身的保护，将沿堤流破坏影响将至最低。

②工程所处水域位于南通通州湾地区粉砂淤泥质滩涂，项目所处的浅滩区域由于砂质颗粒细，受潮汐涨落的影响易起动，呈现波浪掀沙、潮流移沙的特点。浅滩区均表现为涨潮漫滩和落水归槽的运动形式，表层土对水流变化反应强烈，容易发生冲刷等地形变化；同时由于土质无黏性，堤基易发生渗透破坏，渗透变形机理复杂。工程区域位于腰沙根部高滩，呈西高东低、北低南高的趋势，低潮时滩面全部露出。开工建设前滩面高程在低潮位以上1.33～4.53m，大部分区域在平均潮位以上0.10～1.84m。工程区域浅部20m 深度范围内分布着粉细砂（厚度6～15.0m）和淤泥质粉质黏土夹粉砂（厚度1.0～11.9m）。砂质颗粒极细，受潮流影响易启动易落淤。

基于以上两点分析，我们可以通过减少沿堤流对棱体袋抬升过程中的冲刷作用，避免出现袋体破损的现象。

针对“匡围一期出现的沿堤流、堤头扰流产生的滩面冲刷，造成部分堤段护脚塌陷，对堤身上部结构施工造成了一定影响”，对如何提高充灌效率进行了深入探讨，详细分析了类似工程的施工方法及工艺要求。通过分析项目概况、总结围堤变形破坏类型、分析匡围一期堤身冲刷原因、工人技术交底掌握情况总结、潮位信息情况分析、各项制度执行情况总结、滩面冲刷监测情况分析等措施，然后对各种因素进行分类汇总，最终得到“袋体质量较轻”和“抛石护底不及时”两条主要的影响因素。

3 措施方案

针对“袋体质量较轻”和“抛石护底不及时”两条主要的影响因素，分析可行性的对策，从有效性、可实施性、经济型、可靠性4 个方面进行综合分析评估，进而相互比较，选出最令人满意的对策，作为准备实施的对策，对策评估如下：

3.1 袋体质量较轻

砂袋入水前先充灌部分砂：砂袋入水前先充灌部分砂可以增加砂袋重量，减少水流对砂袋的影响，但充灌砂后，砂袋与铺排船翻板间阻力增大，砂袋入水困难。

在砂袋两侧增加砂肋条：在砂袋两侧增加砂肋条可以增加砂袋重量，减小水流流速造成的袋体偏移，增加砂袋充灌的有效工作时间，同时取材方便，易操作。

砂袋两侧增加套环拉绳牵引：砂袋两侧增加套环辅以拉绳牵引的办法在一定程度上可以纠正水流过快引起的袋体位置偏移，但当水流流速过快、砂袋充灌砂重量增加后，套环部位易发生袋体撕裂，形成漏砂点，影响砂袋施工质量。

在砂袋两侧增加砂肋条相比砂袋入水前先充灌部分砂和砂袋两侧增加套环拉绳牵引：对策可实施性更强，也能保证砂袋的整体施工质量。

3.2 抛石护底不及时

增加抛石船次：增加船次，可以减及时完成抛石护底，但同时也增加量方的工作量。根据工程进度计划安排，额外增加船次造成额外材料浪费，不经济。

增加路抛块石线路：及时安排测量队对滩面冲刷情况进行测量对比，根据观测到的沿堤流情况动态调整抛石，优先对沿堤流冲刷危害大的区域进行抛石护底加固排体，经济合理、技术可行。

增加路抛块石线路相比增加抛石船次仅调整抛石顺序，可实施性强，有效性高、经济费用低。

4 方案分析

4.1 高度重视护底施工质量

护堤先护脚，护底措施是隔绝水流对堤基影响，确保堤身稳定的关键手段。一般采用铺设软体进行护底防护。施工过程中，对于低滩区域及已存在沟槽的堤基位置尤其需要重视软体排的实施。①采用铺排船铺排时，应根据潮水提前计算好铺排时间，防止船舶搁浅后长时间挂排。②滩面较高区域由于水深较浅无法采用船铺，人工铺排时，落潮流的上方向应加大搭接预留宽度，同时辅以船机拉排，防止排布落滩后位置发生偏移造成搭接不足。③对于砂肋软体排必须按要求间距充灌肋条压载，露滩后对充灌不饱满的肋条及时补冲。对排头、排尾区域可采取条袋压载措施，确保排布滩面贴合效果。④及时检查排体铺设质量，若发现排体未搭接或排体被水流掀开现象，必须及时补排，防止排下土体冲刷。

对策实施效果检查：对措施实施之后的工作时间及相应时间下的水文情况进行统计分析发现，软体排被水流掀开的现象较之前减少了50%，并且提升有效施工时间，该时间段主要集中在高潮落潮1h 及低潮涨潮1-2h 左右。由于每天增加了通长砂袋施工的有效作业时间，减少了软体排重复劳动，整体的软体排施工质量提升明显。

4.2 合理安排护底、堤身施工顺序

针对施工区域地基表层土质颗粒细、抗冲性差、对流场变化敏感的特性，须合理安排护底及堤身的先后施工顺序：①重点把控护底施工总体安排，做好超前护底软体排（不小于400m）施工。②排体施工完成后，同步跟进底部通长砂被、压载，防止滩面发生冲刷、变形、破坏。③底部袋体压载完成后，即可安排两侧防冲刷块石施工，保护内侧袋体的同时，防止沿堤流对排下土体的淘刷。

针对1月14 日到1月18 日的小时充灌速率进行统计，统计情况如表1。

表1 1月14 日到1月18 日的小时充灌速率统计表

对策实施效果检查：合理安排施工顺序后，针对小时充灌速率进行统计，通长砂袋的小时充灌速率基本稳定在830m3/h 以上，吹砂的输出功率得到了提升，单次低潮位的有效施工时间提高，有效减少排布在水下被冲开的次数。

4.3 保滩施工措施

高滩围堤施工过程中，新构筑的棱体附近滩涂极易生发形成沿堤轴方向的沿堤流沟槽，并且沟槽不断摆动导致围堤下蚀，最终造成堤身失稳而溃堤。防范围堤实施过程中新生沟槽对堤身棱体的冲刷破坏影响相当关键。在工程实施过程中，通常采取相应保滩措施[4]：①构筑丁坝；②护底保滩；③主动引导水流；④避免形成人为沟槽。

5 方案实施效果

通过总结匡围一期工程以及通州湾新出海口一期通道相关工程实例，针对江苏苏北沿海地区粉砂质土层，滩高水浅，易冲刷变形，渗透破坏大的特点。结合匡围一期施工过程中遇到的堤身冲刷问题，通过系统分析围堤破坏发生类型及产生的原因，根据沿堤流冲刷、堤身翻水冲刷及围堤渗流破坏冲刷的产生机理，在通州湾新出海口一期通道围堤施工过程中采取相对应的工程措施，减少围堤施工过程中相关破坏作用对围堤堤身稳定的影响，实现了一期通道项目围堤施工全过程的安全稳定。同时通过开展本次研究，护底施工质量得到显著提升，通长砂袋施工效率提高，重复施工袋体量减少20%，节约了施工时间，有效的降低了施工成本。巩固措施：此次研究活动，有效地提高了通长砂袋施工效率：①加强吹砂船泥浆泵的维护，指派人员定期对滩面冲刷进行测量；②及时补抛块石；③在非作业期间对船机设备进行检查维护，及时更换破损管线，保障供砂稳定；④编制《水上通长砂袋施工指导手册》，巩固措施，强化效果。效果维持情况：根据一段时间内的堤身砂袋施工袋体未出现被沿堤流冲刷破坏的统计情况，效果维持情况良好。

6 经济效益分析

通过该方案得知，Q 沿堤流对堤身冲刷破坏明显减弱，经测算，未改进每500m 堤身施工所收到沿堤流冲刷破坏重复铺设袋体占比20%，每个作业面配备1 艘铺排船和1 艘吹砂船，现场铺排船船舶租赁费用为70 万元/月，折合2.35 万元/天，吹砂船租赁费用为35 万元/月，折合1.17 万元/天，每500m 堤身施工时间大约16 个作业天，1个作业面每天的船舶租赁费用为：2.35 万元+1.17 万元=3.52；未改进前每500m 砂袋施工的船机成本为：2.35 万元/d×16d=56.32 万元/500m 堤身；对策实施后，通长砂袋施工效率提高，重复施工袋体量减少20%。效率提升后单个通长砂袋施工的船机成本为：56.32 万元/500m 堤身÷1.2=46.93 万元；每500m 堤身节省成本9.39 万元，相当于通过QC 活动每米通长砂袋施工成本节省费用：9.39 万元÷500m=187.8 元/m；对策实施后通长砂袋共施工7780m，通长砂袋共节省成本：7780m×187.8 元/m=146.1084 万元；除去购置陆运抛石增加费用约50.5 万元，该项目中产生的经济效益约：146.1084 万元-50.5 万元=95.6084 万元。

7 结论

①在砂袋两侧增加砂肋条，增加了通长砂袋的有效施工时间，及时对排体进行质量复检修复，减少了排体被水流冲开的现象，提高了软体排护底施工质量。②合理安排护底、堤身施工顺序，砂浆输出功率得到大幅提升。保滩施工措施有效防范围堤实施过程中新生沟槽对堤身棱体的冲刷破坏影响。③以上措施减少围堤施工过程中相关破坏作用对围堤堤身稳定的影响，减少沿堤流冲刷破坏，实现了一期通道项目围堤施工全过程的安全稳定，保障了项目在汛期节点前顺利完工，同时有效的降低了施工成本。