水下砂枕施工方法在河道疏浚治理中的应用

朱燕萍

(南昌市水利电力建设公司，南昌 330000)

1 工程概况

信丰县嘉定镇西河出口段防洪工程位于信丰县嘉定镇境内，属信丰县桃江一级支流西河下游河段，河道治理范围为西河严家坝至河口段，工程所在河道蜿蜒曲折，行洪断面较窄，洪水陡涨陡落，河岸土体抗冲刷能力弱，岸坡防洪标准低，沿岸及河槽内杂草丛生，局部河段淤积严重，行洪不畅，洪水灾害频发，对于当地经济发展和居民生产生活、生命安全存在严重威胁。本工程综合治理河道长6.15km，包括新建土堤1.34km，新建护岸8.78km，河道疏浚2.64km，防洪工程设计级别为4级，防洪标准20a一遇，排水标准10a一遇。

该河道防洪工程所在流域砂源丰富，通过水下充填砂袋所形成的砂枕填筑水下坝体，可就地取材，节省砂料，降低工程造价，取得较好的工程效果。

2 工艺原理

2.1 砂枕制作工艺

水下砂枕外部的土工织物主要采用质量轻、强度高，抗腐蚀、抗酸碱、渗透及整体连续性较好的聚丙烯材料，可以制成软体排、加筋土工布、大型冲灌袋等形式，还能同时掺加抗老化母料，提升材料性能寿命。该河道防洪治理工程主要利用土工织物砂袋约束砂料，制成形状规则、尺寸一致的砂枕，按照设计要求将砂枕叠放后形成堤坝坝身。借助定位钢管桩将砂袋四角定位下沉后，通过砂浆泵从砂袋上预留的袖口处充填砂料，袖口位置及间距可根据砂浆泵功率和砂料粒径调整，以确保砂袋中均匀充填砂料。

2.2 砂枕受力及稳定性分析

就功能和工程效应而言，砂枕堤坝和抛石堤坝并无较大差异，水下砂枕施工技术对于水深在5.0m以下、水流流速不超出1.5m/s，且现场砂源丰富的河道整治工程较为适用。为保证施工质量，必须加强单个砂枕稳定性分析，确保其不出现翻转和平移[1]。

为进行砂枕平移稳定分析，取两个宽度均为1.0m的水下重叠砂袋，分别用1、2表示，图1中△Z为水位差，△H为水深差，H为设计水深，h为砂枕高度，r为水流流速。当河道水深4.0m，砂枕高度0.8m，水位差0.1m时，砂枕作用力及计算结果具体见表1。表中γ0为水体容重，取1.0t/m3；b为砂枕面宽，取3.3m；∂为砂枕间紧密度系数；v为动水流速，取1.2m/s；γs为砂枕质量密度，取1.6t/m3。

图1 水下重叠砂枕示意图

表1 砂枕受力计算结果

此外，以图1中A点为转动矩心，顺时针矩为负值，为避免砂枕翻转，必须使∑MA>0，将相关参数值代入后求得∑MA=2.56t/m，存在较大的安全富裕，也说明砂枕不会随水流冲击而出现翻转。

3 施工要点

3.1 砂袋定位下沉

根据该河道疏浚治理工程堤坝设计断面确定砂袋尺寸，送交工程所在地生产厂家加工制作。通过四根钢管桩将准备好的砂袋定位，同时在全站仪的指挥下进行钢管桩定位，通过人工方式将钢管桩打入土中，钢管直径及打设深度应能确保砂袋定位下沉时钢管桩的稳定性。在水流流速湍急且钢管桩打设深度有限的情况下，还应通过锚固在上游的铁锚将上游两根定位钢管桩拉接固定。在砂袋四角处绑扎绳套，与四根定位钢管桩套结，并将砂袋展开，借助竹竿和块石将其压沉就位。预先将表面光滑、长度3-6m的硬质塑料套管接进砂袋袖口并借助浮筒浮出水面，本工程砂袋袖口设计直径为20cm，硬质套管上端固定在砂浆泵输砂管上。

3.2 砂袋充灌砂料

待砂袋下沉至设计位置后通过砂浆泵向砂袋内充灌砂料。为节省施工成本和充灌时间，应事先了解砂源具体位置及砂料质量，尽可能选择与施工点接近的砂源，且抽砂过程不能影响河岸稳定；砂袋充填砂料应选择含泥量不超过5%的中细砂。如果砂源与施工点的距离超出200m，则必须配备抽砂船和运砂船，在砂源点抽砂后运输值施工点，再进行砂袋充灌。为防止砂袋发生平移、翻转及起堆，必须由施工人员手持硬质套管，从远及近、从四周至中间、从上游向下游均匀充灌，砂袋充填量达到85%即可；每个砂枕充灌结束后均应进行形状、充填量、重量等的检测，如果存在明显凹槽必须及时填补。

4 施工质量控制及效果

4.1 原材料质量控制及检验

该河道疏浚工程所用土工织物在使用前应按照1次/10000m2的频次抽检，除进行常规性抽检外，还必须对土工织物进行抗拉拔试验。试验采用DJs多功能剪力仪及0.43mm厚，密度为28根×28根/5cm，质量87.5g/m2，孔径0.23mm的编织布材料，在填土为黏性土和砂料两种情况下进行抗拉拔试验。砂料和黏性土情况下土工织物抗拉拔力T和拉应变ε的关系曲线具体见图2和图3。两者之间的相关关系可以分成3个阶段：第一阶段为土工织物拉应变ε较小的情况下，抗拉拔力随着拉应变的增大而小幅度上升；第二阶段为土工织物拉应变ε在2-10%之间时，抗拉拔力随着拉应变的增大而大幅上升，具体的关系曲线可用幂函数近似拟合；第三阶段为破坏段，即土工织物抗拉拔力已经达到极限，随着法向应力的增大，土工织物终将因强度不足而发生断裂。以上试验充分表明，土工织物的抗拉拔性能主要与所接触材料即充填料有关，且选择砂料充填时土工织物抗拉拔力相对较大，断裂出现时所对应的拉应变ε和拉应力N均明显>黏性土充填的情况。故该河道疏浚治理工程选择砂料为充填料完全合理。

此外，根据试验，填土含水量也对土工织物抗拉拔力有较大影响，当填土越接近最佳含水量，压实越容易，也越能更好地和土工织物咬合，提升其抗拉拔力。为此，还必须加强该河道疏浚治理工程水下砂枕充灌砂料含水量控制。

图2 砂料双面拉拔T-ε关系曲线

图3 含水率22%的黏土双面拉拔T-ε关系曲线

4.2 砂袋定位及充填度控制

水下砂枕充灌施工开始前必须严格根据设计图进行坝体轴线以及上下游边线导标的施放，并根据砂枕标高和坝体坡比适时调整上下游边线导标。根据导标初定位钢管桩后，再结合全站仪精准定位。砂袋应从河床最低处开始逐层向上错缝平铺，每层铺设的砂袋和前层完工砂袋之间保持0.2-0.3m的搭接宽度，避免因砂料收缩后砂袋间孔隙过大而造成砂枕墙倾覆。

砂袋充灌砂料的饱满度应控制在75%-85%之间，如果充灌过饱，土工织物必然会承受较大张力，增大砂枕在不均匀沉降过程中发生折断、胀裂的可能性；如果砂料充灌量不足，则在沉降期间很容易受到水流冲击后出现移位、翻转、偏斜，无法准确就位。最顶层砂袋只需充灌至60%即可，便于施工人员在砂袋上踩踏，使砂袋中砂料分布均匀，也使各层砂枕紧密叠合。

4.3 施工效果

该河道疏浚治理段水下砂枕施工时间共为55d，总共充灌砂枕82个，其中长×宽为17.6m×5.2m、17.6m×3.4m、15.6m×5.2m、15.6m×3.4m、13.6m×5.2m、11.6m×5.2m、11.6m×3.4m的砂袋分别为17个、2个、12个、6个、5个、34个、6个，平均充灌效率为1.5个/d，共耗费砂料5941.45m3。工程结束后，测量人员对该治理河段进行了为期1a的水深、流速测量及沉降观测，结果表明，在砂枕堤坝成型后堤坝坝身段沉降均值为0.04m，比正常抛石护岸小；坝头因水流流速快，冲刷严重，故沉降最大达0.21m，但对坝头结构完整性并无不利影响。流量变动幅度为376-4880m3/s，且砂枕堤坝段主河槽冲深达到2.14m，坝址处水位相应抬升0.22m，河道宽深均明显增大，基本达到了疏浚治理的工程目的。

5 结 论

文章分析结果表明，水下砂枕施工技术对于河道疏浚、防洪治理、护岸加固、吹填造地等工程普遍适用，并能与丁坝、潜坝、锁坝等既有构筑物有机结合，且能充分利用河道砂料，就地取材，造价节省。根据施工效果检测结果，水下砂枕施工因全过程可控，能够取得比抛石护岸更好的加固效果，施工质量有保证，在当前各地采石场逐步关停的背景下，石料来源日益紧张，该施工技术更能体现出广阔的应用前景。