强涌潮区管袋围堰施工技术探究

李建雄,朱沈鸣,徐洋洋,郭陈超,周 磊

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122;2.浙江省钱塘江流域中心,浙江 嘉兴 314399)

0 引言

管袋围堰是一种就地取材、施工方便、易于拆除,具有一定防冲、防渗能力,且较为经济的堰型[1]。因其整体性好,施工工作面大、工期短、污染少等优点,被广泛应用于江、河、湖、海的港口、船闸等临时围堰工程[2]。管袋围堰施工技术虽然前人已有研究[3-9],但适用于潮型复杂、流态紊乱、涌潮冲击力强、涨退潮河床冲淤变化大的强涌潮区的管袋围堰施工技术鲜有研究。在围堰施工中面临如取土强度不足、堰脚冲刷剧烈、管袋围堰与老构筑物交界处险情多发、底袋铺设施工窗口期短、易冲毁及围堰越浪等难题亟需解决。本文依托钱塘江北岸秧田庙至塔山坝段海塘工程(堤脚部分)的管袋围堰工程,结合工程特点及其水文泥沙条件,对管袋围堰进行了优化设计和施工关键技术研究,形成了一套较为完善的强涌潮区管袋围堰施工技术体系,取得了良好的施工效果。

1 工程概况

钱塘江北岸秧田庙至塔山坝段海塘工程全长25.6 km,其中,堤脚加固长16.475 km,采用300年一遇洪水影响下的最不利冲刷高程设计,海塘工程级别为1级,总投资5.88亿元,如图1所示。工程堤脚加固采用布置密排扭王块镇压层2.295 km(塘下便道候潮施工工艺)、混凝土板桩防冲+预制混凝土块护坦4.46 km(钢栈桥施工工艺)、混凝土板桩防冲+现浇钢筋混凝土护坦9.72 km(围堰干法施工工艺)。其中,混凝土板桩防冲+现浇钢筋混凝土护坦9.72 km(围堰干法施工工艺)全部采用充砂管袋围堰施工技术[10]。围堰施工期间,工程河段的潮汐特征和水文泥沙特点如下:

图1 工程平面布置

(1)涌潮特点

钱塘江河口潮汐为非正规浅海半日潮,一天内两涨两落,大潮期潮波可达富春江电站大坝[9]。根据工程附近水文站的长期观测数据,多年平均高潮位4.0 m,多年平均低潮位0.20 m,最大潮差3.80 m。涌潮行进速度一般约4～8 m/s,涌潮高度一般1～3 m,最大可达3 m以上,涌潮冲击力约为1.6～6.4 t/m2。

(2)潮型特点

工程区段潮型复杂,上游秧田庙至七里庙段位于一线潮区段,下游大缺口至塔山坝段位于涨潮潮流顶冲段,涌潮均以南潮为主,如图2,南潮过后时有东潮发生。一线潮区段具有以下特点:涨潮时自东向西冲击,短时内涌潮流速大,但持续时间不长,一般在涌潮达到初期的0.5h内流速较大,至高平潮时段后2 h内水位逐渐平稳,流速变缓,水流逐渐平稳,而退潮时段由于主流位于北岸,退潮流速较大,冲刷时间一般为4～5 h。南潮区段具有以下特点:涨潮时自南向北冲击,短时内涌潮流速大、冲击力强、水位上涨幅度较大,但持续时间不长,南潮冲击后形成的更加猛烈的回头潮,局部区域会形成漩涡;一般在涌潮到达后0.5 h内常有东潮发生,东潮涨潮时自东向西冲击,因南潮造成河床水位已抬高,东潮更易造成潮水直接越过围堰堰顶高程情形即越浪,而退潮时段由于主流位于北岸,退潮流速较大,冲刷时间长。

图2 小管带+堰芯吹填土围堰设计典型断面(单位:cm)

(3)水文泥沙特点

钱塘江河口受径流、涌潮共同作用,水动力强,流态紊乱,含沙量高,河床冲淤变化大。钱塘江干流的大洪水主要由梅雨造成,占88%,多发生在4-6月下旬,过程一般3～7 d,流量以复峰型为多。

(4)施工外部条件

工程所处河道属于非正常的航道,该区域为海事部门划定的禁航区,可装载施工机械的船只很难近岸。通过砂源勘察情况,探明离岸300～400 m范围内的粉土和粉砂平均厚度为8 m,粉砂储量满足围堰施工需求,料源充足。

2 设计方案优化

在围堰施工初期,参照初步设计的方案,尝试采用了钢管固定小管带(长宽高为24 m×(4～8 m)×0.5 m)+堰芯吹填土形式的围堰,小管带+堰芯吹填土围堰设计典型断面如图2所示,经过尝试难以成功,原因如下:

(1)工程处于非正常的航道,可装载施工机械的船只很难近岸,无法采用船只协助水上打设定位钢管;若采用人工打设定位钢管,则需低潮位时段施工,作业时间短且稳定性差。

(2)管袋施工需候潮作业,考虑到打设定位钢管、铺设管袋、架设管路、充填沙土等工序,在这种有限的且不连续施工时段内难以保证施工工序有序衔接。

(3)若取消固定钢管,则小管袋稳定性变差,无法抵抗涌潮冲击,造成管袋冲损,围堰难以成型。

考虑到钢管固定小管带+堰芯吹填土形式的围堰的优缺点,结合工程概况中的涌潮和潮汐特点可知,一线潮具有涨退潮流速大、退潮时间长,造成管带铺设难度大、固定困难,堰脚冲刷大的特点和南潮具有涨潮冲击力大、持续时间短、极易出现回头潮,造成堤脚部位被来回刷深掏空,底袋铺设困难或围堰底部管袋被卷走的特点,设计从以下方面进行了优化:

(1)结构设计方面。通过加大围堰底宽断面的形式,由原有的4～8 m的底宽调整为10～40 m的底宽,从而更好地适应基础变形、高滩冲刷和涌潮冲击情况,提升围堰整体稳定性。

(2)防渗设计方面。围堰断面设置堰芯吹填土,堰芯吹填土外部外包反滤土工布,基坑侧设置吹填土镇压层,以此来截断渗漏通道并延长渗径。

(3)防冲设计方面。为防止潮水冲刷基础,造成土工管袋产生不均匀沉降而撕裂,临江侧搭接三层水平宽度为10 m的土工管袋,随冲随填。

(4)施工效率方面。取消了小钢管固定的措施,减少了施工工序,同时,围堰底部采用大管袋,有效减少人工铺设管袋的次数和时间,有效提升了作业效率。

综合考虑后,提出了由小管带(长宽高为24 m×(4～8)m×0.5 m)+堰芯吹填土形式的围堰改为大管带(长宽高为24 m×(7～40)m×0.5 m)+堰芯吹填土形式的围堰设计方案,越接近底高程的管袋尺寸越大,大管带+堰芯吹填土围堰设计典型断面如图3所示。

图3 大管带+堰芯吹填土围堰设计典型断面(单位:cm)

3 围堰施工关键技术研究

通过在钱塘江北岸强涌潮区的9.72 km大型管袋围堰的摸索实践,针对围堰施工面临的取土强度不足、江道涨退潮流速大堰脚冲刷剧烈、管袋围堰与老构筑物(桩式丁坝及老护坦)交界处险情多发、底袋铺设施工窗口期短易冲毁以及围堰越浪等难题,总结出了以下强涌潮区管袋围堰施工关键技术:

(1)江中取土排架土源单一,取土强度不足

本工程所处禁航区,采用取土钢排架代替取砂船进行江中取土。取土排架日取土量可达1500～2000 m3,但取土排架极度依赖回淤效果,小潮汛期间江面水流较平缓,滩地土方回淤速度较慢,一般需要依托大潮汛挟沙淤积,但水下管袋铺设出于安全考虑严禁在大潮汛时段施工,因此,无法进行连续取土作业。由于取土强度不足,造成一段300 m的标准围堰施工需要经历两次小潮汛才能成形,围堰施工需跨越大潮汛,管袋围堰受外江冲刷时间延长,安全风险增加。

对应措施:新增取砂浮排进行江中取砂,取砂浮排采用四只船锚固定在江中,取砂管路采用钢管和高强度胶管嵌套连接,电缆采用铠装电缆,均具备一定的柔性和强度,能够抵抗涌潮冲击,可以实现小潮汛和大潮汛连续取砂。同时,考虑利用已完成桩号段的围堰的基坑砂土作为泥库储备土源,以便砂源不足时仍可进行围堰施工。

(2)江道深泓线逼近北岸,江道涨退潮流速大,堰脚冲刷剧烈且持续时间长

根据近十年内工程深泓线(河流各横断面最大水深点的连线)位置统计研究,发现江道深泓线正逼近北岸,江道主流断面更加靠近北岸,水流对北岸围堰底脚冲刷剧烈。另根据盐官水文站2021-2022年的流速数据统计,离开鱼鳞塘60 m位置(即纵向围堰堤脚处)在小潮汛期间涨潮流速可达2.5 m/s以上,退潮流速可达1.0 m/s以上。大潮汛期间涨潮流速可达3.5 m/s以上,退潮流速可达2.0 m/s以上。而除了高平潮期间约2 h内水流流速较缓外,其余涨落潮20多h时段内的水流流速均较大,会一直对围堰底脚进行冲刷。

对应措施:围堰施工前先在两侧建设管袋丁坝,其顶宽为12～15 m,底部宽度为30～36 m,丁坝头部伸出鱼鳞塘80～100 m(围堰横隔堤设计为60～70 m,丁坝应比横隔堤往江中多延伸20～30 m),丁坝底脚考虑水流冲刷采用黏土护脚,根据施工区域水流情况300～600 m设置一处。布设丁坝可有效减缓纵向围堰区域的水流速度,解决江水流速快造成的水下管袋围堰铺设固定困难以及成型管袋围堰的堤脚冲刷问题。

(3)管袋围堰与老构筑物交界处易出现渗漏、管涌等险情。

渗漏、管涌是围堰施工中的常见问题,其不仅干扰施工环境而且影响围堰的稳定性[11]据海塘建设前期相关资料统计,工程沿线建有长度50～70 m的单排桩式丁坝50座,长度70～180 m的抛石丁坝约18座,海塘沿线均存在老护坦。而老护坦底部经过长时间涌潮冲刷底部多有脱空,桩式定坝结构为梳齿桩与抛石结构,底部易形成渗漏通道。管袋围堰施工完成后,在内外水位差的作用下,管袋围堰与老护坦、老丁坝结合处易出现渗漏、管涌等险情,造成围堰基础粉砂土被掏刷,从而引起围堰基础不均匀沉降、管袋被撕裂,最终导致围堰被破坏。

对应措施:对于管袋围堰与老护坦结合处采取粘土填筑护面+护坦底部灌浆处理,如图4,即对围堰与海塘接头处两侧采用黏土进行护脚,起到延长渗径和平衡水压力的作用。同时,在围堰打设完成后,检查老护坦处渗漏情况,对在围堰与鱼鳞塘交界处的护坦底部进行水泥灌浆处理。管袋围堰与老丁坝结合处采取拉森钢板桩+换填粘土+灌浆的方式处理,即在围堰内坡脚与桩式丁坝结合处及丁坝两侧10 m范围内施打单排拉伸钢板桩,利用拉伸钢板桩防渗及挡土,然后采用弱透水性的黏土回填至丁坝顶高程1 m以上作为镇压层,接着在钢板桩桩背采用套管灌浆(水泥+水玻璃),固结土方及封堵渗漏。最终,通过拉伸钢板桩的防渗、黏土的封堵镇压和套管灌浆的封堵作用达到延长或封堵渗径的目的。

图4 管袋围堰与老护坦结合处处理典型断面

(4)围堰底袋铺设施工窗口期短,管袋未充满固结易冲损。

围堰底袋(常水位以下管袋)的铺设是围堰施工的基础,它具有施工时间短、充填方量大、充填平整度难以保证的特点。围堰底袋铺设必须在小潮汛施工,且管袋铺设完成后才能进行底袋土方充填。因此,必须在涨潮前4 h的水位下铺设管袋但由于水流湍急,管袋铺设较为困难,同时,在实际施工过程中,潮水到达后部分管袋由于土量供应和时间因素造成无法全部充填,未充满的底袋易被冲毁。

对应措施:采用船只协助底袋定位铺设,同时底袋采用通长大管袋,充填至60%-70%状态,在保证底袋稳定的同时让底袋有一定韧性,提高施工作业效率。

(5)受东潮影响,围堰存在越浪现象,破坏顶部管袋、造成基坑淹没

下游大缺口至塔山坝段位于涨潮潮流顶冲段,涌潮以南潮为主,南潮过后时有东潮发生。东潮涨潮时自东向西冲击,因南潮造成河床水位已抬高,东潮更易造成潮水直接越过围堰堰顶高程情形(即越浪),越浪时直接会破坏顶部管袋,造成围堰基坑淹没。

对应措施:围堰顶部管袋由原有的7 m加宽至12 m,围堰堰顶高度加高1～2 m,增加围堰顶部的整体抗冲能力;在距离围堰内坡脚宽度8 m处打设一个宽度10 m、高度2 m的子堤防止波浪直接打入基坑,并在子堤与围堰形成的宽度约8 m的基坑内设置集水坑进行抽排。

4 管袋围堰施工

4.1 施工原则

围堰施工按“上游侧管袋丁坝或横隔堤→下游侧管袋丁坝或横隔堤→纵向围堰→围堰合拢”的总体原则,充分利用管袋丁坝或横隔堤来减缓流速,为纵向围堰施工创造有利条件。施工时遵循“管袋自下而上分层吹填加高,相邻管袋断面逐层轮加,管袋整体均衡上升”的原则,管袋相邻高差一般不超过1 m。

4.2 工艺流程

工艺流程如图5所示。

图5 工艺流程

4.3 工艺要点

(1)清基

管袋铺设前需进行地基基础的清理施工,施工一般选取在低潮时段,采用挖机下塘清除临岸块石、抛石等物体,防止尖锐块石刺破袋体,从而影响围堰稳定性及防渗效果。因管袋丁坝或横隔堤与老构筑物交界处可能存在局部不平或抛石层,所以,施工应重点关注该区域的清基质量,针对该区域清基完成后还应视情况抛填黏土整平防渗。

(2)管袋丁坝或横隔堤施工

管袋丁坝或横隔堤能否成功实施是决定整个围堰能否成功实施的关键因素。因强涌潮区围堰施工情况复杂,管袋自身结构易冲损,且遭受大流速冲刷影响时基础极易被掏刷,管袋丁坝或横隔堤越往江中延伸施工难度越大。因此,管袋丁坝或横隔堤管袋施工中除遵守上述施工原则,充分抓抢小潮汛期间的有效施工时段完成外,还需在管袋丁坝或横隔堤坝头和两侧迎水面及时抛填粘土进行护脚施工。

(3)纵向围堰水下部分施工

纵向围堰水下部分的管袋铺设、充填施工是纵向围堰施工的关键。该区域管袋围堰具有充填方量大、施工时间短、质量要求高的特点。管袋铺设一般选在小潮汛期间候潮施工,管袋充填时按“充填→迸浆→二次充填”的顺序进行,每层管袋泥浆固结完毕后,再进行内部龙芯土方吹填施工。最底层管袋施工时应注意充填至60%～70%状态,切忌充至饱满状态[11]。基坑侧管袋及垅心土回填建议在临江侧管袋完成2～3层后同步实施,以提升垅心土施工效率。施工过程中相邻管袋必须要平行或垂直于围堰的轴线上、下层交错排列,注意严禁出现通缝。

(4)纵向围堰加高施工

纵向围堰加高施工相较于水下部分施工难度低,除大潮汛非涨潮时段外其他时段均可施工,但存在直面潮水冲击的问题。因此,管袋施工除遵守上述施工原则外,应注意迎水面管袋材质并采取相应防范越浪的措施。

(5)围堰合龙施工

为保证围堰堰体安全以及给围堰本体砂土固结及沉降预留一定的时间,围堰合龙尽量安排在小潮汛期间低潮位时段实施,同时,也可减少基坑积水量和抽排水量,避免形成从基坑内向基坑外的渗流。

(6)基坑侧镇压层施工

基坑侧镇压层对围堰安全稳定和防渗起到较为重要的作用,因此,镇压层在基坑内侧管袋施工期间同步实施,在围堰合龙后进行加高加宽成型(宽度不小于6 m)。

5 结论

在钱塘江北岸秧田庙至塔山坝段海塘工程(堤脚部分)的管袋围堰施工中,根据强涌潮区的工程特点,从设计优化、工艺改进角度进行思考,总结分析了围堰施工时遇到的取土强度不足、堰脚冲刷剧烈、与老构筑物(桩式丁坝及老护坦)交界处险情多发等难题并提出相应对策。同时,对管袋围堰施工工艺要点进行了介绍。根据工程进度统计,围堰自2021年7月开始施工至2021年12月,仅完成临时围堰1.0 km;经研究调整采用上述施工技术后,2022年1月至2022年10月成功高效地完成剩余8.72 km管袋围堰,证明了这种强涌潮区管袋围堰施工技术是合理可行的,对水利工程类似的强涌潮区充砂管袋围堰施工具有一定参考意义。