膜袋砂圍堰在茅龍北水利樞紐中的應(yīng)用

盧澤嵐

(廣東水電二局股份有限公司,廣州 511340)

1 工程概況

翠亨新區(qū)濱河整治水利工程(北部標(biāo)段)項目位于中山市翠亨新區(qū)起步區(qū)馬鞍北島。根據(jù)水利專項規(guī)劃和起步區(qū)控規(guī)要求，完善新區(qū)起步區(qū)規(guī)劃紅線范圍內(nèi)的水閘和海堤等水利設(shè)施及濱河水系景觀工程，項目總投資為35.58億元。項目主要建設(shè)內(nèi)容包括海堤加固工程、河涌整治工程、水閘工程、泵站工程、水利樞紐工程和濱水景觀工程等。

茅龍北水利樞紐為本工程的主要施工任務(wù)之一，是一座集排澇、防洪(潮)、通航、引水于一體的水利樞紐工程。泵站、水閘、船閘從西到東依次布置，船閘緊靠河涌東岸。新建茅龍北水利樞紐施工時，需在外河側(cè)和內(nèi)河側(cè)修筑圍堰[1]，形成封閉基坑進(jìn)行施工。

鑒于本工程地處東南沿海珠江三角洲地區(qū)，地貌多為淤積、沖積平原，淤泥及淤泥質(zhì)土等軟土層厚度大，地勢低緩平坦，施工場地又地處海床上，綜合考慮建筑物的布置、站址處的地形、施工條件等，內(nèi)側(cè)圍堰采用了土工膜袋砂圍堰形式[2]。

2 膜袋砂圍堰結(jié)構(gòu)

膜袋砂圍堰斷面形式見圖1所示。

圖1 膜袋砂圍堰斷面示意

3 膜袋制作

3.1 膜袋質(zhì)量要求

膜袋砂圍堰的膜袋采用防老化裂膜絲機(jī)土工布制作,土工管袋織物的單位面積質(zhì)量不小于250 g/m2,經(jīng)緯向斷裂強(qiáng)度不小于42 kN/m[3]。水面以上的膜袋需采用防老化土工布,要求自然暴露水面上或變化區(qū)2 a后的強(qiáng)度不小于原強(qiáng)度的80%。膜袋材料技術(shù)要求見表1所示。

表1 材料技術(shù)要求

3.2 制作

膜袋加工成長方形。膜袋沿圍堰橫軸線方向尺寸大于沿圍堰縱軸線方向尺寸，一般沿圍堰橫軸線方向?qū)挾瘸叽绫葒邫M軸線方向斷面設(shè)計尺寸增加3%，以備充灌時收縮量，沿圍堰縱軸線方向長度以20～50 m取整制作。

膜袋加工時應(yīng)選用較寬布幅，縫截處折疊3層，寬度約 100 mm，采用錦綸線縫3道(先縫1道，折疊后再縫2道)。每個膜袋拼接縫不宜太多，且相鄰拼接縫的間距應(yīng)大于2 m，斷面成型后的外露部分不設(shè)拼接縫；考慮到膜袋砂圍堰縱軸線方向?qū)渝e縫不小于 1.5 m，每層需根據(jù)實際情況制作異型膜袋以滿足錯縫要求。充灌口直徑30 cm，進(jìn)砂袖口保證在水面以上，且不短于500 mm，最外圍袖口距袋邊的距離為3 m，袖口與袖口間距為4 m。

為保證膜袋縫制質(zhì)量，統(tǒng)一在廠家按預(yù)先設(shè)計好的尺寸加工縫制成型，經(jīng)過進(jìn)場取樣監(jiān)測合格后用于施工。

4 膜袋砂圍堰施工

4.1 膜袋砂圍堰施工工藝流程

內(nèi)圍堰主要由基礎(chǔ)面處理、土工格柵鋪設(shè)、吹填砂、膜袋砂充填等工序構(gòu)成，其施工流程見圖2。

圖2 膜袋砂圍堰施工工藝流程

4.2 基面處理

在低潮期時進(jìn)行基面清理，處理范圍超出圍堰結(jié)構(gòu)邊線0.5 m，主要處理對象為面層上的浮泥、深坑、齒槽以及河床上的垃圾。使用水陸兩棲反鏟沿圍堰結(jié)構(gòu)邊線將浮泥、垃圾刮除，邊刮邊退，將浮泥刮在岸邊堆放，并裝車運(yùn)走。

齒槽使用水陸兩棲反鏟以“后退法”開挖，因開挖距離太長，基面不能承受自卸汽車，采用多臺水陸兩棲反鏟接力開挖，首先讓第1臺反鏟挖開齒槽，將泥土丟棄其后，第2臺反鏟將泥土挖除再丟其后，以此類推，由岸邊最后1臺反鏟裝15 t自卸汽車運(yùn)至棄土場。

深坑采用吹填砂回填至原河床高程，深坑數(shù)量少、范圍分散，采用水陸兩棲反鏟接力將吹填砂由岸邊運(yùn)至深坑回填。

4.3 凸結(jié)點鋼塑土工格柵鋪設(shè)

4.3.1工藝流程

前期準(zhǔn)備→定位→卷筒→船靠泊→鋪設(shè)→自檢→驗收。

4.3.2船舶定位

采用雙GPS定位，測量人員持儀器為鋪排船定位固定在岸邊，將平板駁靠攏鋪排船。首先在圍堰平面圖上將土工格柵劃分為條形區(qū)段，并在每個條形區(qū)段角點位置定上坐標(biāo)，然后在兩船上各設(shè)置1臺GPS移動站，并連接在計算機(jī)上，施工過程中運(yùn)用相應(yīng)施工定位軟件實時監(jiān)控船體位置，施工人員根據(jù)船體位置進(jìn)行鉸錨移船施工作業(yè)，確保鋪設(shè)土工格柵的準(zhǔn)確度。

4.3.3水下鋪設(shè)

將土工格柵固定在鋪排船卷筒上，另一頭固定在平板駁甲板平臺上，施工人員根據(jù)船體位置進(jìn)行鉸錨移船，同時控制卷筒勻速轉(zhuǎn)動，確保土工格柵在鋪設(shè)過程中不出現(xiàn)重疊和撕裂的現(xiàn)象。當(dāng)一卷土工格柵將要鋪設(shè)完后，繼續(xù)按照以上流程鋪設(shè)下一土工格柵，并確保每幅土工格柵之間的最小搭接長度為1 m。土工格柵鋪設(shè)示意見圖3。

圖3 土工格柵鋪設(shè)示意

4.4 吹填砂墊層

為保證膜袋砂圍堰在平整的基礎(chǔ)面上施工，先對基礎(chǔ)面鋪一道墊層、整平，墊層采用吹填砂，厚度為0.5 m。

吹填前拋浮漂標(biāo)記吹填砂范圍，采用滿底泥駁船通過拖輪將吹填砂運(yùn)至施工現(xiàn)場，使用吹泥船直接進(jìn)行吹填，經(jīng)排泥管輸送至倉面內(nèi)，吹填完成后采用水陸兩棲長臂挖機(jī)將吹填砂整平。

4.5 膜袋砂圍堰充填施工

4.5.1施工工藝流程

膜袋砂圍堰充填施工工藝流程見圖4。

圖4 膜袋砂圍堰充填施工工藝流程示意

4.5.2膜袋砂圍堰充填

施工前，根據(jù)現(xiàn)場實際地形情況，提前進(jìn)行規(guī)劃，劃分每塊膜袋的大小、位置，根據(jù)沉降量和圍堰內(nèi)外側(cè)的邊坡坡比，提前規(guī)劃好膜袋的層數(shù)和每層膜袋的尺寸，防止圍堰沉降后，擋水?dāng)嗝娌蛔恪２贾脮r注意膜袋的錯縫位置，嚴(yán)禁形成通縫。本工程經(jīng)過對內(nèi)圍堰地面進(jìn)行縱、橫斷面剖切，總體上圍堰縱向地形起伏不大，比降為橫坡，在樁號N0+70～N0+170處地形起伏較大，在-0.5～-2.5左右，該縱向樁號處的橫斷面起伏較大，區(qū)域較小。地形不平，對膜袋鋪設(shè)造成一定的困難，因此通過縱、橫斷面將地形起伏較大的區(qū)域用尺寸較小的膜袋砂分層填平，施工前繪制膜袋砂圍堰平面定位圖，明確每塊膜袋的定位坐標(biāo)，方便后續(xù)施工時的定位工作。

根據(jù)現(xiàn)場地形測量，在樁號N0+120～N0+170處有較深的洼地，寬為63 m，底部高程為-4.3 m，與圍堰底寬一致，因此在該區(qū)域采用大尺寸膜袋砂層層填筑；在樁號N0+60-N0+90處，軸線右側(cè)地形起伏較大，因此在該區(qū)域的大面膜袋砂填筑之前先對深洼處用尺寸較小的膜袋砂分層、分塊鋪設(shè)至大面高程-0.5 m，然后全線(N0+00～N0+240)采用大尺寸膜袋砂從高程-0.5 m往上填筑(見圖5)。

按膜袋砂圍堰平面定位圖布置膜袋，從地面由低到高進(jìn)行，充填砂料采用一定含泥量的粉砂充填。當(dāng)砂船運(yùn)至就位后，作業(yè)人員將2臺泥漿泵(22 kW·h)放入運(yùn)砂船上適當(dāng)位置。開動高壓水槍，沖水到砂船艙內(nèi)，當(dāng)泥漿泵周圍的砂水混合后再開動泥漿泵進(jìn)行膜袋砂充灌。

根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況，膜袋鋪設(shè)方法采用低潮位時人工鋪排。袋體鋪設(shè)袖口部位朝上，泥漿泵管口與袖口連接。袋體鋪設(shè)按照測量放樣位置定位，底層袋四周用尼龍繩綁扎釬在地下的鋼管固定，上層袋鋪設(shè)時用尼龍繩與下層袋綁扎固定，防止袋體在充填時移動。

充填時，首先充灌四邊各灌口，充砂厚度為 20 cm，將膜袋固定即可，然后由中間向四邊各灌口充灌，這樣既可保證膜袋的充灌厚度，也可保證膜袋不易移位，當(dāng)袋體逐步充滿后，注意充填壓力，防止布袋破裂。

圖5 分層分區(qū)橫斷面示意

一般充填完成固結(jié)3 d后(固結(jié)度達(dá)到80%)可以進(jìn)行上一層膜袋砂圍堰充填施工。膜袋的充填厚度可通過膜袋上的拉筋控制，膜袋的厚度宜控制在 0.4～0.5 m范圍內(nèi)，在充填過程中如一次達(dá)不到理想高度，待充填砂膜袋稍有固結(jié)后，再進(jìn)行二次充填，直到達(dá)到理想的充填厚度和平整度。充填過程中經(jīng)常調(diào)整管口方向，防止袋體在充填過程中受力不均而打卷變形。在充填過程中，人工視現(xiàn)場情況在袋體頂面來回踩踏，使砂顆粒重新排列趨于緊密，并加快袋體排水固結(jié)速度，待整個充填砂膜袋達(dá)80%的飽滿度時[12]，應(yīng)適當(dāng)減少充填機(jī)械或停止充填，以防膜袋爆裂，并留有一定固結(jié)脫水時間，再進(jìn)行充灌。充填砂膜袋的充滿度控制在85%以上，充填后的干總重達(dá)到14.5 kN/m3以上。膜袋砂圍堰充填示意見圖6。

圖6 膜袋砂圍堰充填示意

膜袋砂圍堰在施工時分層鋪設(shè)，呈階梯狀上升，堆迭整齊，上、下層交錯排列，不允許袋體與袋體間留有空隙、通縫。上下層的錯縫間距不小于 1.5 m，在袋體間不得留有通縫、通孔。新充袋體不得用鋒利的塊石堆壓，以免割破膜袋。袋體若出現(xiàn)破損或孔洞，應(yīng)及時修補(bǔ)，修補(bǔ)原則采用相同材料，并且縫接寬度不小于 150 cm。

4.6 沉降加高

膜袋砂圍堰采用膜袋砂吹填填筑而成，堰體吹填砂含水量大，會排水固結(jié)，每層膜袋吹填完成后，應(yīng)留有的固結(jié)排水時間，在180 d內(nèi)觀測堰頂沉降情況，若沉降超過0.5 m，采用膜袋砂吹填，重新填筑一層至堰頂2.5 m高程。若沉降未超過0.5 m，采用人工填筑袋裝土至堰頂高程。

若不均勻沉降，則在不均勻沉降區(qū)域人工采用袋裝土補(bǔ)平，直到設(shè)計高程。在圍堰左右岸備好袋裝土，以備大潮時加高，在出現(xiàn)不均勻沉降時，在相應(yīng)部分補(bǔ)填袋裝土。

沉降導(dǎo)致膜袋撕裂，及時采用土工織物(與膜袋相同材料)縫補(bǔ)，防止膜袋砂流出，降低圍堰穩(wěn)定性，將膜袋和土工塑料格柵橫向?qū)挾阮A(yù)留2～3 m的沉降量。

4.7 復(fù)合土工膜防滲

在圍堰迎水面鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜防滲，條帶之間搭接長度不小于1 m。坡腳沿軸線方向開挖一條齒槽，底寬1 m，將土工膜埋入槽內(nèi)。土工膜與岸坡接頭采用“刺墻”的形式，將兩側(cè)岸坡向里各開挖1.5 m，將土工膜伸入，并用袋裝土壓緊，再回填土方。

土工膜鋪設(shè)完成后，防止水流沖擊，用袋裝土反壓。沿坡腳齒槽自下而上填筑1層袋裝土，厚度為 0.5 m，袋裝土之間鑲嵌緊密、無滑動。

4.8 膜袋砂圍堰的拆除

待茅龍北水利樞紐滿足擋、泄水條件后，各部位土建部分全部完成后，進(jìn)行膜袋砂圍堰的拆除工作。拆除時，先拆內(nèi)圍堰，采用挖掘機(jī)自北岸向南岸后退法拆除水上部分，水下部分采用水陸兩棲挖機(jī)“自上而下”分層拆除膜袋砂，直至清除到河床高程。

5 應(yīng)用效果

膜袋砂圍堰一般由一定尺寸的充填砂膜袋分層分塊錯縫堆砌而成，本工程在膜袋砂圍堰底部設(shè)置格柵，增強(qiáng)了整體性穩(wěn)定性，使膜袋砂圍堰在應(yīng)用過程中沉降均勻；在迎水面設(shè)置土工膜防滲層并用袋裝土反壓，使膜袋砂圍堰有較好的抗沖刷和抗?jié)B能力；就地取材使用粉砂進(jìn)行充填，粉砂中的水分在重力的作用下通過膜袋自身的空隙自動流出，粉砂在膜袋中自然板結(jié)，具有一定強(qiáng)度的同時又能適應(yīng)圍堰在沉降過程中產(chǎn)生的變形，能較好適應(yīng)淤泥質(zhì)軟基。整個施工過程機(jī)械化，施工效率高，速度快。膜袋砂圍堰在使用過程中整體表現(xiàn)良好，即使在臺風(fēng)暴雨等惡劣天氣下，仍然穩(wěn)定使用，保障基坑安全。

6 結(jié)語

膜袋砂圍堰在沿海淤泥及淤泥質(zhì)土等軟土層厚度大的水利工程圍堰應(yīng)用中，有不受雨季影響、圍堰體整體性好、施工設(shè)備簡單、取材方便等特點，運(yùn)用廣泛。在實際施工中，要注意施工方法，確保膜袋質(zhì)量，及預(yù)留充足的固結(jié)排水時間，切忌一味追求施工速度，才能使膜袋砂圍堰達(dá)到最佳效果。目前，各種新的圍堰施工辦法層出不窮，正朝著效率更高、深度更大、適應(yīng)性更廣的方向發(fā)展。膜袋砂圍堰在臨海淤泥地質(zhì)圍堰施工應(yīng)用中有廣闊的發(fā)展前景。