束一鳴

(河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

由于管袋壩建造工藝適合我國河口近海的多種基礎設施的建設,自20世紀80年代以來被廣泛采用,發(fā)展迅速。本文對近10多年來國內(nèi)重大或重要工程所含涉水施工的扁平管袋壩工程進行梳理闡述,對管袋壩應用性基礎研究成果以及筆者團隊在國家自然科學基金等資助下取得的一些初步研究成果作一概述,展示我國涉水施工的管袋壩工程的技術進步,以利于今后取得更高層次的發(fā)展。

1 管袋壩及其特點

管袋(geotube or geotextile tube)亦稱土工管袋,是以拉伸強度較高的機織織物縫制成尺度較大袋體、在壩址現(xiàn)場以水力充入泥砂漿脫水后形成的構筑物。管袋壩(geotube dam or dam with geotextile tube),亦稱管袋堤壩,是在壩址以充填泥砂的管袋堆疊圍堰后吹填形成支撐主體的堤壩。

由機織織物制成約1 m尺度、裝填土料形成的構件稱作土袋;由機織織物制成數(shù)米或更大尺度、裝填或充填土料后放置到構筑現(xiàn)場的構件稱作土工包。雖然它們都以機織織物作為袋布裝填土料,但不應稱作管袋,以示區(qū)別。

管袋壩通常有單棱體、雙棱體以及下部通長棱體等斷面布置形式。單棱體形式需在棱體內(nèi)側吹填形成堤壩,雙棱體形式需在外側大棱體和內(nèi)側小棱體之間吹填形成堤壩,地基較弱、水深較大時將內(nèi)外兩個棱體下部以通長管袋連成一體,如圖1所示。管袋壩特別宜建于基礎較軟弱、附近具有合適充填泥砂的河口和近海海岸地帶,作為河口蓄淡水庫的堤壩、抵御風暴潮的海堤、圍灘造陸的匡圍堤壩等。

圖1 長江口上海青草沙蓄淡水庫東堤橫剖面(單位:m)

圖2 上海石洞口電廠長江口江灘灰?guī)靽鷫螖嗝娌贾?單位:m)

管袋壩與由碾壓或拋投等工藝建筑的土石壩相比具有以下主要特點:

a. 低碳節(jié)能。除外側壩腳防止沖刷需要少量拋石外,壩身無須塊石及其他粗顆粒料,對于河口、近海灘涂壩址,可節(jié)省大量外購材料及長距離運輸?shù)某杀?符合當前低碳綠色發(fā)展潮流。

b. 工藝簡單。利用附近合適泥砂由高壓水槍即時制備泥漿,由泥漿泵直接充灌至由工廠制作、鋪設到位的機織織物管袋中,漿中之水由袋布孔隙析出,漿中之土則留于袋中,脫水固結后的管袋成為管袋構筑物。干灘或淺水施工只需高壓水槍、泥漿泵及動力設備,較大水深施工需增加船只作為施工平臺;管袋圍堰內(nèi)的壩芯由吹填泥砂固結后形成。所以,管袋壩施工所需的裝備少且價格低,施工工藝極其簡單。

c. 技術可靠。河口近海的管袋壩基礎多為軟弱地基,不僅承載能力與抗剪強度低,而且水力穩(wěn)定性差,極易被沖刷侵蝕。扁平管袋袋體面積大、整體性強,不僅能較均勻分散地基的集中受力、適應地基不均勻沉降,而且袋布及與地基接觸的軟體排均為土工織物,與軟土的交界面比較符合水力穩(wěn)定條件,可避免軟弱土層被沖刷侵蝕。

d. 節(jié)省造價。由于施工裝備成本、建筑材料成本和施工人員成本都低,所以管袋壩的造價低。

e. 工期可控。水力充填管袋的施工流程受天氣影響小,除臺風暴雨、大風大雨天氣外,一般天氣均可施工,工期保證率較高。

2 我國管袋壩工程技術發(fā)展

在潮間帶以上區(qū)域填筑管袋壩基本上屬于陸上筑壩,對管袋充填材料、充填工藝、工期安排等要求均較寬松,所以本文主要闡述潮間帶及以下區(qū)域填筑管袋壩的工程技術發(fā)展情況。

2.1 因陋就簡興起管袋壩工程

我國用泥砂充填機織織物袋體的工藝最初用于制作軟體排的砂肋作為排體鎮(zhèn)壓構件,真正意義上管袋壩作為基礎設施構筑物出現(xiàn)于1985年。華東電力設計院與華東水利學院(現(xiàn)河海大學)等單位在上海石洞口電廠長江口江灘灰?guī)旖ㄔO中,自1983年起經(jīng)過2年多的試驗研究,直至壩址現(xiàn)場長75 m的試驗壩段經(jīng)受了11級臺風襲擊后仍完好無損,再將該項技術用于該灰?guī)旖ㄔO[1]。灰?guī)靽鷫螖嗝嬖O計見圖2。從圖2可見,該管袋壩工程斷面布置和結構設計是我國管袋壩工程的最早范本。

荷蘭、美國等歐美國家以土工管袋作為海岸防護的一種設施,其管袋采用高強高濾的袋布經(jīng)特殊縫制而成,直徑一般2～3 m,最大可達5 m。袋布由聚合物“強絲”和“濾絲”復織而成(暫且稱作“強濾布”)。聚丙烯材質管袋布的拉伸強度可達70～107 kN/m,承受的內(nèi)壓大,可使充填的管袋呈橢圓狀,且袋布呈細觀空間結構,濾水性強。受限于織造工藝與投資成本,我國工程界因陋就簡,從20世紀80年代起采用裂膜絲普通織法織造管袋袋布(通常稱“編織布”),強度低于國外的強濾布,此外由于編織布為平面結構,濾水性能也低于強濾布,但通過管袋尺度結構布置(管袋扁平化)和充填土料級配調(diào)適(控制黏粒及粉粒含量)同樣可使普通織法制成的裂膜絲管袋具備筑壩功能:管袋扁平化即管袋的平面尺度大、高度小,一方面可降低充灌屏漿壓力,另一方面可增加抗滑穩(wěn)定性;控制黏粒及粉粒含量可使裂膜絲袋布也可有效濾水。所以,扁平管袋不僅具有時代印記,而且具有中國地域特色。

2.2 河口海岸及內(nèi)河基礎設施中廣泛應用

2.2.1 河口蓄淡水庫

繼石洞口電廠灰?guī)旌?1992年由上?？辈煸O計院設計采用管袋壩工藝建成了上海月浦水廠陳行蓄淡水庫[2],使水廠能在一日兩潮工況下保證全天候取到氯化鈉達標的供水原水,這是長江口第一個原水水源地蓄淡水庫。以后在長江口相繼建成太倉第二水廠浪港口水庫[3]、上海青草沙水庫、上海東風西沙水庫等多個長江原水水源地蓄淡水庫。蓄淡水庫因其庫內(nèi)庫外雙向水位交替作用而運行條件復雜,對管袋壩工程技術要求尤為嚴格。

上海青草沙蓄淡水庫是世界上最大的河口蓄淡水庫,環(huán)庫堤壩總長約48.4 km,水庫總面積66.15 km2,水庫最高蓄水位7.00 m,設計最低水位-1.50 m(吳淞零點),水庫總庫容5.27 億m3,有效庫容4.38 億m3[4]。水庫東堤深泓處堤基高程-10.50 m,堤頂防浪墻高程9.20 m,采用下部拋填土工包、中部通長管袋、上部雙棱體管袋壩的結構形式(圖1)。

2.2.2 長江南京以下深水航道整治

圖3 長江口深水航道導堤橫斷面

a. 長江口深水航道整治。長江口深水航道治理工程一、二期工程中導流堤(管袋堤芯)的總長度達 25.15 km,總工程量為53.02萬m3。通過在航道南北側填筑導堤,利用水力刷深并維持航道,替代以前的單一疏浚措施。以水下插打排水帶為軟弱基床固結提供排水通道,在基床鋪設的合成材料排體上逐層充填管袋形成梯形堤芯,外設防風浪設施后構筑成導堤[5]。而逐層充填的管袋對基床而言,也是逐級加載的過程,使基床淤泥質土排水固結,提高承載能力和抗剪強度。導堤橫斷面見圖3,從基床下的排水帶到基床面的軟體排,再到基床上的管袋壩,直至壩頂?shù)耐凉つ４?形成了一個完整的合成材料構件系統(tǒng)。若采用傳統(tǒng)拋石筑堤方式,工程造價和施工難度都將倍增。

b. 南京以下12.5 m深水航道整治。長江南京以下12.5 m深水航道二期工程建筑物施工已完工[6],主要實施長江干線南通至南京河段洲灘守護工程,維持較為有利的航道形態(tài),初步實現(xiàn)12.5 m深水航道由南通上延至南京,全長227 km。2002年曾經(jīng)在和暢洲左汊潛壩采用GPS定位拋投長10 m、直徑為1.2 m的砂枕填筑高度最大達30 m的潛壩[7],并進行了一些拋投物沉落距離的研究[8],本次工程由中交第三航務工程勘察設計院和中交水運規(guī)劃設計院設計的鎮(zhèn)揚段和暢洲左汊控流工程,設置2道攔江潛堤以調(diào)整分流比,兩堤間隔1 km。潛堤頂面高程從深水航道的-18 m至接岸段的4 m,而河道深槽段處最大水深達50 m。高程-5 m以上的潛堤堤芯采用充填土工管袋,-5.0 m以下采用尺寸4 m×6 m×0.5 m的充砂土工包拋填,外加防護設施后形成上游坡比1∶2.5、下游坡比1∶3的潛堤斷面。潛堤的絕大部分結構均在水下施工形成,對于施工裝備、施工工藝、質量控制的要求甚高。迎水面和堤頂?shù)耐凉す艽捎?30 g/m2丙綸長絲機織織物與150 g/m2滌綸短纖針刺無紡織物的組合型土工織物縫制,其余土工管袋采用230 g/m2丙綸長絲機織織物縫制;拋填的土工包采用350 g/m2丙綸長絲機織織物縫制。充填砂采用粉細砂,粒徑大于0.075 mm的顆粒含量大于50%(質量分數(shù),下同),黏粒含量小于10%。

2.2.3 近海交通設施

2.2.3.1 近海港口及道橋

上海洋山深水港已完成1～3期建設,在港區(qū)和航道建設中大量采用、發(fā)展了管袋壩技術。一期工程北圍堤(小洋山—鑊蓋塘)的實施是整個工程的關鍵,在平均約20 m 深海域、流速達 2.4 m/s 的汊道水域,設計采用充砂管袋堤芯結構[9]。大管袋的尺寸為120 m×20 m 與 70 m×38 m,成型后管袋厚度一般為60～70 cm,袋布大多采用230 g/m2丙綸長絲機織布;充灌砂料要求粒徑d>0.075 mm的含量應大于總量的85%,黏粒含量小于 5%。管袋充盈率約 80%,采用集充灌、鋪設、拋填功能于一體的專用船舶施工[10]。圖4為施工隔堤典型斷面。

圖4 洋山港一期工程北圍堤施工隔堤典型斷面(單位:m)

圖5 珠澳口岸人工島填海工程島壁區(qū)臨時圍堰典型斷面(單位:m)

港珠澳大橋島隧工程及珠澳口岸人工島填海工程島壁區(qū)采用了充填管袋技術[11],圖5為島壁區(qū)臨時圍堰斷面。

在南沙島礁建設及其機場、碼頭等基礎設施構筑中,管袋壩技術因地制宜,就地取材,填海拓地十分適合。美濟島吹填后的面積達6 km2,渚碧礁面積達到4.3 km2,永暑礁的面積達2.8 km2,島上建有機場、燈塔和通信網(wǎng)絡等設施。

2.2.3.2 沿海機場

我國沿海從南到北的澳門國際機場、香港國際機場和上海浦東國際機場,大多與填海拓地有關,其中管袋壩匡圍與促淤為建造工藝之一。

香港國際機場現(xiàn)有總面積1 248 hm2,75%為填海而成,填筑量約1.8億m3。 2016年香港國際機場擴建第三跑道的初期填海工程開建,由中交集團中標承建的香港機場填海拓地項目,拓地650萬m2,建造海堤長15 km,工期58個月[12]。

已經(jīng)開工建設的廈門新機場翔安國際機場為區(qū)域性樞紐機場,將建設2條滿足A380飛機起降要求的跑道、56萬m2的航站樓,位于大嶝島與小嶝島之間海域,利用周邊海域淤泥吹填造地[13],新增土地面積10 km2,圍堰12 km,吹填面積12 km2,填筑量6 000萬m3。

2.2.4 沿海土地開發(fā)

我國從渤海灣到北部灣,灘涂資源豐富,給沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)土地儲備提供了良好條件。灘涂造陸采用管袋壩促淤匡圍再吹填成陸,已成為普遍成熟的建造工藝。

河北唐山曹妃甸沙島北側與大陸岸線之間發(fā)育大片潮間淺灘,為典型的粉砂淤泥質灘涂[14],自2004年至2012年已完成圍海造陸198 km2,主要采用管袋壩圍堰吹填土造陸的方法(圖6)。

圖6 曹妃甸管袋壩圍堰吹填造陸

上海臨港地區(qū)(地處南匯嘴)作為國家新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地、國際航運中心和國際貿(mào)易中心的所在地,規(guī)劃總面積315.6 km2[15],其中管袋壩匡圍充填填海約140 km2,經(jīng)過10多年建設已取得明顯成效。

江蘇東臺弶港前沿水域的條子泥是輻射沙脊群中最靠近陸岸的大型沙洲,先期啟動條子泥2.67萬hm2的沙洲管袋壩匡圍,作為至2020年江蘇沿海規(guī)劃灘涂匡圍18萬hm2的示范工程[16]。

2.2.5 內(nèi)河設施及整治

管袋壩在內(nèi)河設施建設和整治工程中應用日益增多,例如作為岸堤、丁壩、順壩及潛壩的壩芯等,也有作為內(nèi)河碼頭堆場及其他設施的圍堤等。

圖7 南昌紅谷沉管隧道管袋壩圍堰橫斷面布置(單位：m)

在贛江南昌紅谷沉管隧道建設中,為了實現(xiàn)江中沉管與岸上匝道水下互通立交,在贛江東岸一側施工高度為20 m、填筑方量達80萬m3的管袋壩圍堰,圍堰大部分采用充砂長管袋堆疊而成,中間小部分堤芯為吹填砂,以設置塑性混凝土防滲墻阻斷滲流,圍堰邊坡防護采用砂卵石墊層+塊石格賓,如圖7所示。施工圍堰內(nèi)明挖澆筑結構。

圍堰伸入贛江主航道,圍堰處從河床至岸灘高程為2.8～18 m,百年一遇設計防洪水位23.64 m。施工過程中克服了贛江水位落差大、航道范圍流速大和水位高等復雜的水文條件,5個月完成了充砂長管袋堰體的填筑施工,保證了圍堰底部深度達10 m的深基坑施工安全[17]。主體工程完工后,圍堰拆除,由于堰體充填砂全部來自贛江,拆除的砂料棄之于贛江,最大限度地降低了施工成本和圍堰施工及拆除過程中對贛江的污染。

2.3 工程技術發(fā)展

我國管袋壩工程技術的發(fā)展主要體現(xiàn)在施工裝備、施工工藝以及與之配套的設計方法等方面,而新型袋體材料、多細顆粒充填料的快速脫水等技術相對滯后?？梢?直接解決重大工程施工難題和效率方面的技術進步快,而需要前期投入、短期內(nèi)難以見效的技術方面進步慢。然而,正是這些需長期積累的技術的突破,更具有普遍意義,經(jīng)濟效益更大。

2.3.1 深水筑壩(深水鋪袋、深水鋪排、深水拋投)

長江口水域寬闊,風大、浪高、流急、遠離陸地,施工水深 2～10 m,深水航道導流堤(結構形式參見圖3)的深水填筑通過水下充灌鋪設工藝創(chuàng)新與裝備革新達到工程設計要求:①管袋充灌口為上下雙袖口,待達到充盈度時,下袖口自然被擠壓封閉,無須水下人工結扎袖口;②多層管袋+堤芯兩側無紡織物反濾組合施工,減少了管袋充填、鋪設移船次數(shù),工效且質量保證率都得到提高;③特制能抗6級風浪和1.2 m波高的專用施工船舶和采用 GPS-RTK 定位技術,確保管袋定位及搭接質量[5]。

洋山港一期工程筑堤長度約5.0 km,水深在10 m以上,最深處達23 m,采用先拋后鋪的筑堤方法,網(wǎng)兜吊放裝砂土工包(2.8 m×2.8 m)、導架鋪放裝砂土工包(10 m×5 m)和鋪排船翻板拋投裝砂土工包(4 m×6 m或6 m×8 m)等施工方法。導架鋪放裝砂土工包的就位較佳,適用于兩側邊坡的控制;拋投裝砂土工包適用于堤芯中部;網(wǎng)兜吊放裝砂土工包速度較快,既適用于堤芯中部,也適用于邊坡補缺;其中鋪排船翻板拋投土工包體積較大,效率最高[18-19]。深水拋填斷面見圖8。此外,一期工程港區(qū)陸域吹填量達2 355萬m3,吹填最大厚度約47.0 m,平均吹填厚度21.0 m,高程-8.0 m以下工程量近1 200萬m3,通過施工裝備革新,工程中采用大型耙吸式挖泥船,并將兩泥泵低-高串聯(lián)組合,使400 mm口徑噴嘴的噴射距離達130 m,確保了洋山港一期陸域工程全面完成[20]。

圖8 洋山港一期工程深水拋填斷面示意圖

2.3.2 潮間帶至-2.00 m高程處筑壩

管袋壩最早在潮上帶或潮間帶利用落潮時鋪設充填管袋,經(jīng)過工程經(jīng)驗積累與施工裝備的提升,較大水深鋪設充填管袋的技術日臻完善。然而,對于潮間帶至-2.00 m高程處充填管袋效率較高的鋪設工藝相對滯后。

長江口長興島灘涂圈圍工程堤基為淤泥質土,壓縮性大、強度低,除軟土地基處理外還需增大圍堤斷面,使高程-2.00～1.00 m水域變動區(qū)充砂管袋長度達140 m,現(xiàn)有的翻板拋填和網(wǎng)兜拋填工藝均受到砂駁吃水深度限制,低潮水深條件也不適合人工攤鋪。然而,采用鋪排船和平板駁船對超長管袋實施對拉定位鋪設的工藝不僅可避免施工船舶擱淺,而且工效大增。該工藝實施參見圖9和圖10,主要流程為:①鋪排船移船進點到位,利用丙綸繩套系袋體預留拉環(huán),將設于滾筒的袋體卷通過人工筏牽引至對面平板駁船或鋪排船。啟動平板駁船或鋪排船電機,按GPS系統(tǒng)的定位將袋體展鋪對拉到位。②利用人工小筏將吹砂管路分流閥處的皮龍軟管插入袖口之中,開啟電吹船泥漿泵實施充灌砂作業(yè)。③充砂過程中通過袋體袖口分布和預留皮龍軟管情況,計算各皮龍軟管路覆蓋區(qū)域所需砂量,根據(jù)電吹船施工效率及時調(diào)整閥門開關,合理控制充灌時間進而控制充灌質量。

圖9 對拉鋪設工藝設施布置

圖10 對拉鋪設管袋操作

實踐表明,該工藝不僅避免了拋投作業(yè)船舶易擱淺的問題,而且單個作業(yè)面筑堤量達到5 500 m3/d,施工效率較常規(guī)鋪排船水下鋪設提高1.5倍[21]。

2.3.3 寬大龍口合龍

經(jīng)方案比較論證,確定青草沙水庫主龍口布置在東側深槽段,寬度達900 m。龍口范圍在施工期的設計最大流速達到 7.5 m/s,河床為粉砂土和淤泥,壩身為吹砂管袋,極易受漲落潮水流沖刷[4]。針對船機施工水下結構的特點,龍口護面采用多層復合保護結構:第一層,大型土工織物充填砂袋尺寸為220 m×35 m,袋布為410 g/m2規(guī)格復合土工布,采用大型鋪排船趕潮施工;第二層,超強砂肋軟體排順水流方向通常約為200 m,寬度約35 m,排布采用1 300 g/m2丙綸長絲機織土工布,其經(jīng)緯向抗拉強度分別為360 kN/m和260 kN/m,砂肋直徑30 cm,間距150 cm,采用260 g/m2丙綸長絲機織布;第三層,混凝土塊連鎖排,基布采用380 g/m2復合土工布,混凝土塊規(guī)格為160 mm×400 mm×400 mm,由丙綸繩均勻系在排布上,排體的平面尺度與超強砂肋軟體排相同;第四層,網(wǎng)兜石單塊質量10 t,6個聯(lián)成一組,整體吊裝,定點沉放,安放后的整體厚度為0.6～1.2 m,可滿足6.5～8.0 m/s流速的抗沖穩(wěn)定。在堤壩的防滲墻位置,用30 t混凝土塊代替網(wǎng)兜石,截流后吊出并用充填砂袋置換[22]。龍口900 m范圍分兩種戧堤截流斷面,在龍口中間底寬800 m、底高程-4.00 m范圍全線采用框籠拋石截流,即在小潮汛期安放框籠并壓載,但大潮汛時仍可過水,再乘小潮或大潮平潮時段向已安放穩(wěn)定的框籠內(nèi)拋石形成戧堤。兩側各50 m(底高程-4.00 m)段采用網(wǎng)兜石戧堤截流?？蚧\為型鋼結構,立面(水流進出方向)采用有利于自身穩(wěn)定的梯形斷面,頂寬10 m,底寬12 m,高7.5 m。施工順序為:①放籠;②籠內(nèi)高程-2.00 m以下壓重拋石;③籠兩側各5 m范圍內(nèi)高程-2.00 m以下網(wǎng)兜壓重固籠;④籠內(nèi)分層拋石至籠頂;⑤籠兩側拋石加固。上述第①②③步相當于平堵過程,第④步可根據(jù)需要既可立堵也可平堵。東側主龍口保護與截流框籠結構如圖11所示。

圖11 青草沙水庫東側主龍口保護與截流框籠結構(單位:m)

青草沙水庫主龍口的成功截流創(chuàng)造了圈圍 49.8 km2水域不分倉、一潮龍口過水量達 1.5 億m3的紀錄[4]。

2.4 應用基礎性研究進展

2.4.1 波流作用下管袋壩穩(wěn)定研究

河海大學水利水電學院自21世紀初開展了扁平充填管袋結構分別與波浪、水流相互作用的穩(wěn)定性機理研究。

通過模型試驗方式獲得扁平管袋裸壩結構波浪作用力,進而分析管袋所受拖拽力、慣性力以及上抬力系數(shù)。通過測力傳感器獲取不同裸壩結構中不同位置管袋波浪力,分析管袋受力狀態(tài),進行波浪力實測值與計算值比較。試驗與分析結果表明,不同波浪要素組合對扁平管袋波浪力影響很大,相鄰管袋所受波浪力大小也不相同;波浪-結構相互作用管袋所受水平波浪力明顯占支配地位,對扁平管袋裸壩結構的位移和變形影響最大[23-24]。

主要考慮了邊坡系數(shù)、壩高、壩頂寬度以及水深4種影響因素,通過模型試驗研究施工期管袋堤壩在深水水流作用下的穩(wěn)定性,確定以頂層管袋發(fā)生滑動失穩(wěn)作為管袋堤壩失穩(wěn)的判斷標準,得出了管袋堤壩的臨界滑動失穩(wěn)流速公式。研究結果表明:失穩(wěn)臨界垂線平均流速隨邊坡系數(shù)以及壩頂寬度的增大而增大,隨壩高與水深比的增大而減小;臨界作用流速隨壩頂寬度的增大而增大,其余幾個因素對臨界作用流速的影響不顯著[25]。

南京水利科學研究院河流海岸研究所2001年對不同尺寸沙袋充填度、基于水槽光面底部及袋布底部的沙袋在水流作用下穩(wěn)定性試驗研究結果表明,沙袋充填度達極限充填度的85%時較為合適;沙袋失穩(wěn)流速與其在水中的擺放位置有關,沙袋長度方向順水流擺放時最難失穩(wěn),垂直水流方向擺放時最易失穩(wěn),一般以移動失穩(wěn)為主,偶見滾動失穩(wěn);推導的沙袋失穩(wěn)的計算公式表明,失穩(wěn)流速與沙袋容重、摩擦系數(shù)、沙袋尺寸及擺放方位有關[26]。

2.4.2 潮間帶管袋壩充填料與充填工藝研究

管袋壩充填料就地取材是其一大優(yōu)點,但前提是附近具有滿足施工進度要求的充填土料。除深水區(qū)外,在潮間帶一般要求一個潮水漲落期內(nèi)管袋充填土料脫水至可以承受其上一個管袋的荷載并維持穩(wěn)定,所以相關規(guī)范要求充填土料的黏粒含量小于10%。然而,壩址附近的土料并不都能滿足要求,如何經(jīng)濟有效地利用附近土料成為需要解決的技術問題。

具備一定條件時可通過泥庫篩選充填土料,此處不再引申闡述。較多研究機構在利用含黏量或含粉量較高的土料充填管袋方面作了相當多的試驗研究。

2002年9月河海大學水利水電學院在長江口的浪港口蓄淡水庫現(xiàn)場作了管袋充填試驗,充填300 cm×300 cm×70 cm的小型管袋12個、2 000 cm×1 500 cm×60 cm的大型管袋2個,分別充填庫區(qū)高含黏(粉)粒土料、周邊的細砂料以及兩者不同比例的摻合料。結果表明,細砂料盡管細粒含量約35%(其中含黏量約為14%),但還是能夠在半潮過程內(nèi)基本脫水,其他含砂量較低的高含黏(粉)粒土料均不能滿足潮間帶以下區(qū)域的施工要求[27]。

2011年10月南京水利科學研究院巖土工程研究所在連云港徐圩港區(qū)開展以疏浚土充填管袋筑壩試驗,試驗段總長 60 m、寬30 m。分別充填兩種土料:疏浚土含黏量約30%,含砂量約23%;細砂料含黏量約11%,含砂量約55%。采用兩種充填料管袋互層等方式堆筑。結果表明,以疏浚土堆筑的管袋壩斷面與兩種土料管袋互層堆筑的斷面均可形成穩(wěn)定的堤壩斷面[28]。然而,脫水時間都是以若干天計,難以滿足潮間帶及以下區(qū)域的管袋壩施工要求。

2012年1月河海大學水工結構研究所在室內(nèi)單元管袋充填脫水試驗的基礎上,在上海南匯東灘開展了現(xiàn)場高含粉量土料充填管袋脫水試驗。充填土料含砂量約40%,含粉量約52%,含黏量約8%,管袋布的等效孔徑適當大于計算孔徑,結果表明,采用邊充灌邊排水的方法,充灌后管袋內(nèi)留下的土料6 h的固結度可以滿足上層管袋繼續(xù)施工的要求。具體實施方法:①管袋除設置充灌袖口外,管袋頂部邊緣對應設置直徑為10 cm的排水口,沿管袋長度方向的間隔為5 m;②土料造漿后的土水比例達到1∶3,25%的低濃度泥漿充灌后沉淀過程中更利于不同粒徑土料的分離;③對于尺寸較小的管袋,每次充灌可以在0.5～1 h的時間內(nèi)達到屏漿狀態(tài),每次充灌結束后沉淀10 min,解開排水袖口,排除管袋內(nèi)上層的水與粉粒及黏粒漿液;④對于尺寸較大的管袋,充灌至屏漿狀態(tài)時間需數(shù)小時,充灌后放水排泥費時較多,效率低下,應采用管袋充至60 cm高后解開排水口邊充灌邊排水的方式[29]。

2003年天津大學在室內(nèi)試驗的基礎上與有關單位研制淤泥固化土攪拌設備,整合淤泥挖掘機、固化土喂泵螺旋機、混凝土泵等形成固化土充灌管袋系統(tǒng),如圖12所示。依托天津港北大防波堤工程一期西內(nèi)堤工程開展壩址淤泥固化土充填管袋筑壩實踐。固化土配方為:土35 kg,水8 kg,水泥2.92 kg,合計45.92 kg。

圖12 固化土充填管袋系統(tǒng)示意圖

管袋高度0.5 m,長度20～30 m,寬度為所處高程的堤寬度,充灌袖口一般呈正方形布置,間距約2.5 m,袖口的直徑約30 cm,袖長40 cm。固化土應在攪拌后10 min內(nèi)充灌,固化土含水量75%～85%時,泵送充灌效果較好,泵送最遠距離50 m。每套固化土充灌系統(tǒng)每天趕兩個潮水作業(yè),日平均生產(chǎn)能力為230 m3。經(jīng)施工后的現(xiàn)場觀測與計算分析表明,固化土管袋作為堤心是可行和穩(wěn)定可靠的[30]。

2.4.3 充填管袋力學特性研究

2012年浙江大學市政工程研究所開展的室內(nèi)模型試驗表明,袋布織物經(jīng)向受拉時透水率顯著減小后趨于穩(wěn)定,緯向受拉時透水率持續(xù)增大,由此推導了透水率計算公式;將透水率引入到理論計算,發(fā)展了充填管袋特性計算方法[31]。

2007年天津大學巖土工程研究所結合天津港南疆圍埝工程以粉土充填管袋作為堤心開展了試驗與計算分析研究。袋布厚度 0.52 mm,底部管袋周長 38 m,單位面積質量131 g/m2,等效孔徑 0.145 mm,滲透系數(shù) 3×10-3cm/s,強度26 kN/m;管袋底部高程約為1.00 m。通過數(shù)值分析由袋布受力分析建立的控制方程得知,大尺度管袋對充填壓應力十分敏感,其周向拉力隨尺寸增加的速度非常大。為保證大型管袋強度滿足要求,控制較小的充填壓應力,這樣充填高度也小,管袋呈扁平形狀[32]。該數(shù)值計算過程已編制了程序,可用于計算扁平充灌袋的形狀、尺寸、泵送壓力、泥漿容重和拉應力的關系[33]。

2014年河海大學巖土工程研究所針對剛性水平地基上3個對稱堆疊的高強度橢圓形充填管袋(充水、充泥或充漿),分別考慮兩底袋接觸和分離堆放時的管袋與管袋、管袋與地基之間接觸面的摩擦作用,推求管袋拉力、摩擦力和幾何形狀的解析解答,分析充填壓力和底袋的堆放距離對管袋受力的影響以及管袋堆疊的穩(wěn)定性。結果表明:底袋的堆放距離固定時,存在臨界充填壓力,使得管袋與管袋、地基之間可動用的摩擦力較小;管袋的充填壓力固定時,底袋的堆放存在臨界距離,使得管袋的拉力和摩擦力均達到最小值,對應于最穩(wěn)定的堆疊結構[34]。

3 管袋技術研究新進展

在國家自然科學基金和國家“十二五”科技支撐課題等資助下,筆者團隊在以往研究的基礎上,開展了扁平管袋在波浪作用下的變形及穩(wěn)定、高含黏(粉)粒土料充填管袋高效脫水、波浪水流作用下壩芯吹填砂經(jīng)袋間接縫流失及管袋側壁破損口土料沖刷破壞、管袋壩施工信息化與深水拋投充砂袋筑壩等研究,取得初步成果。

3.1 波浪作用下管袋變形及其穩(wěn)定[35-36]

鑒于國外有關橢圓形管袋結構研究理論成果不適于國內(nèi)扁平管袋結構,而國內(nèi)有關管袋在波浪作用下變形引起受力變化及相應的結構穩(wěn)定等應用基礎性問題探究不多,因此有必要對此開展深入探討。

依據(jù)大尺度結構波浪載荷分析方法——奇點分布法中關于海洋結構波浪壓力分析方法,推導出波浪作用在扁平管袋裸壩結構上的波浪力分布;在前期對扁平管袋裸壩結構試驗研究的基礎上,分別建立考慮管袋不變形和變形兩種情況下的穩(wěn)定性公式;對于滑動和傾覆兩種失穩(wěn)形式,分別根據(jù)力和力矩平衡原理,提出穩(wěn)定性公式,若相關波浪要素及影響管袋穩(wěn)定的變形因子已知,該組公式可用于工程設計和施工參考;在推導穩(wěn)定性公式基礎上,探討了管袋變形對裸壩結構穩(wěn)定性影響,對變形因子作定性和定量分析,通過對多種管袋裸壩結構形式的一系列試驗,獲得管袋失穩(wěn)方式和相應的變形參數(shù);通過分析頂層管袋和斜坡管袋所受水平力、上抬力及抵抗力作用下影響管袋穩(wěn)定性的變形因子,探討管袋抵抗力變形因子與扁平管袋裸壩結構坡率之間的關系。

3.2 高含黏(粉)粒土料充填管袋高效脫水技術[37]

我國沿海地區(qū)大量存在的含砂率為30%～50%、含黏量達到10%～20%或含粉量達到60%的高含黏(粉)粒土料，針對其充填管袋存在脫水固結速度慢的問題,通過管袋材料排水效率試驗、充填泥漿沉降規(guī)律試驗以及室內(nèi)單元管袋脫水模型試驗相結合的方法對不同充填土料管袋脫水規(guī)律及高效脫水方法進行了系統(tǒng)研究,并通過現(xiàn)場大尺度管袋充填試驗來驗證高效脫水方法的可行性及實際效果。提出了一種充排結合、邊充邊排的管袋充填高黏(粉)粒含量土料高效脫水技術,有望使沿海圍墾施工現(xiàn)場區(qū)域大量存在的高黏(粉)粒含量土料(黏粒含量高達20%或粉粒含量高達60%,含砂量低至30%)得到有效利用,避免異地取土,同時短施工工期,可較大幅度地節(jié)省工程造價。

3.3 管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失破壞[38-39]

蓄淡水庫管袋壩兩側下部由管袋構成,管袋之間的接縫處理十分重要,否則可能成為施工期或運行期壩芯吹填砂顆粒流失的通道,所以有必要針對管袋壩壩芯吹填砂沿袋間接縫流失破壞開展研究。

利用自行研制的管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失模型試驗研究裝置,進行了單向流和波浪作用下管袋壩袋間接縫壩芯吹填砂流失試驗;針對單向流工況,從水力學的角度定性分析了“槽溝式”顆粒流失的過程及機理,并建立了該工況下的穩(wěn)定性判別標準;針對波浪工況,探究出了不同工況下壩芯吹填砂的運移規(guī)律,波浪水流作用下的壩芯吹填砂流失過程分為沖擊、成拱、穩(wěn)定3個階段,以接縫內(nèi)砂堆長度L堆為表征管袋壩袋間接縫內(nèi)砂堆穩(wěn)定性的目標參數(shù),分析其穩(wěn)定性影響因素,建立管袋壩壩芯吹填砂經(jīng)袋間接縫流失穩(wěn)定性的判定標準,并提出了相應的判定方法。

3.4 管袋壩袋間接縫側壁損漏沖刷[40-41]

扁平管袋所用編織織物會由于施工不慎造成側壁破損,由此可能造成袋裝砂體顆粒被滲流水流和波浪水流沖刷流失,所以有必要對單向流和波浪水流對管袋壩接縫側壁損漏處充填砂的不同影響進行分別研究,以期為工程實踐提供參考。

自主研發(fā)了一套管袋壩袋間接縫側壁損漏沖刷穩(wěn)定性試驗研究裝置,并結合試驗模型探索了相應的試驗方法;利用該裝置進行了單向流和波浪作用下管袋壩袋間接縫側壁損漏沖刷試驗,總結了沖刷過程及接縫管路內(nèi)砂顆粒的運移規(guī)律。

單向流作用下的沖刷過程可以概括為扇面沖刷、出砂和穩(wěn)定3個階段,該工況下的沖刷穩(wěn)定與否取決于最粗砂顆粒的起動流速與接縫破損口處引起的束窄水流流速的關系,破損口越大、水流流速越大、最粗砂顆粒起動流速越小,越容易發(fā)生沖刷破壞。

波浪作用下的沖刷過程分為沖擊、成拱、穩(wěn)定3個階段;選擇臨界峰值水壓力Pc作為表征管袋壩袋間接縫側壁損漏沖刷穩(wěn)定性的判定指標,通過比較接縫內(nèi)峰值水壓力P與Pc值可以判斷對應工況下的沖刷穩(wěn)定性[40-41]。

3.5 信息技術應用于管袋壩施工[42-43]

從信息化角度考量當前管袋壩的施工尚處于目測或簡單觀測階段,技術人員主要通過現(xiàn)象以經(jīng)驗判斷施工過程的安全性,或者簡單安置觀測儀器,事后進行測試結果分析。由于信息技術(IT)是一門發(fā)展極快的科學技術,信息化技術應用于管袋壩工程將漸成趨勢,可概括為通過設置各種測量元件和儀器,實時采集管袋壩施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)并加以分析,依據(jù)分析結果對原設計和施工方案進行合理調(diào)整,并反饋到下一階段的施工,充分保證工程的安全性、高效性與經(jīng)濟性。

結合東海某圍墾管袋壩工程開展了信息化施工技術在管袋壩工程中的初步實踐,包括監(jiān)測指標選取、監(jiān)測儀器與現(xiàn)場布設、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理以及反饋與決策等內(nèi)容。①管袋壩信息化施工技術主要分為4個流程:信息采集、信息分析處理、信息反饋以及控制與決策;②依據(jù)管袋壩工程自身特點與監(jiān)測原則,管袋壩施工監(jiān)測的主要指標包括波浪要素、潮位、基床面海流流速、風速、壩基變形和壩基滲流等;波浪要素、潮位等指標通過雷達波潮儀監(jiān)測,風速可通過氣象站采集,基床面海流流速的監(jiān)測則采用電磁流速儀,壩基變形和壩基滲流則分別通過測斜儀和滲壓計監(jiān)測;此外,為保證監(jiān)測可靠性,需因地制宜,選擇合適的監(jiān)測設備現(xiàn)場布設安裝;③信息分析處理是管袋壩信息化施工技術的核心,對應每種監(jiān)測指標,采用合適的計算方法,定量分析管袋壩的安全性,以此作為系統(tǒng)預警、控制的依據(jù);④根據(jù)系統(tǒng)反饋和人工現(xiàn)場巡檢發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象,采用專家系統(tǒng)分析問題,給出處理措施建議,以輔助現(xiàn)場施工技術人員的處理決策。

3.6 深水拋投土工包沉落技術原理[44-46]

深水區(qū)域填筑管袋壩通常需要拋投土工包作為管袋壩的基礎,所以該項技術也可歸屬于管袋壩技術。國內(nèi)多采用船舷翻板充填投放土工包,以試拋的方法粗略判斷土工包落域,由于受土工包體積、充填率、滑落長度、翻板角度、水深和流速等因素的影響,拋投土工包的落點隨機性很大,效率低下。因此,需要研究翻板拋投土工包的沉落機理,并總結出土工包落域的定量計算方法。

課題組對翻板投放的“塊枕狀”土工包的沉落規(guī)律進行了研究,主要內(nèi)容包括:①利用力的平衡原理建立了沉落運動方程,并推導出了土工包的沉落速度、沉落軌跡的計算公式;②以實際工程中的施工參數(shù)為基礎,開展了25組不同水深和流速組合工況下的規(guī)律試驗,并計算出每種工況下的阻力系數(shù)數(shù)值;③提出了一種阻力系數(shù)的計算模型。

首先,對翻板拋投的土工包進行了受力分析,提出了落點平面坐標的計算公式;其次,基于實際工程中的施工參數(shù),在水槽中進行規(guī)律探索試驗,研究了不同水深和流速條件下的土工包沉落規(guī)律,從而得到了土工包阻力系數(shù)的變化范圍。分析試驗結果發(fā)現(xiàn):①淺水條件下由落點坐標公式得到的沉落軌跡與試驗結果吻合度較好;②深水條件下土工包容易發(fā)生翻轉,落點離散程度稍大。深入的試驗研究表明,創(chuàng)新性的品字形三聯(lián)體土工包由于其相對優(yōu)越的水動力條件,沉落過程中較為平穩(wěn),沉落規(guī)律性較佳。

4 結 語

我國的管袋壩工程在過去的三四十年間,因陋就簡,從無到有,逐漸發(fā)展成為河口、海岸基礎設施工程的重要組成部分;筑壩區(qū)域從潮間露灘處到深水潮流復雜區(qū)域;施工操作從以人工為主到以裝備為主,直至當前多裝備集成完成深水區(qū)域復雜的水下控制施工;管袋壩匡圍區(qū)域從小到大,以至能實現(xiàn)超大龍口的順利合龍。

縱觀管袋壩工程建設、工程技術及應用基礎性研究的發(fā)展歷程,可謂工程建設如火如荼,工程規(guī)模日趨擴大;伴隨工程建設中技術難題的應對措施日益成熟,相應裝備及工藝逐漸配套完善;應用性基礎研究相對滯后,研究領域不夠系統(tǒng)、深入,致使研究成果難以轉化為工程實用的工藝技術。

管袋壩工程技術研究主要集中在施工期的建造技術和安全控制以及為服役期安全控制奠定可靠基礎等方面,由于施工期環(huán)境的復雜性,使應用性基礎研究面臨較大的挑戰(zhàn)性。盡管如此,在今后10～20年間,仍應在水深流急條件下管袋壩施工的裝備及工藝技術、復雜環(huán)境下扁平管袋力學穩(wěn)定及水力學穩(wěn)定控制、欠理想充填材料的脫水技術、非常規(guī)充填材料的技術經(jīng)濟適用性、施工及服役期全過程管袋壩損傷破壞機理及安全評價、全過程的施工信息化技術等方面開展較為系統(tǒng)、深入的研究,并以付諸工程實施為目的。相信今后管袋壩工程在應用領域和應用性基礎研究領域成果的相互促進下,將產(chǎn)生由量大到質強的巨大跨越,更著力貢獻于國家戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。

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