大型土工砂袋邊坡防護高效高精度技術研究

周 林，于學付，張雪嬌

（中國電建集團港航建設有限公司，天津 300467）

引 言

孟加拉國河流眾多，恒河、雅魯藏布江流經入海，孟加拉經濟長期貧弱，加之境內無河道治理必須的塊石，幾乎無大型水利設施。從上世紀九十年代開始，孟加拉國經濟發展迅速、沿河修建了大型橋梁，相應區段的河道需要進行防護以保護橋梁及沿河重要商業區的安全。孟加拉國內建筑所需塊石基本上來自印度，價格極其昂貴，因此在國際社會支持下，嘗試采用70～250 kg土工袋砂袋進行河道的防護，2003年～2006年土工砂袋防護逐步發展為孟加拉河河道防護的重要輔助方法。用土工砂袋進行岸坡防護，可就地取材，利用河道治理開挖砂石裝填土工袋進行河道防護能夠及時適應河床的變化。土工砂袋大規模施工研究應用在國際上并不多見，沒有成熟的國際規范，尤其是深水（水深超過20 m）高流速（2 m/s）的土工砂袋拋填護坡，沒有可借鑒的工程案例。

孟加拉國帕德瑪河屬于游蕩型河流，岸坡穩定性差，經過研究、模型試驗可采用土工砂袋拋填結構的“自適應補償性”岸坡防護設計，土工砂袋應用可節省大量進口塊石，而且土工砂袋防護的目的是岸坡坡腳被沖蝕后能夠通過土工袋的進一步墜落從而形成新的防護層，使河道岸坡坡腳在不斷的沖蝕—自愈中逐漸形成穩定的河槽。河道整治在中國具有悠久的歷史，采用塊石防護岸坡是一種重要的手段，加之中國河流大多是山區河流，塊石資源非常豐富。如果孟加拉帕德瑪河道整治工程的設計理念能夠應用到中國的大江大河，將能夠充分利用河道治理得到的砂石進行土工砂袋岸坡防護，極大地節約塊石用量，減少山體開挖，保護珍貴的青山綠水。

1 項目概況

孟加拉帕德瑪河道整治工程主要目的是保護大橋上下游岸堤免受洪水侵蝕。800 kg土工砂袋的護坦防護設計在孟加拉國屬首次，這些大型土工砂袋需精準拋填到水面以下5～27 m，在國際上尚無如此規模的成功案例可供借鑒。中國電建港航公司使用的大型土工砂袋拋填設備在拋放側加裝了可升降導向架裝置，使用導向架裝置精確控制土工袋拋填落點，提高拋填精度、覆蓋均勻、表面平整度高，機械化程度高，船舶施工靈活，作業效率高。工程斷面見圖1。

圖1 護坡斷面示意

河道水流流速大小及方向、水深、水位變化以及潮汐變化均與土工袋拋填落點密切相關，是影響土工袋落點的幾點關鍵因素。土工袋的漂移可分為順水流方向的漂移量和順拋填方向的漂移量，土工袋順拋填方向的漂移量S1與土工袋大小、拋填的力度、入水姿態、水深有關，土工袋順水流流速漂移量S2與土工袋大小、水流流速、水深有關。國內外對土工砂袋漂移研究、總結并形成了很多的公式，公式形式繁瑣復雜，相關因素較多。如圖2所示。

圖2 土工袋拋填落點示意

本工程土工砂袋作為永久防護結構，工程量大，拋填深度大，施工期最大流速可達 3 m/s，因此提高拋填效率及控制拋填精度是施工的關鍵技術要求。自項目開工，現場施工人員試驗了多種拋填方法，積累了大量數據和經驗，最終確定采用“帶導向架的拋填平臺船”作為主要施工設備。該拋填平臺采用GPS定位系統，結合“水上自由行”軟件實時顯示拋填位置，實現拋填船精確定位；大型土工砂袋采用噸包機裝填和鏈板機拋放方式，實現砂料倒運、裝袋、拋填施工流程的集約化和高效化；利用拋填設備上的導向裝置，引導土工砂袋準確下落至預定拋填點，約束土工袋下落過程的漂移，提高拋填位置精度，達到土工袋精準著床的效果，目前已經將該方法固化為施工工法并應用于所有土工袋拋填施工中。

圖3 噸包機+鏈板機裝袋示意

拋填砂袋設備主要由專業浮箱、導向架、垂直起升支架、舷外固定支架、吊桿、卷揚機、滑輪組、電氣控制設備、系統及其他輔助設施組成，浮箱采用中部中空放置導向籠。每段導向架間使用可拆卸螺釘相連，兩側垂直起升支架上的卷揚機通過滑輪組以及掛鉤與導向架相連，拋填過程中可對導向架進行升降作業，起升架僅在升降導向架過程中受力，導向架工作過程中由導向架兩側牛腿與浮箱甲板上牛腿連接受力。

圖4 拋填導向機構縱向布置

2 施工工藝

大型土工砂袋拋填項目的實施，可分為施工準備階段、施工生產階段和竣工驗收階段三個階段，見圖5。

圖5 土工袋深水精確拋填施工流程

2.1 定位控制系統

定位系統安裝：在已知控制點架設 GPS基準站。根據駁船船型尺寸，安裝移動站模塊。施工船舶采用“水上工程-自由行”軟件對 GPS主機采集的數據進行綜合處理，操作人員可實時對比和調整拋填船和拋填底圖的位置關系。

2.2 測量及沉降測量

開始施工前，采用多波束對拋填區河底原始地形進行測量，保證每條測線之間測量數據有足夠的重疊區，確保測量數據的完整性。

拋填前沉降測量采用裝有相同厚度土工袋數量的籠子拋放在施工區，進行多波束測量及潛水丈量觀測，主要為后續驗收及計量提供基礎資料。

2.3 導向裝置裝配

孟加拉帕德瑪大橋河道整治工程土工袋拋填施工區水深為3～27 m之間，最深位置需要使用7段導向架拼接而成，最淺位置使用1段導向架，河床坡度為 1:6，拋填船沿坡腳到坡頂、由深到淺的方向進行拋填。拋填船舶根據水深安裝適當長度的導向架，在保證導向架安全的前提下盡可能與河床接近，從而實現土工袋精確拋填，后續根據邊坡的高程變化再進行調節。

2.4 土工袋裝填、縫合、拋填

土工袋拋填船總體上分為四個區域：砂料存儲區、裝填縫合區、拋填區和集成控制區、GPS接收機，如圖6所示。

圖6 施工船舶平面

1）土工袋填充料供應。本工程基本采用運砂船?？恐翏佁畲鎯^一側，挖掘機進行運砂船卸料的方式，該方式操作簡單、成本低、效率高，能滿足大型土工袋裝填填充料的持續消耗。

2）土工袋裝填。使用挖掘機為噸包機料斗上料→將土工袋展開放入于半圓柱的套筒內，并將土工袋袋口多余部分外翻套于套筒上，套筒高度為土工袋重量合格對應高度→打開料斗閥門填充土工袋直至上料與套筒等高，將土工袋袋口取出套筒→啟動鏈板機后端將土工袋移至鏈板機前端上進行縫合→縫合土工袋的同時開始下一組裝填作業。該方法優點是土工袋裝填和縫合分區進行，互不干擾，極大地節約了時間，提高了拋填效率。

3）土工袋縫合。土工袋縫合采用手持式縫紉機人工縫合的方式進行。

4）拋放。土工袋縫合完成并檢查合格后，前端鏈板機啟動進行拋填，該方法自動化程度高，減少土工袋入水姿態的差異性。

3 施工監測及質量控制

3.1 施工監測

拋填質量通過多波束測量檢測，土工袋拋填效果采用統計學原理進行點數據分析。拋填完成后進行拋后多波束測量，將測量數據與設計數據進行差分處理。拋填過程中應定期進行測量檢測，實時掌握拋填質量，測量后使用專用軟件分析拋填質量。對不合格區域進行精確定點補拋，補拋后及時測量分析直至全部合格。

圖7 監測不合格區域（紅圈）

3.2 質量控制

1）材料質量控制

土工砂袋填充料細度模數、含泥量等指標滿足規范要求，土工袋應按規范要求進行檢測并出具報告，無合格報告的不允許投入使用。

2）裝填質量控制

土工袋填充重量要滿足最低干重的要求。由于大型土工砂袋稱重不便，采用量取高度計算體積及參考含水率指標的檢查方法。

3）縫合質量控制

縫紉線應使用規定且檢測合格的縫紉線，土工袋封口縫線的道數、形式、位置及形式等要滿足規范要求。

4）拋填質量控制

現場施工人員必須嚴格按照技術交底進行施工，拋填時船駁實際與設計拋填位置平面定位誤差要小于10 cm。拋填過程中要進行階段性測量，根據測量結果及時調整拋填參數，對不合格區域及時進行補拋。

4 經濟效益

大型土工砂袋深水、精準定位拋填施工工法區別于以往施工方法的最重要方面表現在拋填精度和拋填效率高，兼顧了工程質量和進度的要求。下面對大型土工袋拋填進行質量、效率及經濟三個指標分析得出：

從質量指標上來看，傳統人工散拋完成后，土工袋厚度離散度大，表面不平整，厚度不足的點數量較多，質量控制難度相當大（補拋袋子個數約為3 %）。而按照新工法施工完成后，拋填厚度均勻，只需要對個別點進行補拋即可滿足規范要求（補拋袋子個數不足0.5 %）。

從施工效率要求上來看，傳統散拋效率約為1 500個/天，而且需要重復補拋，新工法拋填效率4 000個/天，施工速度提高約167 %。新工法中的設備替代了大量人工，集約化程度高，施工管理受控。

從經濟指標上來看，新工法投入的勞動力數量少，傳統拋填成本為 1 475.82 孟加拉塔卡/袋，采用新型拋填方式拋填成本為 1 416.37孟加拉塔卡/袋，節約了4.03 %的成本單價。同時極大地減少了補拋工作量，節省了補拋時間和成本，加快了工程進度，為項目創造了較大的經濟效益。

5 結 語

在項目設備不斷優化的過程中發現制約大型土工砂袋施工效率的最主要因素是砂袋裝袋后的縫合，由于袋子裝填后形狀扭曲，采用人工手動縫紉，受外部環境影響較大，為了達到經濟效益的最大化，每4個800 kg土工袋配備一位縫紉機工，同時至少有3臺備用縫紉機。但在實際生產中還是出現縫紉跟不上拋填現象，下步將進一步研究自動化縫包工藝及拋填設備自身吊裝導向裝置工藝，使整套設備產能最大化。隨著“一帶一路”的不斷深化發展，國際項目在企業發展中的地位越來越重要，新工藝新設備的應用成為了滿足國際規范要求和樹立企業國際形象的重要手段。