水下砂枕施工方法在河道疏浚治理中的應用

朱燕萍

(南昌市水利電力建設公司，南昌 330000)

1 工程概況

信豐縣嘉定鎮西河出口段防洪工程位于信豐縣嘉定鎮境內，屬信豐縣桃江一級支流西河下游河段，河道治理范圍為西河嚴家壩至河口段，工程所在河道蜿蜒曲折，行洪斷面較窄，洪水陡漲陡落，河岸土體抗沖刷能力弱，岸坡防洪標準低，沿岸及河槽內雜草叢生，局部河段淤積嚴重，行洪不暢，洪水災害頻發，對于當地經濟發展和居民生產生活、生命安全存在嚴重威脅。本工程綜合治理河道長6.15km，包括新建土堤1.34km，新建護岸8.78km，河道疏浚2.64km，防洪工程設計級別為4級，防洪標準20a一遇，排水標準10a一遇。

該河道防洪工程所在流域砂源豐富，通過水下充填砂袋所形成的砂枕填筑水下壩體，可就地取材，節省砂料，降低工程造價，取得較好的工程效果。

2 工藝原理

2.1 砂枕制作工藝

水下砂枕外部的土工織物主要采用質量輕、強度高，抗腐蝕、抗酸堿、滲透及整體連續性較好的聚丙烯材料，可以制成軟體排、加筋土工布、大型沖灌袋等形式，還能同時摻加抗老化母料，提升材料性能壽命。該河道防洪治理工程主要利用土工織物砂袋約束砂料，制成形狀規則、尺寸一致的砂枕，按照設計要求將砂枕疊放后形成堤壩壩身。借助定位鋼管樁將砂袋四角定位下沉后，通過砂漿泵從砂袋上預留的袖口處充填砂料，袖口位置及間距可根據砂漿泵功率和砂料粒徑調整，以確保砂袋中均勻充填砂料。

2.2 砂枕受力及穩定性分析

就功能和工程效應而言，砂枕堤壩和拋石堤壩并無較大差異，水下砂枕施工技術對于水深在5.0m以下、水流流速不超出1.5m/s，且現場砂源豐富的河道整治工程較為適用。為保證施工質量，必須加強單個砂枕穩定性分析，確保其不出現翻轉和平移[1]。

為進行砂枕平移穩定分析，取兩個寬度均為1.0m的水下重疊砂袋，分別用1、2表示，圖1中△Z為水位差，△H為水深差，H為設計水深，h為砂枕高度，r為水流流速。當河道水深4.0m，砂枕高度0.8m，水位差0.1m時，砂枕作用力及計算結果具體見表1。表中γ0為水體容重，取1.0t/m3；b為砂枕面寬，取3.3m；?為砂枕間緊密度系數；v為動水流速，取1.2m/s；γs為砂枕質量密度，取1.6t/m3。

圖1 水下重疊砂枕示意圖

表1 砂枕受力計算結果

此外，以圖1中A點為轉動矩心，順時針矩為負值，為避免砂枕翻轉，必須使∑MA>0，將相關參數值代入后求得∑MA=2.56t/m，存在較大的安全富裕，也說明砂枕不會隨水流沖擊而出現翻轉。

3 施工要點

3.1 砂袋定位下沉

根據該河道疏浚治理工程堤壩設計斷面確定砂袋尺寸，送交工程所在地生產廠家加工制作。通過四根鋼管樁將準備好的砂袋定位，同時在全站儀的指揮下進行鋼管樁定位，通過人工方式將鋼管樁打入土中，鋼管直徑及打設深度應能確保砂袋定位下沉時鋼管樁的穩定性。在水流流速湍急且鋼管樁打設深度有限的情況下，還應通過錨固在上游的鐵錨將上游兩根定位鋼管樁拉接固定。在砂袋四角處綁扎繩套，與四根定位鋼管樁套結，并將砂袋展開，借助竹竿和塊石將其壓沉就位。預先將表面光滑、長度3-6m的硬質塑料套管接進砂袋袖口并借助浮筒浮出水面，本工程砂袋袖口設計直徑為20cm，硬質套管上端固定在砂漿泵輸砂管上。

3.2 砂袋充灌砂料

待砂袋下沉至設計位置后通過砂漿泵向砂袋內充灌砂料。為節省施工成本和充灌時間，應事先了解砂源具體位置及砂料質量，盡可能選擇與施工點接近的砂源，且抽砂過程不能影響河岸穩定；砂袋充填砂料應選擇含泥量不超過5%的中細砂。如果砂源與施工點的距離超出200m，則必須配備抽砂船和運砂船，在砂源點抽砂后運輸值施工點，再進行砂袋充灌。為防止砂袋發生平移、翻轉及起堆，必須由施工人員手持硬質套管，從遠及近、從四周至中間、從上游向下游均勻充灌，砂袋充填量達到85%即可；每個砂枕充灌結束后均應進行形狀、充填量、重量等的檢測，如果存在明顯凹槽必須及時填補。

4 施工質量控制及效果

4.1 原材料質量控制及檢驗

該河道疏浚工程所用土工織物在使用前應按照1次/10000m2的頻次抽檢，除進行常規性抽檢外，還必須對土工織物進行抗拉拔試驗。試驗采用DJs多功能剪力儀及0.43mm厚，密度為28根×28根/5cm，質量87.5g/m2，孔徑0.23mm的編織布材料，在填土為黏性土和砂料兩種情況下進行抗拉拔試驗。砂料和黏性土情況下土工織物抗拉拔力T和拉應變ε的關系曲線具體見圖2和圖3。兩者之間的相關關系可以分成3個階段：第一階段為土工織物拉應變ε較小的情況下，抗拉拔力隨著拉應變的增大而小幅度上升；第二階段為土工織物拉應變ε在2-10%之間時，抗拉拔力隨著拉應變的增大而大幅上升，具體的關系曲線可用冪函數近似擬合；第三階段為破壞段，即土工織物抗拉拔力已經達到極限，隨著法向應力的增大，土工織物終將因強度不足而發生斷裂。以上試驗充分表明，土工織物的抗拉拔性能主要與所接觸材料即充填料有關，且選擇砂料充填時土工織物抗拉拔力相對較大，斷裂出現時所對應的拉應變ε和拉應力N均明顯>黏性土充填的情況。故該河道疏浚治理工程選擇砂料為充填料完全合理。

此外，根據試驗，填土含水量也對土工織物抗拉拔力有較大影響，當填土越接近最佳含水量，壓實越容易，也越能更好地和土工織物咬合，提升其抗拉拔力。為此，還必須加強該河道疏浚治理工程水下砂枕充灌砂料含水量控制。

圖2 砂料雙面拉拔T-ε關系曲線

圖3 含水率22%的黏土雙面拉拔T-ε關系曲線

4.2 砂袋定位及充填度控制

水下砂枕充灌施工開始前必須嚴格根據設計圖進行壩體軸線以及上下游邊線導標的施放，并根據砂枕標高和壩體坡比適時調整上下游邊線導標。根據導標初定位鋼管樁后，再結合全站儀精準定位。砂袋應從河床最低處開始逐層向上錯縫平鋪，每層鋪設的砂袋和前層完工砂袋之間保持0.2-0.3m的搭接寬度，避免因砂料收縮后砂袋間孔隙過大而造成砂枕墻傾覆。

砂袋充灌砂料的飽滿度應控制在75%-85%之間，如果充灌過飽，土工織物必然會承受較大張力，增大砂枕在不均勻沉降過程中發生折斷、脹裂的可能性；如果砂料充灌量不足，則在沉降期間很容易受到水流沖擊后出現移位、翻轉、偏斜，無法準確就位。最頂層砂袋只需充灌至60%即可，便于施工人員在砂袋上踩踏，使砂袋中砂料分布均勻，也使各層砂枕緊密疊合。

4.3 施工效果

該河道疏浚治理段水下砂枕施工時間共為55d，總共充灌砂枕82個，其中長×寬為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的砂袋分別為17個、2個、12個、6個、5個、34個、6個，平均充灌效率為1.5個/d，共耗費砂料5941.45m3。工程結束后，測量人員對該治理河段進行了為期1a的水深、流速測量及沉降觀測，結果表明，在砂枕堤壩成型后堤壩壩身段沉降均值為0.04m，比正常拋石護岸小；壩頭因水流流速快，沖刷嚴重，故沉降最大達0.21m，但對壩頭結構完整性并無不利影響。流量變動幅度為376-4880m3/s，且砂枕堤壩段主河槽沖深達到2.14m，壩址處水位相應抬升0.22m，河道寬深均明顯增大，基本達到了疏浚治理的工程目的。

5 結 論

文章分析結果表明，水下砂枕施工技術對于河道疏浚、防洪治理、護岸加固、吹填造地等工程普遍適用，并能與丁壩、潛壩、鎖壩等既有構筑物有機結合，且能充分利用河道砂料，就地取材，造價節省。根據施工效果檢測結果，水下砂枕施工因全過程可控，能夠取得比拋石護岸更好的加固效果，施工質量有保證，在當前各地采石場逐步關停的背景下，石料來源日益緊張，該施工技術更能體現出廣闊的應用前景。