深水筑堤技术研究及实践

陆晓如

（上海青草沙投资建设发展有限公司，上海市 200434）

1 工程概况

青草沙水库位于长江口南支下段南北港分流口水域，由长兴岛西侧和北侧的中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域组成，见图1。

图1 青草沙水库区位图

水库堤坝工程主要包括：新建青草沙库区堤坝约22 km，按水库标准改造中央沙库区围堤约10.5 km，加高加固长兴岛库区段海塘15.9 km，以及临江侧的中央沙库区南堤、西堤和青草沙库区北堤、东堤的保滩护底等。环库堤坝总长约48.4 km，水库总面积66.15 km2，水库最高蓄水位7.00 m，水库设计最低水位-1.50 m，总库容5.27亿m3，为目前国内外最大的江心河口避咸蓄淡水库。

青草沙水库东堤位于水库最东端，西面与新建北堤连接，自东北小泓北侧水下沙体顺势下延约1.5 km后，横向穿越东北小泓涨潮沟深槽，终点与长兴岛现有海塘连接，全长3 030 m。东堤约有1 900 m堤线滩面高程为-5～-11 m，实质上属东北小泓深槽堵泓工程。同时，根据青草沙水库堤坝总体实施计划，龙口也选址在东堤深水段，因此东堤深槽段堤坝的结构选型和顺利构筑是青草沙水库建设的关键因素之一。

2 建设条件和特点分析

2.1 地质条件

根据工程地质勘察报告揭示，东堤深槽段范围内堤基浅表层为3-1粉性土混黏性土、3-2砂质粉土、3-2灰色粉砂、3-3灰色砂质粉土， 厚度3.20～17.00 m， 表部呈松散状，向下呈稍密状，中等透水性。中部为厚度较大的淤泥质黏土、1-1灰色黏土层， 其中淤泥质黏土厚度5.70～16.00 m，1-1灰色黏土厚度3.10～10.00 m，具高压缩性，土体强度低，属软弱土，承载力低。

淤泥质黏土、1-1黏土由于固结速度慢，使用期沉降量大，对堤坝沉降控制不利。堤坝选型时要注意使用期对地基变形的适应性，并适当考虑采取地基处理措施，减少后期沉降。深槽段由于覆盖层薄，若采用土石混合斜坡堤，需要较长的压载平台才能满足堤坝稳定的要求。另一方面，东堤深槽段河床浅层主要为厚度3.20～17.00 m的粉土、粉砂层，长江口表层及滩面的粉细砂层抗冲刷能力较差，在水流的作用下极易运动，施工过程中沿堤流和堤头绕流可能将产生较大冲刷沟，危及建筑物自身的稳定和造成河势的不良变化，必须采取保滩护底措施。

2.2 工程水文条件

根据工程区域多年的观测资料统计分析，本地区多年平均风速差异不大，但季节性的变化较为明显，11月至来年的3月，偏北风发生频率较高，4～10月则以东到偏南风为主，较大风速出现在偏北向。东堤处以海向风涌混合浪的偏东向(E～ESE)的波浪所控制，100 a一遇高潮位与100 a一遇波浪（设计风速）组合时，其概率为1%大波浪高可达3.98 m。东堤深槽段天然条件下大潮涨落急流速达2.0 m/s左右。

从风浪、水流条件分析，青草沙水库东堤段水深大、水流急、风浪大，全部工序均需依靠船舶，施工作业受风、潮、浪、流的影响大，具有可作业时间短，施工强度高，施工组织难度大等特点。

2.3 水库堤坝受力特性

水库大堤作为水库工程的蓄水挡潮结构，青草沙水库建成后最高蓄水位为7.0 m，死水位为-1.5 m，堤坝外侧设计低潮位为-0.33 m（P=1%），设计高潮位为6.13 m（P=1%），最大水位差将近7.33 m。水库大堤承受内外双向水头作用，且外海潮位变化较大。同时东堤深槽段堤基浅层为砂质粉土和粉砂地层，砂土渗透系数较大，抗渗透变形能力弱，是主要透水层，因此，在库内外双向水头差作用下，水库堤坝的渗流和渗透稳定问题不可忽视。

2.4 龙口布置的影响

根据青草沙水库工程总体布置，水库主龙口设在东堤深槽段，根据数学模型分析龙口保护期宽800 m，底高程-3.00 m。龙口分两阶段实施：一阶段先施工至-3.00 m高程进行龙口保护度汛；二阶段进行龙口合龙，施工上部结构。龙口水流数学模型计算结果表明，随着龙口段的逐步抬高和缩小，流速将逐步增大，在不利工况下，龙口局部流速高达8.0 m/s以上。由于主龙口设在东堤深槽段，给东堤的构筑带来了诸多难题。

3 堤坝结构研究

3.1 堤坝结构选型

目前，在长江口地区的滩涂圈围工程中，主要筑堤材料是砂料，多为采用土工布袋充填砂料成型堆砌筑堤。根据类似已建工程的成熟经验，从结构形式、材料强度、施工设备、施工工效和施工成本等综合分析认为，当滩面高程在-5.0 m以上时采用常规的充填袋装砂斜坡式土石混合堤是比较经济合理的；但是，当原始滩面在-5.0 m以下时，区域充灌砂袋的施工非常困难，存在充填管袋袋体飘移、破损、水下充砂难等问题，施工质量也难以保证。

在调研分析大量工程实例基础上，借鉴国内外围海造地工程及海港工程中的深港防波堤、深水码头等深水筑堤技术，经分析研究后东堤深槽段堤型采用抛填砂袋双棱体斜坡堤形式，见图2。

该堤型为常规充填袋装砂斜坡堤结构的技术改进，突破了深水区常规充填管袋筑堤工艺的局限性。其优势体现为：（1）将深水充灌砂袋改为船上甲板充灌砂袋，袋装砂自身固结好，抛填重量可控制，堤身后期沉降量较小，可直接构筑大堤基础；（2）大型翻板船充灌、抛填流水作业，分区填筑，可保证填筑面的均匀上升，且砂袋柔性较好，适用性强，地基受力均匀；（3）深水抛填袋装砂施工工序较少，船机种类较单一，施工组织难度一般，施工进度较易控制。其劣势主要是：（1）袋装砂自身抗波浪水流作用能力较差，需设置抛石护坡护脚结构；（2）深水抛投袋装砂，定位与密实性控制难度较大。

3.2 软弱地基处理研究

东堤天然地基属软弱地基，根据上海地区类似工程的经验，采用塑料排水带与堤身自重加载预压相结合的处理措施。水平排水体充分利用表层上覆的粉土、砂土层及堤身砂，竖向排水体采用长21～25 m塑料排水带，呈正三角形布置，间距1.4 m，塑料排水带设置范围确定在压载平台及堤心范围，以满足稳定沉降控制要求。

3.3 渗控措施研究

东堤深槽段堤身及堤基的工后沉降大，防渗墙的墙体容易产生变形、拉裂而失去防渗作用；滩面高程-5.0 m以下采用散抛袋装砂填筑，堤身结构复杂，土层均匀性可能很差，而且上覆通长高强充填袋装砂，另外因度汛、龙口保护的需要，堤身有多层排体，且堤身下有一层厚度达1.4 m的龙口保护网兜抛石或预制块体水平夹层，仅在堤顶下约6～8 m范围对预制块体进行了拆除并置换成袋装砂。东堤承受一定水头后，尤其是库内高水位运行条件下，易形成连续贯穿性的渗漏通道。因此，采用双排三轴水泥搅拌桩加高压旋喷桩防渗墙方案，以确保防渗效果可靠，见图3。

图2 抛填砂袋双棱体斜坡堤结构典型断面图（单位：m）

图3 “两列一夹”复合式防渗墙示意图（单位：cm）

4 筑堤技术研究

4.1 抛填砂袋袋布研究

为保证抛填砂袋施工充填效率，应保证渗透水通畅且不被细土粒淤堵，则抛填砂袋的袋布材料还应兼顾透水性和防堵性。防堵性要求对于被保护土级配良好、水力梯度低、流态稳定、修理费用小及不发生淤堵时，其孔径应符合O95不小于3 d15；透水性要求袋布材料渗透系数为充填砂的渗透系数的1～10倍。

抛填砂袋材料强度与抛投水深、水流强度、袋体体积形状、充填砂砂质以及充盈度有关。根据长江口地区多年工程实践经验，并通过大量的现场试验来确定抛填袋装砂袋体的材料。先期选用了800 g/m2的机织布、500 g/m2的机织布、260 g/m2的机织布进行试验。试验结果表明，前两种材料的泌水性能不如后者，在充灌砂的过程中，饱满度达不到设计要求，充灌效率也很低。后期又选用了410 g/m2的复合布和260 g/m2的机织布进行试验比较，前者布体的强度能符合要求，且透水性较好，对于减少砂袋含水量、提高充灌率以及控制破袋率有一定作用，但相对来讲成本较高，而260 g/m2的机织布通过砂袋制作时增加排水袖口的措施，可弥补透水性较差的缺点，最终选用了260 g/m2的机织布。实践证明该布体的强度和透水性均能满足施工和使用要求，充灌效率较高。

4.2 抛填砂袋尺寸研究

抛填砂袋尺度应根据各种施工设备的特点采用不同尺寸大小、不同加工方法的砂袋，充分发挥各种设备的功用和施工效率，并最大限度地减少破损率和降低成本。

影响和决定袋体形状的因素主要是施工工艺。翻板跟网络抛袋袋体的形状采用方形；溜槽抛袋，袋体的形状采用长条形。袋体的大小取决于船机设备的有关性能。翻板抛袋应考虑翻板的宽度、工作面的最大利用率、施工效率及翻板安全工作下的极限允许承载力等因素；网络抛袋应考虑吊机的起重能力及平板驳工作面的大小等因素；溜槽抛袋应考虑溜槽的孔径大小等因素。砂袋单层最大厚度主要受砂袋布强度限制，过厚不利于设计断面形状的形成，过薄砂袋布用料多，将不经济。

综合考虑以上因素，并结合实际情况，在青草沙水库工程中主要采用翻板抛袋船施工抛填袋，通过现场实施试验，推荐采用4 m×6 m和6 m×8 m两种规格的抛填砂袋，每层砂袋厚度以0.6～0.8 m为宜。充盈度应控制在60%～70%左右，有利于控制砂袋密实性

4.3 抛填砂袋施工期稳定性研究

通常由于存在袋内砂体在波浪作用下单向搬移的不利因素，单层砂袋的临界稳定波高一般在1.5 m以下。根据河海大学的深水航道整治工程物理模型试验成果，在袋装砂顶部覆盖了两层大砂袋，并对顶部两层砂袋作隔仓处理，其临界稳定波高可提高至2.8 m。因此，东堤堤身在-5.0～-3.0 m高程设通长高强充填袋装砂覆盖，兼作防冲和过渡层，以满足施工期稳定性要求。为防止抛填时袋装砂破裂和增加抛填砂袋施工期稳定性和密实性，要求抛投时上下两层砂袋按品字形排列，交叉重叠，并注意水流对其的影响，以提高砂袋的抗滑稳定性。

主龙口设置在深槽段，-3.0 m高程需要度汛，且在堤坝抬高过程中深水段大堤范围的水流速将进一步加大，受水流冲刷强烈，大尺度管袋既需要有一定的强度又要有较好的保砂性能，因此袋布采用410 g/m2高强复合土工布，内层为加强保砂性能采用150 g/m2无纺土工布， 外层为抗冲刷采用260 g/m2机织土工布。

4.4 抛填砂袋施工期密实性控制技术研究

抛填砂袋堤身的密实性直接决定工程质量和安全，必须加强施工期密实性控制。根据以往的施工经验，结合砂源情况，选择以抛填效率最高的大型翻板船侧翻抛袋为主要施工方式，日最大抛填量可达2 000 m3左右。施工中采用船载GPS和专用定位软件进行定位，抛填精度较高。

抛袋时砂袋入水后会产生一定距离的漂移，从而影响水下堤身实际成型效果。施工时采用在砂袋上系浮漂的方法进行砂袋漂移试验，测出相同水深条件下各种规格的砂袋在涨急、落急情况下的大致漂移距离，依据测定结果对抛袋的施工参数进行相应调整，并通过检测浮漂位置和潜摸的方法检测实际抛放位置和抛放质量，及时对堤身断面进行测量，掌握水下袋装砂堤心断面成型情况，以指导现场施工，决定是否需要补抛，何处需要补抛，确保水下堤身成型质量。

5 结语

青草沙水库东堤段的抛填砂袋堤身施工完成后，采用水域走航式高密度地震映像法对东堤深槽段局部已抛的水下砂袋体进行了试验性检测，探测结果表明抛填砂袋堤身结构施工质量良好，能够满足工程建设的需要。

根据对堤身施工完成后近4年的监测资料分析知，东堤深槽段抛填砂袋双棱体斜坡堤的沉降变形、水平变形等观测数据均在设计值范围以内；且堤身结构经历了多个台风和寒潮的考验，结构完好无损，说明抛填砂袋双棱体斜坡堤在青草沙水库工程中的应用是成功的。

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