长距离江心水力充填堤坝的结构和实施技术

1）问题提出

本节主要涉及深水筑堤结构与施工、江中堤坝填筑的施工顺序、保滩护底、渗流特性和渗控措施等相关问题研究。

（1）深水筑堤结构与施工技术。土工织物袋充填砂筑堤是近年来国内兴起的一种新的筑堤技术，目前在长江口地区以及沿海等地被广泛地应用于航道整治工程、围海造陆、护岸、路基等工程，主要用其做堤芯主体结构，其特点是施工速度快、结构整体稳定性好、适应软土地基、就地取材、成本低等。

目前国内袋装砂筑堤以浅滩和浅水袋装砂筑堤为主，由袋装砂专用充灌船进行充灌施工，充灌设备以泥浆泵为主，砂袋尺寸宽度在20m以内，长度不超过60m，每个砂袋充灌量在1000m3以下，适合在水深较浅（小于3.0m）、流速较小（小于2m／s）区域施工。1998年上海长江口深水航道整治工程中首次大面积采用袋装砂棱体斜坡堤结构，初步形成了专用船舶充灌袋装砂施工工艺。在河北曹妃甸工业区围海造地工程中也大量采用了袋装砂堤芯斜坡堤，其施工主要为泥浆泵就地取砂充灌砂袋，袋体尺寸较小。天津滨海工业区围海造地工程大堤结构为袋装砂堤芯，其水上充灌袋体主要采用传统充灌船铺设工艺和对拉船铺设工艺。近些年来上海横沙、南汇、奉贤、金山等地区大量开工的圈围工程也都采用了袋装堤芯结构，大大提高了造地成陆速度，工程成本也大幅降低，在中低滩圈围工程中设计施工技术已日趋成熟。

随着近海滩涂的不断枯竭以及对环境保护的关注，圈围工程已开始逐步向远离海岸的外海深水区域延伸，大堤堤线布置已由早期的0m线延伸至－3.0m甚至－5.0m，部分工程深槽段甚至超过－10.0m。已有的常规水力充填法筑堤结构形式与施工技术已难以满足深水筑堤的需求。

（2）江中堤坝填筑的施工顺序研究。目前复杂的大型水利水电工程主要依靠数学模型和物理模型等科研手段为施工、设计和决策提供科学依据，其中施工顺序研究是潮汐河口水域冲淤易变淤泥质或砂质河床上筑堤建坝工程施工中一个重要的关键技术问题，合理的施工作业顺序是避免施工过程中滩地冲刷、顺利截流并避免河势急变的必要措施。

为保证堤坝建筑物的工程安全、顺利、高质量地实施，尽量减少工程实施过程中河势发生较大调整而对工程造成的不利影响，结合施工关键控制节点，根据施工区水动力特征，一般采用二维水动力数学模型和定床、动床物理模型对施工顺序进行研究，特别重要且有条件的工程采用三维水动力数学模型、定床和动床物理模型进行互补验证。

在施工顺序研究上，以往基本是根据施工区域水动力特征和施工关键控制节点，对总体施工顺序，即各阶段的先后顺序和各工序之间先后推进的顺序控制进行研究，而对各分项工序的施工顺序和推进方式、作业面选择等研究相对较少，研究体系和思路也不够完善，加之每个工程的特点和难点也不相同，研究过程和思路也难以套用。

（3）保滩护底技术。保滩护底方式通常有两类：一是通过在堤前设丁坝、顺坝、软体排加抛石等保滩护底；二是通过在堤前设桩基、沉井等保滩护底。

丁坝主要适用于以潮流影响为主的堤岸，它的保滩机理主要是通过将主流挑离河岸堤防，并尽量争取在坝田区形成淤积，从而解除堤岸承受冲刷的威胁。对受风浪剥蚀为主或波浪掀沙与水流冲刷同时起作用的岸滩，顺坝保滩或丁顺坝结合效果明显。

顺坝保滩主要适用于风浪剥滩作用为主，具有向岸流作用的岸段。此结构布置可以顺应水流方向，对保滩岸段的河势影响较小。对于工程前沿滩地低、堤脚处滩地坡度较陡的岸段，顺坝工程量较大，虽保滩效果较好，但投资大，建成后维修量也大。对于堤前滩地较高且坡度较缓的岸段，此结构形式投资省，较为合适。

软体排主要适用于堤前滩地低的岸段，护底结构受波浪作用力小，采用软体排平顺护底的方式具有施工快、适用滩地变形能力强、对河床边界条件改变较小、对近岸及周边水流的影响也较小的优点，对于低滩岸段是较为理想的保滩护底方式。软体排护底对堤前滩地的保护机理主要是利用抗冲材料——软体排直接铺敷在堤脚一定范围，形成连续的覆盖式护底，从而达到保护堤前滩地免受水流和波浪的冲刷。

长江口沿岸很多工程采用抛石软体排护底。长江口深水航道治理工程是大规模应用软体排护底的成功典范，不仅开发了软体排护底保护结构，而且研制出专用软体排铺设船及施工工艺，对青草沙水库工程有一定的指导和借鉴意义。

（4）渗流特性和渗控措施。目前国内外对采用碾压式土石堤坝的渗流特性和渗控措施研究较多，相应地设计、施工、检验和验收等方面的规程、规范和标准已相当完备和系统。但是青草沙水库新建堤坝建于江心沙脊上，采用砂土水力充填法构筑，承受库内外两侧7.0～8.0m的双向水头作用，堤身两侧及水下部分主要由土工织物管袋充填砂土堆叠而成，堤身中上部由砂性土散吹形成，水下施工质量控制较难，地基土多为砂性土或者粉性土。(www.xing528.com)

在潮汐河口以水力充填法建造水库堤坝的类似工程经验不多，尤其对于充砂管袋堤身以及抛填袋装砂斜坡堤堤基的综合渗透系数和土工布的抗渗作用，尚缺少研究。目前对其渗透特性、渗流计算和渗透稳定控制标准及检测验收标准尚难以把握，难以确定可大规模实施的可靠的渗控措施。

2）技术方法

（1）水力充填砂袋堤坝结构及工艺。根据青草沙水库工程自然条件、施工环境和施工强度等情况，调研水力充填堤坝深水堤型与施工技术，重点开展堤型结构与质量控制技术、涨落潮流作用下袋装砂筑堤分层施工顺序、深水抛填袋施工工艺、大尺度砂袋充灌及铺设工艺、抛填袋水下保护方案、专用施工船机设备等研究。

（2）实施顺序与防冲保滩技术。通过长江口河势的历史演变过程及近期河势变化情况，结合数学模型计算，研究青草沙区域涨潮沟河势特点与机理。根据总体建设进度安排结合施工组织，拟订主要筑堤工序方案，通过水流数学模型和物理模型试验，研究各施工进展状态工程区域的水动力特性，进而优化各阶段大堤进度控制和施工顺序。

研究区域滩势变化状况及影响因素，探讨潮汐河口往复流堤段保滩结构选型的理论基础；调查分析上海地区常用保滩结构适用性；研究适合潮汐河口滩地冲刷坑计算方法；研究探讨杩槎在潮汐河口应用的特性及机理；采用物理模型试验验证各种新型保滩形式的合理性及有效性。

（3）水力充填堤坝渗流特性及控制技术研究。根据室内渗透试验和现场注水试验成果，结合土层及水工物理模型试验，综合分析确定坝身坝基渗透系数、各种渗透变形的允许坡降及土工布的作用。了解并研究国内外目前的渗流数值模拟技术，比选相应的计算方法及计算软件。采用渗流有限元法分析最高水位差下水库堤坝的渗流场，判断发生渗透变形破坏的可能性。

针对水力充填堤坝的结构特点，研究最适合采取的渗流控制措施类型。初选三轴搅拌桩、高压旋喷桩、拉森钢板桩等垂直防渗体施工工艺进行综合技术经济比选，确定最优方案。根据水库大坝的沉降变形跟踪分析，确定合适的防渗体施工时机。通过防渗试验工程验证，确定垂直防渗体施工的主要控制参数及质量检测方法。

3）研究成果

（1）针对长距离江中堤坝沿线河床滩槽起伏、易冲多变的情况，通过对70多种实施顺序方案组合的数值模拟、物理模型验证和综合分析，提出“全面开工、多点作业、以点带线，低滩护底先行、深泓潜坝跟进，高滩轮廓先成、港汊依次封堵，大龙口截流”的堤坝总体实施顺序原则。

（2）针对水深流急、双向挡水要求，提出抛填砂袋和常规充填袋装砂斜坡堤有机结合、符合双向挡水要求的深水双棱体斜坡堤结构。同时，针对抛填砂袋的保砂性、波浪水流作用下的稳定性以及抛填坝身的密实性等关键技术和施工工艺，改进了抛填砂袋与水力充填管袋组合的水库堤坝结构，开发了水力充填抛袋船机作业成套工艺和装备。

（3）针对长距离筑坝河势和水力条件复杂多变的特点，研究揭示了不同坝段的冲刷及挑流、缓流、覆盖等不同护滩形式工作的机理，提出了因地制宜、动态实施、组合防冲护滩的布局和技术策略，发展了杩槎防冲护滩应用技术。

（4）针对水力充填坝身、粉砂淤泥互层复杂坝基和双向挡水要求，通过现场试验、堤坝断面水槽概化物理模型、相邻或类似堤坝渗流特性原位测试等手段，系统地揭示了长江口新沉积土及水力充填堤坝的渗透特性和渗透破坏机理；通过改进钻进工艺和切割方法，解决了抛填砂袋中三轴搅拌桩成桩和水力充填堤坝双向挡水的渗控难题；创新了钻-搅-喷相结合的“两列（三轴搅拌桩）一夹（高压旋喷桩）”防渗墙结构，攻克龙口段坝身夹有2m厚抛石层的截渗难题；建立了防渗墙墙体物理力学指标评定标准和单位工程质量评定标准。