膜袋砂围堰施工在鲤鱼岛水闸改造工程的应用

黄舜祥

（福建省惠安县外走马埭海堤管理处，福建 泉州 362100）

1 工程概况

外走马埭海堤位于福建省湄洲湾南岸惠安县境内，地处惠安县辋川、东桥、净峰三镇辖区内，海堤全长14.011 km。原设计为3 级堤防，防潮标准为50 年一遇，保护对象为外走马埭垦区。该工程施工期为2004年8 月～2009 年3 月。外走马埭垦区原用途为农业开发，2012 年下半年，其用途转变为石化工业开发，外走马埭海堤保护对象的变化使得海堤的功能规格、防护标准也应相应提高。因此，经泉州市人民政府研究后决定，外走马埭海堤防潮标准由50 年一遇升至200 年一遇，工程等级由3 级升至1 级。

鲤鱼岛水闸是外走马埭海堤全线四座水闸之一，位于2#海堤和鲤鱼岛相交处（鲤鱼岛东南角），其余3 座水闸分别为大屿岛闸、塘头闸及板屿闸，其功能主要为挡潮、排涝及防洪。鲤鱼岛水闸改造工程作为外走马埭海堤提级加固工程关键路线上的关键单位工程，还承担着外走马埭海堤工程另一座大型水闸的导流及滞洪区泄洪任务，开挖难度较大。孔口尺寸8.6 m×3.5 m（宽×高），共7 孔，泄流净宽60.2 m，闸室底板顶高程-1.5 m。水闸建筑物级别为1 级，地层主要以淤泥、淤泥质土及砂质粘性土为主，下伏基层为花岗岩。

2 围堰设计

2.1 围堰断面设计

鲤鱼岛水闸临海侧石渣围堰填筑前需先修建吹砂充填膜袋围堰做为石渣围堰堰脚。吹砂充填膜袋顶高程3.00 m，顶宽4 m，边坡1∶2.0。围堰迎水面采用20 cm厚C20 膜袋混凝土防渗，膜袋混凝土与石渣围堰间铺设20 cm 砂砾石垫层，基础采用抛石挤淤，挤淤深度2 m。围堰与原堤相接处为保证基础防渗需对原堤防临海侧抛石体进行水泥砂浆防渗灌浆。膜袋砂围堰断面如图1。

2.2 围堰稳定性验算

一般认为，自然界中土坡由均质土构成时，其失稳时的滑动面表现为接近圆弧的曲面，因此可将滑裂面近似为圆弧计算，目前规范中常采用瑞典条分法和毕肖普法。本工程围堰假设滑动土体为不变形刚体，稳定性采用毕肖普法验算。因围堰所处位置受潮位影响大且含水量大，具有较大孔隙水应力，在进行稳定性分析时应考虑孔隙水压力的影响。沿竖直方向划分土坡，土体被分为若干竖直长条，假设任意选取第i 条土条进行受力分析，则该土条上存在着土条自重Wi、作用于土条弧面上的法向反力Ni和切向阻力Tri、土条弧面上总的孔隙水应力Ui及土条两侧面上的作用力Xi、Ei和Xi+1、Ei+1。如图2 所示。

图1 临海侧围堰断面图

图2 毕肖普法受力简图

毕肖普法中考虑整体力矩的平衡以及每一土条竖直方向力的平衡，因此使用竖向力平衡和力矩平衡的原理推导出围堰土坡稳定安全系数为：

式中 Fs——土坡稳定性系数；

c——土层粘聚力；

γ——土层计算重度；

θi——第i 条土到滑动圆弧圆心与竖直方向的夹角；

hi——第i 条土的平均高度；

φ——土层内摩擦角；

bi——第i 条土的宽度。

本工程围堰计算示意图如图3 所示。

图3 围堰稳定性验算示意图

围堰相关参数如下：

基本参数:条分块数50，基坑开挖深2.37 m，外侧水位到坑顶距1.5 m，内侧水位到坑底距2.37 m。

放坡参数：放坡高度2.37 m，放坡宽度3.555 m，平台宽度16 m。

荷载参数：载重汽车荷载550 kN，基坑边线距离1m，荷载宽度1 m。

土层参数：土名称砂砾，土厚度2.37 m，土重度20 kN/m3，内摩擦角15°，粘聚力12 kPa，饱和重度22 kN/m3。

根据围堰相关参数，结合式（1）、式（2）算出围堰开挖内部整体稳定性安全系数KS=2.400，满足规范中要求≥1.35 的要求。

3 围堰施工

围堰施工工艺流程为：围堰基础抛石挤淤→充填膜袋砂→围堰石渣填筑→围堰复合土工膜→围堰C20膜袋混凝土→围堰块石护坡→围堰背水侧防渗→闸室临堤侧支护换填粘土→围堰内降水→旧闸拆除。

3.1 充填膜袋砂

充填膜袋砂采用外购料，泥浆泵吹填海砂，人工铺设膜袋。

3.1.1 膜袋材料要求

充填袋选用透水性和保土性较好的机织土工布，必须有齐全的出厂合格证和检测报告，进场时应按批次检查外观质量。水面以上的砂袋需采用防老化土工布，要求自然暴露3 个月后的强度不小于原强度的80%。

3.1.2 膜袋充填主要施工程序

1）膜袋缝制：围堰横断面方向上的膜袋袋体应连续，不应分袋，纵断面方向上膜袋宽度可根据施工机具条件确定，以利于制作和施工，即膜袋接缝应垂直于围堰轴线。对膜袋缝制和拼接时采用三股锦仑线以包缝法处理，缝制接头处应满足强度要求，防止缝合部位在受外力作用后发生劈裂、缝线滑移等问题，本工程要求膜袋缝制接头处强度应大于原布强度的70%。同时，膜袋表面布置袖口直径为30 cm，长度以能浮出水面20～30 cm 为宜。

2）膜袋铺设定位：将满足结构尺寸和设计要求的膜袋缝制好后运到现场，膜袋的纵向沿围堰轴线方向摆放，采用人工将膜袋平整的铺设在设计边线以内。膜袋铺设完成后,在围堰边线外侧打设若干根直径10 cm的木桩，将膜袋通过预先缝制在袋体上的连接带固定在木桩上。膜袋定位示意图如图4。

图4 膜袋定位示意图

3）膜袋充灌：围堰充填材料采用海砂，6PN-150水力冲挖机组将海砂充填到膜袋内，由中间向两边充灌，以防皱褶，第二块膜袋沉放前先预留搭接长度，再丈量定位，这样依次沉放。

4）膜袋检查验收：在进场、堆放、铺设、充填等过程中应注意保护膜袋，尽量避免出现破损。若出现破损现象，应及时按要求进行缝补或外覆式缝接。膜袋充灌时应保证饱满度和平整度，充填饱满度要求≥80%，充填料干重度≥14.5 kN/m3，平整度高差应控制在±10 cm。膜袋充灌完成后应检查相邻膜袋间的搭接紧密程度，如两膜袋间出现空隙，应用袋装土或粘土填满整平后再充灌上层膜袋，以防止围堰渗漏。

3.2 石渣填筑及垫层施工

石渣填筑采用自卸汽车运输至施工区域，装载机摊铺，震动压路机压实；人工铺设土工膜、砂砾石垫层及块石护坡。

方干又有诗《题龟山穆上人院》，据《宋高僧传·越州妙喜寺僧达传》载：“释僧达姓王氏，会稽人也，稚齿英奇不参戏，参与龟山妙喜道场。”又有《宋高僧传·唐洪州宝历寺幽玄传》：“未几移居湖心龟山妙喜古寺。”[11]可知龟山便处于镜湖当中。

1）铺料：运料机械采用30 t 自卸汽车，施工时，将石料运至现场，卸料位置为填筑工作面的前沿（离端点2～3 m 处），采用进占法铺料（铺料厚度50 cm），装载机推料摊铺，使大面基本平整，起伏差不超过10 cm。

2）洒水：在气温较高或风力较大时，碾压石料前应先利用洒水车进行一次洒水，洒水过程不能间断，应连续均匀，压实应与洒水同步进行。

3）碾压：石渣层大面采用18 t 振动碾碾压。碾压方法采用进退错距法，应沿与围堰轴线垂直的方向前进，即振动碾行驶方向及铺料方向为沿横断面方向。碾压具体过程为先对第一个压实宽度前进及后退压实，再压实第二个压实宽度，按此进退行驶碾压依次延伸压实相邻单元，应保证连续施工，每次错距30 cm。工作面之间交接处进行搭接碾压，搭接宽度为0.5 m，严禁无振碾压、欠碾和漏碾。碾压全过程中应随时关注振动碾的振幅、频率和碾压质量，及时调整至最佳工作性能和状态。

4）砂砾石垫层：由运石车辆将石料运至堰顶卸料，人工铺设砂砾石垫层，分段施工，保证抛撒均匀，同时经常用自制钢筋三角板检测坡度，不满足设计要求的及时整理。

5）土工膜铺设：土工膜铺设前应对铺设基地检查，确保铺设基地平整坚实。铺设时，由4 人在坡顶上拉住土工膜，由2 人在坡面左右两侧（1 人在左侧、1 人在右侧）扶住土工膜卷，在坡面上铺开土工膜过程应缓慢有序，避免产生人为折皱。相邻两幅土工膜之间必须考虑拼接重合叠加，拼接缝合处一般控制宽度在15～20 cm 之间。土工膜铺设完成后应尽量减少膜上行走，禁止穿铁钉鞋或高跟鞋在膜上行走，以防止土工膜损坏。

3.3 膜袋混凝土

3.3.1 施工流程膜袋摊铺→输送及充灌混凝土→模袋混凝土表面清洗及养护→循环至下一块模袋。

3.3.2 施工要点

2）输送及充灌混凝土。混凝土输送方式为泵送，充灌前首先确保甭管与充灌口扎牢，将拌制好的混凝土直接倒入混凝土输送泵，泵管应垂直插入膜袋内，同时管口应设置缓冲挡板，2 人共同扶住泵管防止其摆动。膜袋混凝土块开始充灌，由下而上，先压顶后护脚、最后护坡，充灌过程中应及时调整膜袋上缘张紧程度，以保证完工后坡面顺直美观。充灌压力、速度及均应满足要求，一般灌口压力在0.2～0.3 MPa 之间，充灌速度在0～15 m3/h 之间，充灌距离≤50 m。充灌混凝土关键在于保持混凝土良好的流动性及和易性，每一充灌口的充灌应连续，为避免膜袋充填不严密，出现鼓胀状态，同时要使膜袋达到规定厚度，操作工在刚充灌未凝结的膜袋上应用脚踩踏，随时观察充灌情况，保证膜袋内混凝土密度。充灌一段时间后膜袋接近饱满状态，此时应停止充灌3～5 min。等待过程中膜袋会析出水分，这时才恢复充灌，直至膜袋饱满，再撤去充灌管，扎紧充灌袖口，人工清洗袖口内混凝土后将袖口塞入护坡体内并缝合。

3）模袋混凝土表面清洗及养护。膜袋混凝土充灌结束30 min 后，及时用水将膜袋表面的灰渣冲洗、清理干净，确保膜袋混凝土表面清洁美观。膜袋混凝土结束充灌后的8 h 内，不得踩踏膜袋混凝土或在膜袋混凝土上压放重物，待膜袋混凝土终凝，应在其上覆盖草袋，并适时洒水养护。

3.3.3 质量控制措施

膜袋混凝土施工前应进行详细的技术交底，施工所需原材料检验应加强，严格进行技术检查及复核，膜袋铺设时注意铺设位置、搭接等问题，通过试块试验所得数据检验充灌用混凝土的配合比、质量等是否符合设计及规范要求，同时，膜袋布是否存在脱线、破漏等问题也对膜袋混凝土的质量有重要影响。

在制作混凝土试块时，为使试块最接近膜袋中混凝土状态，应在泵送管口提取样品后放入布袋（由制得膜袋的材料制成）中滤水，滤水时间控制在5～10 min之间，尽可能减小膜袋混凝土较大坍落度所造成的差异性。

3.4 膜袋砂围堰质量要求

3.4.1 水泥砂浆防渗技术要求

1）抛石挤淤的厚度为2 m，淤泥层厚度不足2 m处，抛石挤淤至淤泥层底部。

2）围堰石渣填筑相对密度不低于0.7。

3）水泥浆的技术指标：水灰比为1∶1，水泥浆掺入速凝剂，要求水泥浆1 h 初凝，2 h 达到终凝。水泥浆的搅拌时间大于30 s。水泥浆搅拌均匀，浆液自制备至用完的时间小于2 h。

4）砂浆的技术指标：灰砂重量比为1∶3。

3.4.2 钢板桩临时支护技术要求

1）钢板桩选用热U 型钢板桩，钢板桩宽60 mn，高度430 mm。

2）钢板桩施工方法优先考虑静压法，局部地基较硬部分可采用螺旋钻并用的静压法。

4 膜袋砂围堰优点

1）充填膜袋砂时采用膜袋既能在施工现场加工，也能在工厂标准化生产并按要求缝制好后运到现场直接使用；充填用海砂可就近取材于海滩、内河航道疏浚弃料，且可直接利用船舶运输至铺设好的膜袋处泵送充填，对废弃物实现资源化高效利用，施工工艺简单，具有良好的环保和经济效益。

2）对淤泥质基础有良好的适用性，膜袋砂围堰断面一般小于常规土石围堰断面，属于轻型围堰，且其对充填入袋中的砂土实际上是用水沉法密实，筑成围堰陷入淤泥中后对软土地基产生的变形和沉降适应性强，对淤泥地基扰动小，因此膜袋砂围堰不仅稳定性较好，还能为受场地限制的水利工程创造更多空间，施工方便且速度快。

3）抗水压强，围堰宽度可根据水深情况设计，围堰越宽其抗水压能力越强；同时膜袋能对充填海砂起到加筋和模板作用，能提高堰体整体性，还能耐腐蚀、耐冲刷，提高其使用耐久性。

5 结 语

膜袋砂围堰用于本工程取得了有效的防浪挡水效果，且其结构简单、稳定性能好、施工材料易得、施工方便、工期短、造价低，不仅能提高施工速度，节约时间成本，还能就地取材，达到环保和经济效果，推广该施工技术具有良好的社会效益。同时，也应考虑土工膜和土工布等材料的回收利用或是采用新材料，进一步降低工程造价。