膜袋砂围堰在浅滩施工项目中的设计与应用之欧阳理创编.docx
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膜袋砂围堰在浅滩施工项目中的设计与应用之欧阳理创编
膜袋砂围堰在浅滩施工项目中的设计与应用
时间：
2021.03.05
创作：
欧阳理
[摘要]：
膜袋砂围堰具有施工简便、机械化程度高、施工速度快、整体性能良好、造价低等优点。
在唐山冀东“南堡油田1、2号构造贯通工程”施工中，我们首次尝试采用了此项技术，并成功实现了在软弱的海相沉积淤泥层上快速吹填砂围堰。
其最大的优点是对软土地基产生的变形和沉降适应性强、自身整体稳定性能好、形成的固结体强度高，而且堰体断面较小，可就地取材，施工简单，有效解决了工序繁多与工期紧张的矛盾，取得了良好的技术和经济效果。
[关键词]：
桥梁工程浅滩施工膜袋砂围堰挡水施工技术要求应用
一、工程简介
1.1工程概况
南堡油田1、2#构造贯通工程，包含北堡大桥和南堡大桥两座大桥及桥梁两侧的特殊路基处理项目。
两桥是冀东油田有史以来建造跨径最大、结构最复杂的海上大桥，也是路桥公司首次承建的海上施工项目，北堡大桥全长275米，南堡大桥全长125米，桥宽20.5米。
桥梁上部为25米预应力混凝土先简支后连续小箱梁，下部采用座板式台、柱式墩、钻孔灌注桩基础，荷载标准为城-A级。
1、2号构造是今后的主要产油区，该工程的建成对冀东油田产能建设有着重要意义。
南堡大桥设计为5跨，中心桩号为K0+461，该桥路线起始于中线路K0+814处，向东跨过海滩，与规划的南环路相接。
在路线K0+587处有一天然河槽，与线位交角为112°，河槽宽40米，退潮时水深2米，考虑到河槽距东侧填土较高的大堤较近，又按通航考虑，故需将河道向西改移100米，改移长度约450米，桥轴线与新河槽交角90°，桥下净空按50年一遇高潮水位+通航高度+安全距离，确定为：
3.835+4+0.5=8.335米。
南堡油田1、2#构造物贯通工程计划总工期为7个月，即2008年3月11日正式开工，2008年9月30日完工。
1.2地理环境
南堡大桥项目位于河北省唐山市南堡外浅滩，曹妃甸西北约10～20公里，位于近岸浅滩，水深0～2.5m不等，地貌类型为浅滩潮间带和水下浅滩地貌；该区域多年平均年降水量为646.9mm，最大年降水量为821.6mm，主要集中在夏季（7、8月份），约占全年降水量的64.3%；海水潮汐符合“涨五退六”规律，24小时内海水潮汐两次，满潮后有1个小时的平台期，每月阴历初一至廿二，每日潮汐时间滞后半小时；阴历廿三至三十，每日潮汐时间滞后1小时，涨潮流流速为0.26～0.41m/s，落潮流流速为0.41～0.51m/s；各月平均风速以4月最大，约4.7米/秒，1月最小，约3.3米/秒；10月中旬至次年4月，每7～14天出现一次冷空气活动，海面风速一般达到6级以上，持续时间一般1～2天。
海浪主浪向为E-SE向，100年一遇最大海浪为3.3米，潮波性质为不正规半日潮，潮差3～5米。
1.3地质特征
南堡大桥项目地形地貌位于南堡外浅滩上，地势平坦，地形、地貌简单，沉积地层主要为古河流三角洲沉积的亚砂土及亚粘土组成，夹淤泥质粘土。
可分为三段：
上段主主要为灰色亚砂土组成，饱和，松散～中密；中段主要为灰～黄褐色亚粘土组成，顶部发育一层淤泥质粘土，亚粘土成软～硬塑状，土质不均，含贝壳碎片，间夹粉砂薄层；下段主要为灰褐～灰色亚粘土，呈软～硬塑状，土质不均，间夹粉砂薄层。
二、围堰设计
2.1设计标准
2.1.1建筑物级别
根据“水利水电工程施工组织设计规范（SDJ338-89）”，膜袋砂围堰定为Ⅳ级临时建筑物，围堰使用年限小于一个施工年度。
2.1.2设计洪水标准
由于当地的防浪堤坝设计标准采用的是30年一遇高潮水位，所以本项目中采用的膜袋砂围堰设计标准宜采用30年一遇高潮水位。
2.1.3围堰施工期挡水标准
依据规范规定，并充分考虑安全系数，确定围堰施工期挡水标准始终满足30年一遇高潮水位。
2.2围堰布置
2.2.1布置原则及要求
（1）首要考虑施工要求，围堰与施工主体严禁交叉，以保证正常施工；
（2）因地制宜，就地取材；
（3）围堰轴线轮廓满足水流平顺和防冲要求；
（4）尽量避免将围堰设置在水域或原河道内，力争减少工程量。
2.2.2围堰形式选择
围堰要求安全可靠，能够满足稳定、抗渗及抗冲刷要求；结构要求简单，施工方便，易于拆除和就地取材，并能满足工期要求。
根据施工现场实际，南堡大桥项目采用吹沙膜袋砂围堰。
2.3设计过程及要求
2.3.1南堡大桥平面布置图
（1）南堡大桥桥位平面布置图（见附图1）；
（2）南堡大桥膜袋砂围堰平面布置图（见附图2）。
2.3.2南堡大桥设计参数及要求
（1）中线路（即防浪堤坝）顶标高为+3.15m，故围堰设计标高宜采用+3.15m；
（2）靠近中线路浅滩表面平均标高-0.35m，靠近原河道（即5﹟桥台底）浅滩表面平均标高-0.65m，浅滩地势从东北向西南方向倾斜，坡度较缓；
（3）浅滩淤泥厚度不等，自中线路至原河道西侧0.3m～2.1m；
（4）考虑南堡大桥施工作业面实际情况，以减少围堰工程量为目的，围堰自中线路起，避开原河道且将南堡大桥主体结构围挡在其间，围堰止于中线路，形成一个“U”型，详见附图2；
（5）围堰断面形式采用梯形，内外坡度设计为1︰1，主围堰顶面宽度不小于5m，底面宽度不得小于11.5米，子围堰顶宽度不得小于3米，围堰两侧打简易木桩支撑，数量1根/米，桩长2.5米；
（6）围堰内侧挖设宽1m，深0.5m的排水沟；
（7）吹填围堰参数：
吸砂流失量为30%，吸砂下沉量为15%。
（8）围堰设计为“主堰+子堰”的复式断面，下部是扩大断面的膜袋砂堰体，上部是编织砂袋小堰体。
膜袋采用200g/m2的晴纶（PP）土工编织布,纵横向断裂强力≥6.5KN/m,撕破强力≥0.16kN,长度按实际长度确定,充填后厚度为0.5～0.7m，采用分层立体交错铺至设计高程。
2.3.3围堰沉降
根据专业测量人员对膜袋砂围堰顶面标高十周来的监测测量数据，绘制“时间-沉降量”的曲线（见下图1），通过曲线图显示：
围堰前三周的沉降量较大，特别是前两周呈直线下降。
如果在此期间遇大潮或水位变化较大时，沉降量不稳定，一般需要4～6周后才趋向稳定，每周沉降量≤5mm。
图1围堰沉降观测图
2.3.4围堰结构设计
（1）围堰顶高程
南堡大桥所在位置处的防浪堤坝顶高程为+3.15m，因此围堰顶高程设计为+3.15m，满足当地30年一遇高潮水位。
（2）围堰顶宽度及构造
围堰顶宽度满足防汛抢险、围堰修补及交通运输要求，主围堰顶宽不得小于5米，子围堰顶宽度不得小于3米，面层铺30cm厚的碎石压平。
（3）围堰细部构造
围堰主体结构设计为“主堰+子堰”的复式断面，下部是扩大断面的膜袋砂堰体，上部是编织砂袋小堰体，围堰内外侧坡度均为1︰1。
（4）围堰防渗设计
膜袋砂围堰体迎水侧从堰顶铺设两层土工布至堰脚，并深入河床3m，编织布用袋装砂梅花状压面固定；在塑料编织布搭接处；则要用砂包密铺压实。
（5）围堰横断面图
图2膜袋砂围堰横断面图
2.3.5围堰工程量
（1）南堡大桥施工现场（即围堰内区域）的长度与宽度
以桥梁中心线为基准，桥梁中心线与中线路交于K0+190，与天然河槽交于K0+587，因此，南堡大桥施工现场长度约400m；桥面宽度为（19.5+0.5×2）=20.5m，便道宽度5m，同时考虑现场要设置泥浆池、排水沟等设施，以及桥台锥护坡，因此南堡大桥施工现场宽度约90m。
（2）围堰长度
围堰起点桩号K0+190，绕经桩号K0+550，终止于桩号K0+300，围堰总长度约：
（550-190）+（550-300）+90/2=655米，计算过程中取650米。
（3）围堰的横截面积
由于靠近中线路浅滩表面平均标高-0.35m，靠近原河道（即5﹟桥台底）浅滩表面平均标高-0.65m，浅滩地势从东北向西南方向倾斜，坡度较缓；浅滩淤泥厚度不等，自中线路至原河道西侧0.3m～2.1m；因此给围堰高度设计和计量上带来一定的困难，为简化计算量，可根据设计要求：
主围堰顶宽不得小于5米，底面宽度不得小于11.5米，子围堰顶宽度不得小于3米，主、子围堰内外侧坡度均为1︰1，子围堰顶面铺设30cm厚的碎石压平。
按照每50米为一个计算单元，围堰工程量见下表1：
表1围堰工程量汇总表
序号
项目名称
单位
工程量
备注
主围堰
子围堰
防渗处理
1
长度
m
650
640
660
2
高度
m
2.9
1.0
2.9
主围堰每50m为单元，取平均值
3
横截面积
m2
15.7
4.0
3.5
主围堰每50m为单元，取平均值
4
冲灌砂体积
m3
10205
—
—
5
袋装砂体积
m3
—
2480
2310
6
膜袋
m2
46800
—
—
采用200g/m2的晴纶土工编织布，膜袋厚度控制在0.5m左右，4～5层
7
木桩
根
1300
—
—
1根/米
8
土工格栅
m2
7475
—
—
用于第一层膜袋围堰下面
9
土工编织布
m2
—
—
8037
用于膜袋砂围堰外侧防渗，铺设2层，采用200g/m2的晴纶土工编织布
10
碎石
m3
576
—
—
30cm厚碎石压顶
三、围堰施工
3.1围堰施工工序
施工准备→测量放样→铺设土工格栅→膜袋定位铺设→抽砂冲灌膜袋→围堰合龙→防渗处理→锚固压顶（子围堰施工）。
3.2围堰施工过程
3.2.1施工准备
（1）膜袋准备：
按围堰的断面及平面布置情况，从围堰底部开始，对围堰膜袋逐层进行计算，确定膜袋的长和宽，再按设计分层高度确定膜袋的高度，为确保膜袋的充填厚度，在膜袋的定货时，需将模袋的高度适当加高，一般宜加高100mm，单个膜袋最大尺寸不宜超过60m×20m×0.8m。
（2）人员组织：
为保证膜袋顺利充填，应有12～15人进行膜袋充填施工。
（3）机具准备：
在围堰施工前，准备好吹砂所用的浮船、泵管、2套抽水泵等机具，并有可靠的电源配套系统。
（4）砂料准备：
填充膜袋的砂料，一般采用细度模数小于1.8的粉细砂，砂中宜有20%左右的淤泥。
可就地采用围堰外围浅滩上的泥沙，但在施工前，应对泥沙进行实地勘测，检测砂的细度模数及含泥量，确保充填的材料符合要求。
3.2.2测量定位
按照设计的位置，对膜袋砂围堰每层进行测量放样，保证围堰按设计进行施工。
3.2.3铺设土工格栅
施工前，应对浅滩或河床进行适度的清理，保证堰基较为平顺,没有尖锐物，避免对膜袋产生破坏。
同时在第一层膜袋下面按照测量放样的位置铺设土工格栅，目的在于避免围堰产生不均匀沉陷，保证围堰底面平顺、平整。
3.2.4膜袋定位铺设
膜袋围堰施工应先从浅滩或河床最深处开始铺设和施工，宜选择低潮平流时开始施工，以便于作业。
膜袋宜顺水流方向铺设，将膜袋按测量放样的位置进行定位铺设，并利用木桩将膜袋的四角预先进行固定。
若浅滩或河床上有水时，应先向膜袋内预充一定量的水，以保证作业中膜袋能固定在预定位置而不被水流冲在一起。
3.2.5抽砂冲灌膜袋
用人工将泵管与砂袋的灌砂口绑扎结实，将抽水泵牢固的绑扎在浮船上，把另一台抽水泵放置在清水池内，利用高压清水冲刷浅滩或河床上的泥沙，形成泥沙流体，然后将浮船漂浮在其上，利用抽水机将泥沙流体通过泵管输送到膜袋中。
在充填砂时应先充填膜袋的四个角，再充填膜袋的中部，在充填中部同时应将用来固定膜袋四个角的绳索松开，让膜袋在充填砂的同时均匀下沉，保证膜袋能准确地沉降到预定的位置。
围堰出水以后，为了保证砂袋充填饱满均匀，在充填砂同时应配备人员对砂袋进行踩压。
3.2.6围堰合龙
膜袋砂围堰施工时，则应避免出现龙口，尽可能均衡上升。
特别是围堰施工高度达到水位变化区时，在每涨退潮时，不能留下个别缺口，同一层膜袋应在一次涨退潮期间完成，避免集中水流对堰体的冲刷。
3.2.7防渗处理
围堰的渗漏主要有三个部位：
堰体与原河床接触面；堰体与岸坡接触面；膜袋与膜袋之间。
特别是前两个部位，是破坏力最大，也最危险的地方。
防渗的主要措施有:
（1）利用泥沙自身含泥量大、致密性好、透水能力差的特点，自身防渗；
（2）膜袋之间容易形成渗水通道，一方面不要将膜袋充填泥沙过满，让膜袋自身调整挤密；另一方面，也可在膜袋之间塞填粘性土后，再覆盖编织土包；
（3）在堰体迎水侧从堰顶铺设两层土工编织布至堰脚，并深入河床3m，编织布用袋装砂梅花状压面固定；在塑料编织布搭接处；则要用砂包密铺压实。
3.2.8锚固封顶
围堰内外侧打简易木桩支撑固定，间距4米一根，木桩长不得小于2.5米；膜袋砂围堰顶面灌砂口要封堵严密，并在其上堆砌袋装砂，形成子围堰，以保护面层的膜袋，确保围堰的完整性。
3.2.9局部问题处理
（1）堰体与岸坡连接处，需夯填粘土，并嵌入防浪堤坝，形成嵌入式防渗截水槽；
（2）外堰脚宜填土压脚，作为防渗体；
（3）子堰施工时应分层分阶段加高。
选择合理的时段，每天填筑高度30cm左右，严格控制填筑速度，同时随时注意观察监测；
（4）围堰两端接头宜采用粘土直接填筑；
（5）施工过程中，要使堰体均匀上升，严格控制冲灌砂速度，保证膜袋不破裂。
（6）加强围堰观测。
在膜袋砂充填完成4～6天，待水面上部的砂袋渗水稳定后再进行基坑抽水，抽水时应严格控制水位降幅，基坑内水位每天下降量在0.6m～0.8m之间，以保证砂袋有充分的排水时间，保证围堰稳定。
在基坑抽水及抽水完成后一周内应安排测量人员每天多次对围堰的水平位移及沉降观测，如发现异常情况，应及时汇报，采取相应措施保证围堰的安全。
四、围堰的日常维护与管理
由于本地区的潮波性质为不正规半日潮，且影响潮汐变化的因素很多，诸如季节变化、气象变化（包括风向、风力、降水等）、自然灾害等因素，均有可能导致潮汐时间和潮水位发生异常变化，进而对膜袋砂围堰产生不利影响。
因此，为确保砂围堰的完好性和有效性，有效保障围堰内施工人员的生命和财产安全，必须加强对砂围堰的日常维护与管理。
4.1加强对砂围堰的巡检和潮汐的监测
首先，建立完善膜袋砂围堰的日常管理和巡检制度，并组织有关人员进行学习，增强广大员工的安全责任意识。
其次，在队伍内选派两名专职巡视人员，负责每日潮汐后对围堰的巡检和高潮水位的监测、记录，专业测量人员每周对砂围堰顶标高进行测量、记录，及时掌握砂围堰的状态，一旦出现围堰顶标高低于设计标准、迎水面膜袋遭海水冲刷侵蚀破损、潮水位超过警戒线等情况时，便立即组织力量进行修补维护；紧急状态下，组织人员有序撤离危险区域。
4.2加强对气象信息的监测
气象变化对潮汐的影响最大，因此，我们明确一名专职气象监测人员，负责每天通过网络媒体，对当天及未来三天的气象信息进行收集、记录，并于每天早上将信息传递到现场巡视员。
遇有地方或上级主管部门发布的预警信息时，在做好登记的同时，第一时间通知主管领导，提前进入警戒状态，全面做好防范措施。
4.3编制应急救援预案，防患于未然
为更有效的保证广大员工的生命安全和财产安全，我们根据对潮汐、围堰垮塌等危害风险的了解和掌握，组织编制了专项应急救援预案，并在广大员工中不断进行讨论、学习和完善，确保应急预案具有较强的针对性和可操作性。
同时，购置储备了一批救生衣、雨靴、雨衣、防水型探照灯、警报器等应急物资，定期组织员工进行实战演习，进一步提高广大员工的安全防范意识和应急逃生技能。
五、围堰效果
在南堡大桥施工项目中采用膜袋砂围堰取得了较理想的效果：
围堰体结实牢固、稳定、无变形，单位面积渗水量较少，为该工程项目安全顺利施工提供了根本保障。
同时，膜袋砂围堰中的灌砂就地取材，为工程项目节约了成本；简便快捷的施工速度，也为工程项目节约了工期。
下图既是南堡大桥施工完毕的膜袋砂围堰：
图3膜袋砂围堰A
图4膜袋砂围堰B
六、施工经验和建议
（1）膜袋砂围堰在此地本项目成功运用，满足了施工要求，符合就地取材、合理利用资源的原则，是一项可行的技术。
（2）膜袋砂围堰的断面尺寸要比常规土石堰体断面小，对受场地限制的建筑工程可创造更有利空间，方便施工。
（3）具有堰型小、堰体轻、自身稳定性好、对淤泥地基变形适应性强、施工简单等特点，减少了施工难度和强度，缩短了施工工期，同时也节约了投资。
（4）此地河床砂粒较小，砂中含泥量较大，在围堰自然沉降稳定后，使围堰具有天然的防渗功能，完全满足施工要求。
（5）可进一步在运用中探索可否在堰底铺设无纺布，提高基础的承载力及堰体的整体性。
参考文献
[1]中华人民共和国交通部发布.公路桥涵施工技术规范.北京：
人民交通出版社.1984.05
[2]中交公路规划设计院有限公司设计.南堡油田1、2号构造贯通工程两阶段施工图设计.2008.02
[3]刘成宇主编.土力学和基础工程（下册）.北京：
中国铁道出版社.1981
[4]袁光裕胡志根编著.《水利工程施工》.中国水利水电出版社.2002.03
[5]中华人民共和国水利水电工程施工组织设计规范.中国水利水电出版社.1990.01
附图1：
南堡大桥桥位平面布置图
附图2：
南堡大桥膜袋砂围堰平面布置图
附图3：
南堡大桥立体效果图
图一
图二
时间：
2021.03.05
创作：
欧阳理
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