筑坝工艺创新：提升大坝工程建设效率

4.2.3.1 深水抛填袋装砂筑坝施工工艺

1）抛填袋装砂筑堤成型机理

河口、沿海等地无天然屏障的水深较大水域，潮汐变化明显，水流较急，抛填袋装砂是一种砂袋以抛物线形式落体，在水下滩面形成一定自然坡比袋装砂棱体断面的袋装砂筑堤工艺，因此施工时水深、水流等对抛填袋装砂落底位置影响很大。

目前抛填袋装砂常用的施工工艺为：用专用的充灌翻板船作为施工平台进行抛填袋装砂的充灌和抛填，充灌翻板船带有可控制上下翻动的翻板，施工时用GPS施工定位软件进行精确定位；施工船舶定点进行袋装砂充灌和抛填作业。

提高抛填袋装砂水下成型质量，首先分析其成型原理，以便采用有针对性的控制手段。

假定施工船舶翻板的宽度为L，施工区域的水深为H（水面至水下滩面线的垂直距离），单个砂袋的重量为G（G＝mg，m为砂袋的质量）；翻板翻至与水平方向成α角度（假设此时翻板的边缘正好贴到水面）时砂袋开始滑落，则翻板下降的垂直高度h＝Lsinα；砂袋在脱离翻板时具有与水平面方向成角度α的速度V，那么此时砂袋具有了水平方向的速度Vcosα、垂直方向的速度Vsinα。初速度V可根据动能定理确定，其中W摩为砂袋在翻板上滑落过程中因为受到翻板摩擦而损失的能量，不同的施工船舶、不同位置、翻板不同的平滑程度其摩擦的程度也不一样，因此W摩为较难确定的值。虽然准确数值的确定存在较大的难度，但是通过相关量的测定，可以了解和掌握水下抛填袋装砂的成型原理，并通过现场的反复试验，从而提高抛填袋装砂的成型质量。水上抛填袋装砂示意简图见图4-5。

图4-5 抛填袋装砂示意图

由图45可知，假定充灌船舶翻板上充灌好的砂袋从脱离翻板到落入水下的滩面线所经历的时间为t，砂袋在水中为无阻力的理想状态以抛物线的形式下落距离为H的水深，那么时间t由H＝可以确定。由抛物线的下落原理可知，砂袋将有一个水平方向的前进量S＝t Vcosα，而不是垂直落入水下，可见在施工船舶翻板尺寸及翻转角度一定的情况下，影响砂袋水平漂移量的是该施工区域的水深H，如果H越大，那么砂袋的水平漂移量就越大。因此，可以根据施工区域的水深、施工船舶翻板宽度、充灌袋体尺寸（充灌袋体厚度一般为60cm左右，袋体的尺寸可以反映袋体的重量G）等掌握充灌袋装砂入水后的轨迹。

上述情况是理想状态，在无屏障的深水潮汐涨落区域，往往水位的落差较大，而且水流速度也很快，砂袋落入水中不但要受到水的浮力F作用，还会受到水流冲击力的反作用。浮力F的作用会使砂袋落入水底的时间t变大，因此会使砂袋的水平漂移量S增大，而水流的冲击力可能会与翻板的宽度L方向（即砂袋获得的水平速度Vcosα的方向）成任意的β角度，这个力会改变砂袋最终落入水中的位置。如果β＝90°，即水流的方向正好与砂袋冲入水中的方向垂直，那么水流力的作用将使砂袋具有垂直于砂袋落入水中方向的偏移量S′（S′与S的方向成90°）。

青草沙水库东堤深槽区域，袋装砂棱体断面宽度达220m，而专业翻板施工船舶的翻板长度一般在40m左右。在施工过程中，如果施工船舶仅仅固定于断面某一位置进行定点抛填袋装砂施工，形成的断面宽度往往满足不了理论袋装砂棱体断面宽度，因此需要通过DGPS施工定位软件进行预定位置编排，过程中针对不同的施工位置进行船舶的移动定位抛投，才能使砂袋形成近乎理论断面宽度的棱体。船舶抛填袋装砂的施工过程中，施工船舶调整抛填位置以满足断面要求，详见图4-6。

图4-6 施工船舶调整抛填位置示意图

通过上述分析可以看出，在实际的施工作业条件下，势必会有水流的冲击力作用而影响抛填袋装砂的落水位置，而在大断面袋装砂棱体的抛填作业时，通过利用水流冲击力对袋装砂作用产生的偏移量S′可以更好地满足断面尺寸的要求。

对工程实际工况，可以通过针对现场的具体实施环境，通过系浮球等直观的手段，在袋体滑入水中后，利用DGPS采点的方式进行测算，即可掌握袋体入水后至滩面的漂移量。通过典型试验获得的施工参数，灵活调整施工船舶的作业位置，同时施工过程中，辅以水下断面测量，通过测量水深数据形成抛填袋装砂棱体的断面尺寸轮廓线，及时调整和指导作业船舶，获得最佳的作业效果。

2）抛砂袋船机设备选择

在青草沙水库东堤深水抛砂袋施工中专门建造了两艘专业大型铺排抛袋翻板船——青草沙一号和二号，该船配有尺寸为40m×8m、重200t的整体翻板，翻板由多个液压油缸控制翻动，每次可进行多个砂袋抛设施工。

同时，对原有抛砂袋船“洋山三号”进行改造，配备锚缆系统及GPS定位系统，可在9级风条件下就地锚泊。在甲板上增设4块16m×12m钢制翻板，每块翻板由独立的液压油缸控制翻转动作，每次可抛投4m×6m砂袋4个，由于4块翻板可独立操作，抛袋施工效率得到大幅提高。

3）砂袋的缝制和袖口设置

国内生产土工布时，幅宽一般为机织布3.6m、编织布4.0m左右，受袋布原材料幅宽的限制，袋体尺寸的选择会涉及袋体的加工和缝制，袋布幅与幅间的缝制采用包缝的形式，拼接缝制区域的强度仅达到正常袋布强度的60％左右。拼接缝越多，强度越差。同时袋体尺寸要尽量避免长宽比例过大，即“细长型”袋体的出现。细长的袋体在从翻板上开始滑落时往往会出现一端已经从翻板上脱离、急速下坠，而另一端仍滞留于翻板上的情况，致使同一袋体的不同部位具有不同的初速度，从而造成袋体的断裂，也就是施工中所称的“拗断”；再者袋体的体积不能过于庞大，否则在袋体滑落的过程中，特别是脱离翻板的瞬间，袋体内的水砂混合物往往会在瞬间具有很大的冲量，在入水受阻瞬间产生摩擦而造成袋体的局部爆裂。上述也是造成抛填袋装砂在施工过程中袋体破袋率偏大的主要原因，在施工中要尽量避免。

抛填袋袋体根据施工工况要求可以选择不同的材料，而不同材料的严密性和排水性都不同。抛填袋袋布常用的为230g／m2的机织布，强度一般都能满足抛填袋装砂的工艺要求，但是排水性较差：加工成型的袋体如果只有一个充灌砂袖口，在充砂过程的有限时间内，充入袋体的水砂混合物因含有很多的水分而来不及排出，如果立刻翻入水中很容易造成袋体的破裂；而如果滞留在翻板上等水分慢慢排出的话，又要经历一段时间从而影响施工效率。

为提高施工效率而又能保证落入水中袋体的质量，加工袋体时采用双袖口或多袖口的方法，如一只袖口作为充砂专用，另一只袖口可以用来排放袋体内过多的水分。用于排水的袖口的位置要合适，既不能过高也不能过低，过高则水分不易排出，过低充灌砂来不及沉积而随水流一起排出袋体，如充灌砂的含泥量较少、沉淀较快，则排水袖口可适当放低，有利于水分的快速排出，而如果充灌砂的含泥量偏高，沉淀较慢，则须提高排水袖口的高度，让充灌砂有充分的沉淀空间，再进行排水。排水袖口的具体位置可以根据砂袋的尺寸规格在施工中通过现场观察确定，一般设置在距离袋体边角50cm左右即可达到理想的排水效果，施工效率较高。

4）抛袋施工工艺流程

深水抛袋施工工艺流程见图4-7。

图4-7 深水抛袋施工工艺流程

5）抛袋施工效率

抛填袋装砂以小尺寸袋体在施工船舶的翻板上进行有序摆放，然后进行充灌，至所有袋体充灌完毕后，翻板下落，袋体自由滑行，落入水中。翻板每次上下起落的时间一般是固定的，在施工船舶充灌效率一定的条件下，单位时间内翻板上下起落的次数越多，施工效率就越高，因此要提高施工效率，可以增加翻板上袋体的摆放个数，从而减少翻板上下起落的次数，但翻板上袋体的摆放个数并非越多越好，这一方面要与施工船舶翻板的承受能力相适应，另一方面袋体的摆放数量也要与充灌船舶的充灌功效取得最佳的匹配效果。

青草沙水库东堤深水抛袋施工中的专用翻袋船“洋山三号”，配有4块独立的16m×12m钢制翻板，每块翻板每次可抛投4m×6m砂袋4个，由4组工人分别进行铺设、充灌、翻抛作业，大幅提高了施工效率。

抛填袋装砂施工，一般采用工人用水枪稀释砂料，再用泥浆泵吸砂进行袋体充灌的方式。专业充灌翻板船舶一般配备4～6台22kW左右的泥浆泵，每个泥浆泵配备2个水枪操作工人，每台泥浆泵配1根φ150mm主管吸砂，主管接到甲板上1个三叉口分出3个φ75～100mm的分管，分管直接插入袋体的袖口（袋体上缝制的进砂的袖口）进行充砂。

假设某施工船舶配备n台泥浆泵，每根主管通过连接三叉管分流的形式，分出3n个管口可以用来充砂，那么在充砂的过程中，每根主管所连接的三叉分流管必须保证至少2个分管是开启的，否则将可能出现“堵管”（即如果仅开1个分管，通过150mm主管内的泥砂混合物仅仅通过1根φ75～100mm细管来不及排放，容易出现局部迅速聚集而无法流动的现象，甚至是爆裂主管）的现象。因此翻板上袋体的摆放个数最好是3n或者2n，这样才能保证翻板上摆放的砂袋单位时间内充入砂量的均衡性，保证砂袋在近乎相同的时间内成型。如果翻板上袋体的摆放不规律，容易造成袋体的成型时间不统一，反而降低了施工效率。通过选择合适的砂袋尺寸、合理安排每次铺袋数量，单船每个有效工作日可完成约3000m3，每月可抛袋近7万m3。

6）抛袋质量控制

（1）抛袋施工前首先应进行抛填区域水深加密测量，掌握施工区域滩面变化情况，然后计算每个断面（船位）每次的抛填量。

（2）抛袋应避开涨急和落急时段，根据东堤现场涨落潮流特点，涨潮时水流方向主要以东西向为主，大潮汛涨平潮前一小时至涨平潮后一小时、落潮前两小时至落潮后两小时为施工作业时间段，小潮汛几乎可以全天作业，平均每日可作业时间达10～12h，作业时应根据水流情况考虑漂移量，在涨潮、落潮过程中分别将定位船移至逆潮水方向20m的位置，以便为抛袋预留一定的落底距离。

（3）合理布置排水袖口，加快充灌排水，缩短每次抛袋周期。

（4）每周进行加密地形测量和水下潜摸，确定抛袋断面情况，对局部有漏抛区域及时补抛，防止形成空洞。

4.2.3.2 大尺寸砂袋铺设工艺

东堤深槽涨落平潮持续时间为1.5～2h，涨潮历时4～6h，落潮历时6～8h。充灌用的单个袋体尺寸较大，所需施工时间较长，考虑到落潮时间相对较长、流速相对较慢，因此选择高平潮开始施工，在下一个涨潮前结束施工，理想的连续施工时间，大潮汛为7h，小潮汛可达8.5h。

深水抛袋标高达到－6.0m左右后，内外棱体交叉抬高逐步形成大堤断面，根据青草沙水库总体施工顺序要求，2009年1月份要实施主龙口截流，东堤总长3030m，±0m高程以下船舶充灌袋装砂工程量达160万m3，平均每月须完成40万m3才能确保合龙工期，施工强度要求非常高。但按照传统工艺，利用铺设船进行袋装砂的充灌，运砂船舶停靠在铺设船右舷后，用铺设船上吊机将4台22kW泥浆泵吊至运砂船内，人工冲水吸砂。经分析，其效率平均每小时在120m3（30m3／h× 4h）左右，日效率1500～2000m3，在长江口地区受风、浪、流影响较大，单船每月效率最多不超过4万m3。

单独的吹砂船进行吹砂施工时，效率可达到400～500m3／h。若能把吹砂船的高效率和铺排船的定位、移船设备有机地结合起来，通过对铺设系统、输砂系统、移锚系统、砂袋加工工艺的改造，发挥各自的优势，以达到增加单位时间内的工作效率、提高一个工作期间的充灌量、加大袋体尺寸的目的，这在理论上是可行的。因此，研究提出采用专用充灌船结合吹砂船进行大砂袋充灌作业施工，即专用铺设船、吹砂船、运砂船三船同时协调配合作业，吹砂船与铺设船成90°布设，以便于运砂船靠泊。

施工时首先由专用铺设船舶进行卷袋、铺袋，然后运砂船到吹砂船靠泊，最后通过浮管管线将砂吹入袋体。施工时边充灌边同步启动绞锚系统移船铺设，此方案要点在于必须要统一指挥、协调一致，否则容易造成管线断裂、袋体厚度不均高低不平、安全难以掌控等情况。为此，需要研究下列问题。

1）船位布置

根据设计断面布置及施工条件，袋体铺设应垂直于大堤轴线，即按专用铺设船船长方向应平行于大堤轴线布设，一般选择在落潮时开始作业。如果运砂船直接靠档，则与水流流向基本垂直，每个袋体充灌方量近2000m3，施工时间超过6h，这样就会造成施工完成一个袋子时空船在水流挤压下无法出档，既不安全又影响施工效率。若吹砂船顺水流布置，可以方便运砂船靠档，具体布置如下：首先专用铺设船垂直水流方向放置（便于袋体充灌施工），锚位抛好，翻板正对施工方向（落水向），吹砂船顺水流（即垂直铺排船）停在铺排船右舷外侧约120m外，抛交叉涨水锚，另一侧用两根钢丝绳交叉系在铺排船的系缆柱上，同时系两根缆绳调整方向，这样运砂船无论在涨潮或落潮时都比较容易进出档。

2）吹砂管线布置

采用吹砂船和专用铺设船协同作业，两船之间通过管线系统连接，因此合理的管路布置是提高施工效率的有效途径。吹砂船的吸砂控制系统位于右舷，砂浆经各个泥浆泵管系送至压力泵，经加压后由吹砂船的船左舷送出，通过一根φ400mm硬塑料管和若干节橡胶软管组成的浮管接至专用铺设船甲板上，然后通过在甲板上的多接口分流管接φ150mm皮龙管到袋体袖口进行充砂作业。(www.xing528.com)

3）袋体尺寸的选择

由于采用了吹砂船进行吹砂作业，因此在可作业时间内吹砂量大幅提高，从而使采用大尺寸砂袋充灌成为可能。青草沙水库东堤位置每个潮水可作业时间6～7h，吹砂量可达3000m3以上，以230g／m2机织布30m×120m袋体为例，假设充灌厚度平均为50cm，充灌完成需要用砂量为30×120×0.5＝1800m3，需要2～3船砂，吹砂船卸完一船砂一般需要2.5h，船舶离档靠档需要40min左右，完成一个袋体作业时间5～6h，可在一个潮水期间完成。东堤棱体堤基横断面宽度达220m，可采用2个袋体施工。因此，在青草沙水库施工中，主要采用了30m×90m、30m×100m、30m×110m和30m×120m规格的砂袋搭配进行施工。

4）大尺寸砂袋铺设施工工艺流程

大尺寸砂袋铺设施工工艺流程见图4-8。

5）质量控制要点

（1）砂袋缝制质量控制。由于砂袋尺寸大幅加大，受拉力及横向撕裂力增大，故其加工缝制须在严格控制质量的基础上增加其抗拉力。首先，袋体缝合处应采用双道线进行包缝缝合（常用缝口形式见图4-9），加强横向抗撕裂能力；袋头及袋尾各5m范围内每隔50cm布置加筋带，其余部分每隔2m布置加筋带。进行拼接时，工人注意将机织布全部展开，避免出现褶皱、造成局部受力过大产生破坏。

（2）水下平整度控制。大砂袋施工前首先根据测量的工前水深制定袋体分布位置图计划（即袋位图），在每个袋体施工前，袋体铺设区域先用测量船测量滩面地形，充灌前辅助以人工水坨测深，对比工前船测水深，计算该袋体所需方量及分段移船的控制砂量。

（3）充灌时间控制。每条运砂船进档后，吹砂船上观察其砂质，保持一定吸砂浓度，一般控制在30％左右，施工员根据时间控制每排袖口所充的砂量及移船时间，保证袋体方量大致相同。施工结束后，人工测量水深，记录数据，每隔一星期，对施工完成的区域进行水深仪测量，比较施工前后水深，得出参考数据以指导下步施工。

图4-8 大尺寸砂袋铺设施工工艺流程

图4-9 机制土工布砂袋常见缝制方式

（4）用砂供应保证。每个大砂袋施工需4～5船砂，运砂船进出档时间直接关系到施工效率，因此现场调度必须提前安排好足够数量的砂船，并算好充灌时间及涨落潮时间，提前通知其进档，减少或避免因砂供应不及时而出现水流过急破坏袋体的概率。

（5）设置自动封闭袖口。在充灌砂完毕后，为防止砂从充灌袖口漏出，一般需要人工进行绑扎，但大砂袋充灌时袖口位于倾斜的翻板上，接近水面甚至在水里，人工绑扎既危险又难于实施，因此，研究采用双层袖口（图4-10），利用砂袋内水和砂的压力使砂袋内层袖口自动封闭，在充砂作业时先把内层袖口压入袋内，再插入充砂管，这样当袋内砂充满后，内层袖口便自动封闭，无须再进行袖口绑扎，确保砂不通过袖口外漏，以保证充灌质量。

图4-10 自动封闭型袖口设置示意图

（6）同步移船协调要求。专用铺设船和吹砂船协同作业，两船之间有一定距离，施工时两船之间的配合协调是保证质量的重要环节。首先应指定专用铺排船船长为作业总指挥，两船之间通过高频电话保持通信联系，由总指挥通知开始或者停止吹砂以及绞锚移船，移船时两船锚机绞拉速度应保持一致，避免造成连接管线损坏而影响施工。

6）实施效果

大尺寸砂袋充灌铺设工艺在青草沙水库东堤应用近七个月，砂袋充灌日效率大大提高，由传统工艺的2000m3／d提高到5000m3／d，效率达到原来的2.5倍，创造了单船11万m3的月施工产量记录。施工工期大幅度缩减，顺利完成了东堤非龙口段棱体和龙口段深水袋装砂施工任务，而施工成本并未增加。

4.2.3.3 专用施工船舶研究

针对青草沙水库东堤深水区域风浪大、水流急以及长江口区域涨落潮特点，研制了专用充灌铺设船。

1）专用充灌铺设船舶

（1）船舶作业条件。该专用船舶能够满足长江口（Ⅲ类海区）6级风、浪高1.2m、流速3.0m／s、水深超过10m以上正常作业要求，并能够在9级大风条件下就地锚泊生存，具有很强的抗风浪能力。

（2）该专用船舶主要参数及配备的主要施工设备。

①该船型长70m，最大型宽30.5m，型深4.2m，工作吃水3.2m，满载排水量4360t，主机功率400kW，可靠泊3000m3以上运砂船。

②配有6套22kW充砂泵和完整的充灌管路系统。

③在主甲板中央安装有φ800mm×40000mm卷筒及后方压排装置，由一套有减速机构和机械离合器装置的22kW三挡电动机控制，可控制袋体沉放速度、提高沉放质量。

④配备有8m×42m液压翻板、2台20t跨距24m回转吊机，配有2套DGPS全球定位系统和电脑监控软件系统，所有控制均可在中央集控室完成，自动化程度非常高；在降低船员工作强度同时，提高了操控精度。

⑤该船配备了6台7t绞锚机，配有φ43mm长500m钢缆锚泊系统，适合长距离移船作业。

2）原有抛袋船改造

在青草沙水库东堤深水抛袋施工中，对原有抛袋船进行了改造，该船和专用充灌铺设船一样配备有锚缆系统及GPS定位系统，可在9级风条件下就地锚泊生存。在翻板方式及设备改造中，技术人员吸取了洋山深水港抛袋作业经验，创造性地在该船甲板上的施工区域增设了4块16m×12m钢制翻板，每块翻板由独立的液压油缸控制翻转动作，自由翻转角度超过30°，翻转抬升速度由电机控制、可快可慢，每块翻板每次可铺设充灌4m×6m砂袋4个，由于4块翻板可独立操作，抛袋施工效率得到大幅提高。

在潮汐型河口地区采用4块独立翻板进行抛砂袋作业，在水利工程界尚属首次。

4.2.3.4 水下成型大尺寸砂袋保护

充灌大尺寸砂袋工艺在青草沙水库工程中起到了非常重要的作用，确保了总体进度计划不受影响，但实施过程中也出现了个别袋体在水流影响下被破坏的情况。研究人员多次深入施工现场，通过了解各个施工过程、及时安排潜摸袋体、实时现场监控施工、观察同类条件下其他位置袋体的情况等各种方法和试验，发现了袋体破坏最主要的因素：施工船舶在龙口段施工抛锚时，为了防止锚破坏软体排，须抛到排体外侧，软体排库内、外侧边线最宽达500m，锚缆抛设距离长达500m，钢缆绳在重力作用下沉入水中呈悬链线形状，在风浪及浮力作用上下浮动，在此过程中锚钢缆弧线低点可能会和成型袋体边角或薄弱处碰擦，并在水流作用下来回刮碰，导致袋体土工布的破坏；从现场被破坏的袋体布浮起来检查后也证实了这一分析。钢缆在水中形态示意图见图4-11。

图4-11 船舶钢缆锚对袋体边角破坏示意图

图4-12 系缆浮箱结构示意图

1）保护方式

为了解决钢缆绳破坏成型袋体的问题，提出了利用密封钢浮箱架于适当位置，利用浮箱的浮力作用把施工船舶抛设的超长锚缆在成型袋装砂棱体范围内架空，从而起到防止锚缆接触袋装砂而磨损破坏袋体的目的。对浮箱进行了稳定计算，并考虑采取有效固定锚缆措施，设计了浮箱尺寸及构造，详见图4-12。该浮箱长4m，宽2.2m，高1.05m，采用钢制密封式，成型浮箱顶部4个角设有焊接的系缆柱，方便操作过程中的系缆；浮箱顶部沿宽度方向在两侧各设置1个三滚轮导缆器，便于缆绳的穿越；导缆器旁边各设置1个加固锁链，用于固定浮箱和缆绳的位置，防止浮箱受水流作用而随意滑动。

在施工船舶的过堤锚缆抛设到位后，利用锚艇或交通船将浮箱拖曳至预放位置，分别打开三滚轮导缆器1和2，将缆绳穿入导缆器中，然后关闭三滚轮导缆器1和2，并用导缆器旁边的加固锁链进行固定，以防止浮箱随意移动。

2）浮箱位置及数量确定

根据要保护的成型袋装砂棱体的断面宽度和保护袋体的具体位置，可以确定安放浮箱的数量及位置，具体布置详见图4-13。

图4-13 过堤锚缆抛锚浮箱拖浮保护示意图

（1）当施工船舶处于成型棱体断面的中间位置附近时，将浮箱放置于成型棱体的两侧边缘处；

（2）当船舶靠一侧施工时，在成型棱体中心线及另一侧固定浮箱。通过上述措施，可以避免钢缆绳刮破袋体。