摘要：在航道整治、吹填造地工程中，需要修筑结构和形式相类似的堤坝工程，这些堤坝工程多年来习惯于采用抛石砌筑的方法进行施工。随着国家对环境保护的日益重视，采石场逐步关停复绿，石料来源减少，采用抛石筑坝的施工方法导致工程造价日趋昂贵。本文介绍采用“水下充填砂枕，砂枕上填筑块石”的方法进行筑坝施工的新工艺，加快了施工进度并节省投资，同时形成了新的水下砂枕施工方法。该施工方法质量可靠，结构稳定，节约资源，因此有明显的经济效益和社会效益。
关键词：砂枕；水下充填；资源节约；
Abstract: In the waterway regulation, on filling the land engineering, building structure and form to similar dam project, the dam project for years by the ripped-rock laying methods are used to the construction. As countries pay more attention to protecting the environment, quarry gradually shut after the green, stone sources reduce, the construction method of DAMS in large-size project cost is expensive. This paper introduces the "underwater filling sand pillow, sand filling the pillow stone" method of the construction of the new process DAMS, quicken the construction progress and to save investment, and formed a new underwater sand pillow construction method. The construction method of quality is reliable, the structure stability, conservation of resources, therefore has the obvious economic benefits and social benefit.
Keywords: sand pillow; underwater filling; conservation of resources
中图分类号：TU521文献标识码：A 文章编号：
前言
广东省内河流众多，航道整治工程任务重，且众多河流中砂源丰富，如西江、东江、韩江、北江中下游等，河床富有中细沙、中粗砂且砂质纯净，如能利用砂料进行筑坝施工，将可以就地取材，降低造价，同时又符合环保要求。近十年来，国内一些大型航道整治工程出现了大砂袋、软体排等结构，但需要造价昂贵的专用船机配合施工，对水深、河道宽度等施工条件要求较高。
采用水下充灌砂袋形成砂枕的方法修筑水下坝体，结构稳定，可以就地取材、节约石料，符合环保要求，适应广东省河流砂源丰富的特点，能够缩短工期、降低工程造价，有明显的经济效益和社会效益。
1 适用范围
水下砂枕施工方法适用于现场附近有可利用砂源的航道整治、吹填造地工程中的堤坝工程施工，施工水深宜小于5米，水流流速宜小于1.5米/秒。
2 工艺原理
土工织物的主要原料是聚丙烯，其特点是比重轻、耐酸碱、耐腐蚀、渗透性好、整体连续性好、强度高，在土木工程中起到过滤、排水、隔离、加筋、防护的作用。采用不同的制造方法，可以加工成加筋土工布、软体排、大型冲灌袋等；还可以添加防老化母料，大大提高使用寿命。
本方法利用土工织物砂袋约束充灌入袋的砂料，形成大小及形状规则的砂枕，多个砂枕按设计断面要求排列叠放形成堤坝工程的坝身。砂袋通过四个角的定位钢管桩定位下沉，利用砂泵将砂料通过砂袋上预留的袖口充灌入袋，袖口间距根据砂泵功率和砂料粒径进行调整，保证砂料均匀地充填整个砂袋。
在整体功能和效应上，砂枕堤坝与抛石堤坝没有什么不同，需要进一步了解的是，单个砂枕在施工过程中是否稳定。对于单个砂枕而言，整体稳定主要是不发生平移和翻转。计算实例如下。
2.1 砂枕平移稳定计算
图2.1-1为简化的两个水下重叠的砂袋，取1米宽作考察，忽略次要因素，则作用于砂袋的主要作用力及计算结果列于表2.1-1。
图2.1-1 水下重叠砂袋示意图
表2.1-1 砂枕受力计算表
作用力 计算式 结果 作用方向
上游水侧压力P上侧
3.52 →
下游水侧压力P下侧
3.44 ←
砂袋面水压力P面 ( )
13.04 ↓
砂袋底水压力P底
15.68 ↑
动水压力P动 （设 ）
0.06 →
砂袋自重W (设 )
4.22 ↓
计算式中水容重取1t/m3，水深H取4米，砂袋高度h取0.8米，水位差 取0.1米。 为与砂袋间紧密度有关的值，取最大值1进行计算。
平移安全条件为：（式2.1-1）
将表2.1-1中的数据代入式2.1-1，得： ；只要 ，则 。任何情况下，砂袋间的摩擦系数 都不只0.21，因此在水流作用下，单个砂枕不会被冲走。
2.2 砂枕抗翻转稳定计算
以图2.1-1中的A点为转动的矩心，取顺时针矩为负，则砂袋不翻转的条件是∑MA＞0；将表2.1-1中作用力数据乘以力臂得∑MA=2.56吨*米，有相当的安全富裕量，亦即是砂袋不会发生翻转。
3 施工方法
总体施工流程为：施工准备→测量放线→打设定位钢管桩→砂袋定位下沉→砂泵均匀充灌砂料→检查砂袋形状→绑扎砂袋袖口→拔钢管桩→下一个砂枕施工→逐个砂枕施工直至竣工
3.1砂袋定位下沉
砂袋尺寸根据堤坝的设计断面确定，由土工织物生产厂家加工制作。砂袋定位下沉的工艺流程如下所示。
施工中的操作要点如下：
1、采用4根钢管桩定位砂袋；
2、根据坝体轴线和砂袋尺寸，由全站仪指挥钢管桩定位；
3、人工打设钢管桩入土，钢管直径和入土深度应能保证砂袋定位下沉过程中钢管桩不至于倾斜倒塌；
4、若水流流速影响较大，钢管桩入土深度有限，则上游两根定位钢桩需以锚固在上游的铁锚拉接固定；
5、砂袋四个角绑好绳子与4根定位钢桩套结，使砂袋平整展开，以块石和竹竿将其压沉就位；
6、砂袋袖口需要预先接进硬套管并以浮筒浮出水面，避免因水深无法找到袖口。袖口直径一般为20cm左右。硬套管为塑料管，表面光滑，长3-6米（根据水深而定），下端套入砂袋用绳子与袖口绑扎，可滑动，上端与砂泵的输砂管绑扎固定。
3.2 砂袋充灌砂料
砂袋下沉就位后，使用砂泵对砂袋充灌砂料。充灌砂料的工艺流程如下所示。
施工中的操作要点如下：
1、了解砂源位置及砂料质量。砂源点以靠近施工点为宜，但应注意抽砂施工不能影响河道岸坡的稳定。砂料以含泥量小于5%的中细沙为宜；
2.一般情况下，若砂源点距离施工点超过200米，则需要另外配置抽砂船及运砂船，利用抽砂船在砂源点抽砂装船，运砂船运砂至施工点由泵砂船进行充灌砂袋施工；
3、施工过程注意均匀充灌砂料，施工员需手持硬套管按照由远到近、从四周到中间、先上游后下游的顺序进行均匀充灌，避免砂袋移位或起堆。注意不要使砂料充填至袖口；
4、控制充填量。实践证明，砂袋充填量在85%左右效果最好。
5、砂袋袖口间距以2.5米左右为宜；
6、每个砂枕施工完毕要用测量仪器检查砂枕形状，若发现较明显的凹槽难以处理则要以窄小的砂袋填补；
7、面层砂袋充填至60%袋容时，施工人员穿雨鞋在砂袋上适当踩踏，让砂料均匀分布于砂袋内。
4 施工质量控制
4.1 原材料检验控制
1、所用土工织物按每10000m2抽检1次，每批次不足10000m2的抽检1次；取样观察检查，并检查出厂质量证明文件和检验报告。
2、所用砂料按每1000-5000m3进行1组抽样检验；取样观察检查，并检查检验报告。
4.2 砂袋定位控制
1、施工前严格按设计图纸施放坝体轴线和上、下游边线导标，其中上、下游边线导标须根据已施工的砂枕标高结合坝体坡比经常调整位置。
2、钢管桩根据导标粗定位后，由全站仪指挥精细定位。
3、钢管桩应稳固，如水流流速影响较大，需用锚固在上游的铁锚以缆绳拉接，防止倾斜倒塌。
4、砂袋施工采用平铺方式，从河床最低处往上逐层铺设，层与层之间应错缝。
5、每层新铺的砂袋与已完工的砂袋需搭接0.2-0.3米，防止砂料收缩后砂袋间留下较大孔隙。
4.3 边坡控制
1、施工前根据河床地形及砂枕设计标高、设计边坡绘制砂袋坝断面图，根据不同断面合理配置各种规格的砂袋。
2、施工过程中经常对已充灌砂袋进行测量，掌握砂袋实际位置、标高和边坡形成情况并指导施工顺利进行。
4.4 砂袋充填度控制
1、砂袋充灌的饱满度控制在75%-85%之间。砂袋充填过于饱满，土工布收到较大张力，容易使砂袋在不均匀沉降时折断。
2、施工过程注意均匀充灌砂料，施工员需手持硬套管按照由远到近、从四周到中间、先上游后下游的顺序进行均匀充灌，避免砂袋移位或起堆。注意不要使砂料充填至袖口。
3、面层砂袋充填至60%袋容时，施工人员穿雨鞋在砂袋上适当踩踏，让砂料均匀分布于砂袋内。
5 工程应用实例
北江下游（清远-河口）航道整治工程B27-1丁坝
5.1 工程概况
北江下游（清远-河口）航道整治工程建设规模为清远北江大桥至三水河口共74公里，航道按常年通航300吨顶推船队设计，通过整治达到内河五级航道标准。工程主要建筑物为抛石丁坝及干砌石斜坡护岸。丁坝B27-1位于石角镇烂柴洲上游河道凹岸，该段河床质为中粗砂，河床宽浅，航道弯曲。此处的丁坝群主要起到保护岸滩，调整水流、束水归槽的作用。
根据设计图纸，B27-1丁坝在设计最低通航水位以下采用水下充填砂袋结构，每层砂袋后0.6米，垂直坝轴线方向下层砂袋比上层砂袋宽2米，上、下游各宽1米；在设计最低通航水位以上采用抛石结构，坝身面宽1米，边坡1∶1.25，坝头面宽2米，向河边坡1∶3。由于河床较高，B27-1坝根段112.7米为全抛石结构。
有关施工图见图2.1-1
图2.1-1 丁坝B27-1结构图
5.2 施工情况
B27-1丁坝的砂枕施工均使用一艘40匹马力的小型砂泵船进行施工。
B27-1丁坝水下砂枕的施工时间为56天，共充灌81个砂袋，其中17.6×5.2米砂袋17个，17.6×3.4米砂袋2个，15.6×5.2米砂袋12个，15.6×3.4米砂袋6个，13.6×5.2米砂袋5个，11.6×5.2米砂袋34个，11.6×3.4米砂袋5个，日均充灌砂袋1.5个。共充填砂料5916.74m3，日均充填砂料105.7m3。在施工的中、后期，充灌一个砂袋约需40分钟，每天可以完成4个砂枕施工，充填砂料236m3。
5.3 工程观测与效果分析
工程完工后，施工单位对B27-1丁坝进行了详细的水文观测和沉降观测，其中水文观测包括丁坝上下游一定范围内的水深测量和流速测量。
丁坝成型后经过一年的沉降观测，B27-1丁坝坝身段平均沉降0.04米，比正常抛石丁坝少；坝头由于水流冲刷沉降较大，达到0.21米，但坝头保持完整。由以上数据可知，B27-1丁坝结构稳定，沉降少，坝田淤积良好，达到了整治目的。
丁坝成型后进行了长达一年半的水文观测，实测流量变幅从367-4880m3/s。水文观测数据显示，B27-1丁坝使航道主槽平均冲深2.14米，同时坝址水位平均抬升0.22米，也就是说使航道平均增加了2.36米的航深，工程效应明显。
6 结语
通过水下砂枕法施工的实践，砂枕法施工可以广泛适用于航道整治工程的丁坝、潜坝、锁坝、护岸以及吹填造地的围堤工程，有砂源的地方均可以考虑应用。广东省“十五”航道整治项目符合工法的使用条件，如北江中游、东江惠州-东江口、惠州-河源、梅江、劳伦虎等航道整治工程，均可以推广应用。在各地采石场逐步关停复绿，石料来源日益减少、价格越来越贵的情况下，本施工方法有较好的推广前景和应用价值。
参考文献：
[1] 中华人民共和国水利部.土工合成材料应该技术规范.北京.中国计划出版社,1999年1月1日.25/27
[2] 天津港湾工程研究所.水运工程土工合成材料应用技术规范.北京.人民交通出版社,2006年6月1日.30/32
[3] 中交第一航务工程局有限公司.水运工程质量检验标准.北京.人民交通出版社,2009年1月1日.310/311
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。