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FS浆垫在佛山大堤护岸防冲工程中的应用 |
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时间日期：2002-10-31 已被阅读次：[7458] |
佛山市水利局 李大标
摘要：土工织物在水利工程建设中应用前景广阔。本文介绍在水深(13～17m)流急，航船频密的场地中应用澳大利亚FS浆垫材料及技术的施工经验，对其推广应用中的一些问题进行了探讨。
1、工程概况
佛山大堤位于北江下游支流东平水道左岸，捍卫佛山、南海两市84.3km2土地和80多万人口，是广东省五大重点堤防之一。该堤中段的白蛇漩——石 险段，长约5km，河段狭窄、弯曲，最窄处河宽80～100m，且为广州～肇庆～梧州的主航通，航船频密，高速客船浪损影响大；水流湍急，50年一遇洪水时流量超过4600m3/s；近十年来河床冲刷严重，最大下切局部深达6～7m，堤脚受割，造成近年多次出现一些坍岸、堤脚石墙沉裂外移、堤坡滑裂失稳等险情。对该河段河床演变、水流运动特性及整治方案模型试验研究指出，从控制河势、改善水流条件的整治原则出发，修建潜坝、二级坝等坝工措施对河床底部流速有较理想的控制效果，但狭窄河段的两侧岸坡仍必须加强护坡护脚措施。
本地区护岸防冲传统上多采用抛石，但抛石过多，束窄河床，于行洪、航道均不利，湍急水流带走分散抛石体下的堤脚泥沙， “沙走石沉”， 堤脚受割仍难避免。 近年来，当地水利部门致力跳出传统抛石护岸的窠臼，寻求新的护岸防冲形式，1998年进行了水不分散混凝土(NDC)护岸工程试验，取得较好的效果； 2001年又引进澳大利亚Foreshore浆垫材料及技术应用于长约580m护岸工程(见图1)。
2、材料特性
FS浆垫是澳大利亚生产的新型人工合成材料，是一种由高度强度，稳定性好的聚酯长纤维组成的双层织物，灌入沙浆后固定成型，是一种能在水下施工，有效防止冲刷，耐腐蚀，对环境无污染的高新技术产品。其技术特点如下：
(1)耐酸、耐碱，不受有机溶剂和有机微生物腐蚀，抗辐射及抗老化性能较好，有较长的寿命(30～50年)。
(2)采用现场灌浆充填工艺，整体施工质量较易控制，能适应水下施工。
(3)织物强度高，透水性强，充填的沙浆可在压力作用下析出水分，降低水灰比(降至0.5)提高强度。砂浆凝固前可塑性强，浆垫能与基础紧贴，整体抗冲能力强。
(4)施工较简单，施工机具简单。除沙浆生产机具外，只需配备15m3/h灌浆机(压力1.4MPa)、手提缝纫机(必要时配发电机)各1台及潜水(轻潜)器材。施工效率高。
(5)织物材料现场裁剪缝接，对工程环境(坡比、坡面障碍物等)适应性强。
FS产品的规格有：有反滤排水点浆垫、无反滤排水点浆垫、铰链块型浆垫及植草型浆四个系列多个规格。用于防冲刷的前3种的技术特性见表1。
3、工程设计
3.1 FS护岸工程所在河段窄处河宽80～100m，河低高程(珠江基面)－12～－16m,现岸坡大部分已有抛石护脚，高低不平，综合边坡约为1：1.6～1：1.8。工程河段为潮感区，一般潮水位－0.5～1.2m，P=0.02设计洪水位5.5m。
3.2 浆垫防冲工程设计断面示意图2。
浆垫在岸坡抛石整平的基础上铺筑。为尽量减少抛石，按原地形整平，控制边坡为1：1.6～1：1.8，可采用折线边坡。FS浆垫施工要求边坡不陡于1：1.5，坡面整平高差<±0.3m。计安排浆垫上端高程0.5m处设槽锚固，下端至河床底部平坦处延伸2m，沿坡面铺筑宽度为25.2～30.8m(收缩后宽度)。其下部5.6m宽采用铰链块型浆垫以适应河床变形，上部采用有反滤排水点浆垫。浆垫充灌后上端浇筑C15砼板下端抛石压固。
4、 主要施工工艺
4.1 抛石整平基面(略)。
4.2 浆垫铺灌。
(1)施工单元划分。顺水流方向按每40m模袋长度为一个施工单元(模袋充灌收缩后平均实际长度35.9m)。单元间采用搭接，上游单元搭接于下游单元上，搭接宽度2m(实际完成的搭接宽度平均为2.2m)。
(2)模袋缝制及变形调整。
浆垫材料现场裁剪，尺寸要留有余地，允许灌注时发生收缩。模袋充填后，收缩率约为5～10％(本工程为6％，一般说来，收缩率与场地条件如坡比、粗糙程度等有关)。本工程每单元段模袋顺坡向由9～11条幅宽3.1m的织物缝接。在模袋上下层分别缝接后，在每幅织物的中间部位，把两幅布折起10～15cm，缝入“分隔线”，此线可在每次灌注一个长条形模袋后灌注下一条模袋前抽出，既利于先后灌充沙浆的结合，也利于在每条灌充中完成收缩，避免了集中的大幅度收缩变形。模袋的缝合处应能承受不小于1.0MPa的灌浆压力。在桥桩、端墙等建筑物周围安装的模袋，载剪外形可按实际情况，务求对防护对象紧密贴合。模袋缝制后以Ф50mm塑料管子为轴卷成捆，待安装。
(3)采用工厂生产的商品沙浆，用泵车送到现场。采用配合比为水泥(525＃)：粉煤灰：沙：水：外加剂=430：120：1700：460：3.3(kg)。水灰比为1.06。
(4)安装与灌注。模袋铺设应确保其就位准确，均匀分布。首段单元自下游开始铺设，灌注在每条模袋的上游端开始，自坡顶向坡脚逐条灌注。开始时，把模袋捆展开两幅宽，充灌一条后再展放下一幅宽。充灌口现场选定，用小刀在上层袋布割剪径约5cm的口子，插入灌浆管后即可灌注。灌浆口间距6～8m。灌浆应有足够压力(0.3～0.4MPa)，灌注时可用人工踩踏辅助沙浆均匀分布；应加强观察，发现变形过大或鼓包时，应及时终止充灌，特别要防止灌注口被挤胀变形；在模袋充胀1小时后，禁止在上面行走或加载。水下充灌由轻潜人员配合施工。
(五)对已充灌完成的浆垫最外侧边缘用混凝土石块压盖，使其与边界基床连接可靠。
4.3 质量控制措施。
(1)抛石整平选取级配良好的石料抛投，在浆垫施工前，由潜水员按5m一断面进行整平检查，如发现基床窝坑过大的部位用浮标作好标志，再用片石补抛，或用水下人工搬移凸出过多的石块。经潜水检查核实合格后方进行下一工序施工，并整理相关资料备查。
(2)对模袋织物的主要指标测试。
(3)选择0.5m×0.5m的浆垫面积作灌浆试验，在样品灌浆完成前应保持一定压力，水灰比应减少至能代表正常灌浆过程中的数值，然后剪开织物，按AS1012的规定将灌浆体拿去做试验。
在现场灌注成型的浆垫切割试块测取强度指标，基本达到C20的设计要求。
(4)单位面积灌浆量测算控制。现场试验灌注面积44.9m2的一段浆垫，用浆4.0m3，得饱满成型的有反滤排水点浆垫平均厚度8.9cm(含小量损耗)，符合浆垫规格指标。本工程沙浆总用量1822m3，浆垫总面积20493m2，由此推算的平均厚度8.8cm(含损耗)，与小面积试验充灌的灌浆量基本一致，施工中以每台班用浆量与充灌面积对比指标，判断充灌质量。
4.4 人力资源配置
项目组织管理由监理工程师、项目经理、澳方专家、施工工程师及施工人员(含潜水员)、质量安全管理人员等组成。
施工现场一个台班约9～11人(其中潜水员6人)。
5、问题与技术探讨
5.1 浆垫施工中出现过的一此问题及对策
(1)展开时缠卷。模袋缝合卷扎成捆，现场就位，逐幅展开后充灌。首段单元充灌中曾出现局部未充灌的模袋材料被已充填浆垫压盖的情况。后来，注意了模袋材料卷合前摊平，卷合松紧适度；研究适合逐条放展的绑捆方法及在岸上做模拟操作演习，协调放展操作人员的动作配合等，使问题得到妥善解决。
(2)漂移。施工河道潮起潮落，水流湍急，首段施工单元完成后，发现模袋底端已顺水漂移约15m。经分析此为分段模袋长度太大(80m)，且逐条灌注是从下游端开始所造成。在采取缩短分段单元为40m，每条模袋展开后立即从上游端灌注定位，定位灌注尽可能选择在平潮期水流稍缓的时机进行，这样克服了漂移，保证了以后各单元段顺利施工，搭接无误。
(3)穿刺。模袋充灌过程中或充灌后受基床石块等尖锐物刺穿跑浆，此类情况发生过2～3次。关键是作好基床整平。穿刺发生后，该部位充灌欠饱满，但跑浆量一般不会太大，可及时转移充灌口位置。
5.2 影响质量的主要因素
模袋材料强度高，特性良好；沙浆自有相当规模及严谨质保体系的搅拌厂家生产，材料质量较有保证。因此，在影响质量的4M1E要素(材料、机具、人员、工艺环境)中，本工程的质量主要受场地环境及潜水施工人员素质控制。
基床整平影响至大。在水深(12～18m)流急的情况下，整平精度确实不易控制。坡面上高差过大，充灌时浆体下坠，绷紧纤维材料，模袋正常膨胀受阴，易造成灌浆欠饱满或爆裂模袋漏灌的部位尚可复灌，但不饱满者便不易复灌。
潜水员在水下操作充灌，工作条件恶劣，能见度低，施工流速大于0.7m/s时水下人员操作困难，水下质量检测不易，潜水员的技能、素质、工作责任心至关重要，应加强技能培训、思想教育，健全激励机制及注重安全保障。
工程质量控制特别是对水下部分浆垫成型后的强度指标检测不易实施。本工程对充填物的强度检测采用充灌成型后切取试件、现场回弹及充灌后割开织物挖取水分出后的沙浆制备试件等方法，成果有较大的离散性。浆垫充填物的强度受灌浆压力、作用时间、水分析出程度的影响，是离散性大的原因。对一般的防冲工程来说，在有高强纤维包裹，并形成整体性较强的有相当重量的盖层的情况下，对充填物强度(抗压强度)要求可以降低，减少水泥用量，这是节约FS浆垫成本的一个途径。
5.3 与国内同类工程或材料比较
FS浆垫材料具有如下特点。
(1)充灌口现场选定，灵活性大，充灌口小。充灌后以同质袋布垫塞口门即可，操作简单，不留凸出扎口。
(2)材料强度好，能承受较大灌浆压力。充灌中曾拿小型刀具穿刺袋布，亦不致破裂爆浆。
(3)不受生产尺度限制，整个工程铺面无构筑缝，成型后美观。
(4)由坡面上部逐条向下放展充灌的施工次序使织物材料布设就位、锚固等容易实现。
(5)施工机具简单，充灌工效较高，现每台班一般可充灌600m2，最高时达1000m2。
(6)因整体性强，成型后所需的垫体厚度较薄。但模袋材料进口价格较高。
5.4 造价分析
(1)本试验工程由于包含了材料、进口关税、外方专家及保险等费用，造价较高。根据本工程实施中发生的费用，按本地区的人工、材料价格及FS浆垫材料近期的价格，单价构成大致可如表2。上述成本构成中，若场地为浅水、静水或非航道等条件较好的地区，则潜水员、港监、保险等费用可因应减少；模袋材料所占比重较大，其价格随中国入世而下降；根据防护对象而选定合理的充填材料的厚度、强度等也降低造价。
(2)省内某护岸工程，1991年使用国产模袋混凝土，施工水深3～6m。当时的每m2成本与现时的FP200成本相近。对两者的成本构成比例列见表3。
从上表可以看出，后者FS浆垫在模袋材料上占的比例较大，但相沙浆、混凝土所占比例下降，在本例水深大得多的情况下，机械、潜水人员工资等尚比前者大幅度减少，显见其在施工
工艺、技术上的优胜之处。
(3)一个设计得当、施工质量有保证的浆垫工程将有较优异的防冲性能和较长的使用寿命。尽管一次造价较高，但比造价亦不菲(本地区抛石护脚综合单价约为65元/m3)且段经常维护补充的传统抛石护脚来说，无疑较有优越性。
6、结语
佛山大堤FS浆垫护岸工程施工工期总工期61天，铺筑总面积20493m2。首段约300m工程在2001年4月中旬完成后，在周边未作防护的情况下，经受了接近警戒水位的洪水考验，汛后检查完整无损。现已全部完建的工程外观良好，受到各方关注。这一工程实践表明：
(1)FS浆垫材料比同类工程材料有较明显的优越性。应用FS浆垫材料及施工工艺，能在较恶劣的场地条件下施工，铺筑成完整的护岸盖板，防护性能优良，应用前景广阔。
(2)水下基床整平是工程确保成功的重要要素，深水及非静水区整平工艺尚需进一步探讨。水下灌注的操作简便，但灌注质量控制及检测手段也应就其可操作性进一步研究。
(3)降低工程成本，特别是模袋成本，将赋予这一材料及技术以更强的生命力，使之在水利工程中得到更广泛的应用
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