何子灿，渠　庚，何广水



桩网砂枕坝航道整治工程新技术探讨

何子灿1，渠庚2，何广水2

（1．四川大学水利水电学院，成都610065；
2．长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉430010）

为了缓解长江中下游干流河段航道整治工程建设需大量开山采石影响料源区生态环境的问题，针对目前航道整治工程建设需要大量减少块石材料的技术要求，提出了桩网砂枕坝航道整治工程新技术的材料结构型式和施工工艺。详细分析了桩网砂枕坝水毁破坏机理，提出了避免水毁破坏的对策；通过对桩网砂枕坝工程的耐久性、整体性、适应性、取材容易等特性的分析，说明了桩网砂枕坝的技术特性满足航道整治工程的技术要求；通过同类型工程等工效方案的建筑综合成本的比较分析，说明了桩网砂枕坝方案具有经济实惠的特点。从分析成果来看，桩网砂枕坝航道整治工程新技术具有可行性，其推广应用具有一定的生态、经济和社会效益。

桩网砂枕坝；航道整治；材料结构；施工工艺；技术经济

doi：10．11988/ckyyb．20160340

1　研究背景

长江中下游干流河道航道整治工程建设项目中的坝工建筑物主要有丁坝、顺坝、锁坝、鱼骨坝等形式，2010年以来这些坝工建筑物的坝体部分主要采用了“充填袋填心坝”［1］的材料结构型式，这种材料结构型式的坝体施工需要大量块石料。大量开山采石对料源区生态环境有着明显的不利影响，自2015年1月1日起施行《中华人民共和国环境保护法》后，地方政府颁布了相应的环境保护法规，使得长江中下游干流河道两岸的沿江地区开山采石基本处于被禁止状态，石源问题直接影响以石料为主要建筑材料的航道整治工程项目建设。

针对目前航道整治工程建设需要大量减少块石材料的需求，近几年科技人员对航道整治工程的新材料、新工艺技术做了大量的研究工作，桩网砂枕坝航道整治工程新技术是其中之一的研究成果。桩网砂枕坝是航道整治工程的一种新型式，是由钢筋混凝土桩、土工格栅、钢绞线、化学纤维绳、砂枕、钢丝网石垫等组成的直立式坝体，属水工土石坝类建筑物，一般布置在宽浅的河床上，起着缩窄枯水河床、引导（枯水期）散滩面流归入航道、以及稳定和整合浅滩等作用。

2　桩网砂枕坝材料及结构设计

桩网砂枕坝是由钢筋混凝土桩、土工格栅、钢绞线、化学纤维绳、砂枕、钢丝网石垫等组成的直立式坝体，其结构特征：由预制钢筋混凝土桩［2］、钢绞线、土工格栅等材料构建桩网围护仓，再向桩网围护仓内填充袋装砂土至设计高程，然后用钢丝网石垫封顶，形成桩网砂枕坝坝体（见图1）。

图1　桩网砂枕坝坝体（立体）Fig．1　Sketch of pile net-sand pillow dam（3D）

坝体工程的顶面高程一般高出最低通航水位2．0 m；考虑到航道工程的实际需要和钢筋混凝土桩预制与压桩施工难度，坝体位于河床面以上的净高度≤12 m，坝体宽高比≥0．75；同一坝体中心轴线的顶面控制高程沿线变化（或坡度）满足规范要求，桩网砂枕坝的净高和钢筋混凝土桩的预制长度因坝址断面地形变化和坝顶沿程坡度变化而有所不同，其主要建筑材料的布局和质量技术要求如下所述。

2．1预制钢筋混凝土桩

预制钢筋混凝土桩布置按垂直水流方向布置2排（列），2排桩之间的间距为5．0～12．0 m，同一排内相邻桩之间的间距为2．0～5．0 m。根据最低通航水位条件下的施工桩点处水深（Hz）确定预制钢筋混凝土桩的长度L。预制钢筋混凝土桩的顶面高程高出设计枯水位2．0 m，视不同施工水深、桩压入河床面以下深度h为3．0～6．0 m，约为河床面以上部分长度的0．5倍，按L=1．5 Hz+2．0计算长度，即为设计预制钢筋混凝土桩的长度；预制钢筋混凝土桩的截面外围边线面积≥0．15 m2，桩截面实体面积≥0．1 m2。

2．2土工格栅

土工格栅在桩网砂枕坝中的作用是通过直立固定在河床面的预制钢筋混凝土桩上形成填料仓。土工格栅布置在2行桩之间的内侧，布置范围自桩的河床表面位置至桩的顶端，单幅土工格栅长度≥50 m，采用TGSG45—45型土工格栅材料［3］。

2．3钢绞线

在垂直水流方向每排安置完毕的预制钢筋混凝土桩（简称“安置桩”）的河床表面位置和顶端位置各布置1条钢绞线（共4条），以使同一排的每根安置桩相联系；在顺水流方向上下游排安置桩的河床表面位置和顶端位置各布置1条钢绞线，以使上游排与下游排的相邻相近的2根安置桩相联系；采用预应力混凝土钢绞线［4］，材料的直径规格 Dn为9．5 mm。

2．4砂枕

砂枕为坝体填筑体，在建设和运行过程中不可避免沉陷的现象，在工程设计阶段考虑10%左右预备沉陷填筑工程量，在施工阶段通过先完成坝体的基本填筑，等沉陷稳定后再补充填筑体到设计高程位置。砂枕模袋为复合土工布［5］（聚丙烯编织布+长丝涤纶无纺布）材料加工而成。复合土工布等效孔径满足O90≥0．08 mm，O95≤0．1 mm；聚丙烯编织布单位面积质量为126～130 g/m2；聚丙烯编织布单丝强度≥29．4 N/根，容许抗拉强度≥16 kN/m，顶破强度≥0．5 kN/m2，耐磨强度≥100次，施工时容许充填压力≤0．33 kN/m2。充填砂枕的河床泥砂粒径应满足：O10≥0．1 mm，O95≥0．2 mm。

2．5钢丝网石垫

钢丝网石垫布置在坝体的顶面，作为坝体顶面防护层，钢丝网石垫厚0．3 m。钢丝网采用合金镀层钢丝制造，网孔平均直径≤60 mm，网丝直径≤2．2 mm；石料粒径为70～150 mm，可选用卵石或小块石。

3　施工工艺技术设计

3．1施工准备

（1）钢筋混凝土桩预制：在混凝土构预制场内，绑扎钢筋笼，并将钢绞线卡件绑扎固定在成型的钢筋笼上，随钢筋笼一起放入预制桩模具，向模具内浇筑标号不低于C30的混凝土、震捣密实；到达初凝强度标准后，脱模养护。

（2）土工格栅、钢绞线、化学纤维绳、复合土工布［5］（聚丙烯编织布+长丝涤纶无纺布）模袋等，在专业化工厂加工，经产品检验合格后，运抵工区储存待用。

（3）主要施工设备安置试用：将液压压桩施工设备安装在专用船舶或浮动工作平台上试运行，逐步进入正常施工状态。

3．2建筑桩网砂枕坝

3．2．1构建桩网围护仓

按设计文件要求，先将预制钢筋混凝土桩通过静压入或打入设计的地点，再安置钢绞线；最后在2行桩之间的内侧布置土工格栅，布置范围自桩的河床表面位置至桩的顶端，并将土工格栅固定在混凝土桩和钢绞线上。至此，构建形成了桩网围护仓。

3．2．2填筑砂枕

向桩网围护仓内填筑砂枕，砂枕填筑每隔厚度2～3 m时，安置一排聚丙烯纤维绳，连接上、下游的混凝土桩，形成坝体内拉筋；然后向桩网围护仓内填筑砂枕至桩的顶端位置。

3．2．3桩网砂枕坝封顶

桩网围护仓内填筑经1个月沉陷密实后，补充小型砂枕至设计高程；在砂枕表面覆盖1层厚0．3 m的钢丝网石垫，并将同一个坝体顶面的多个石垫联接为一体。

4　水毁破坏机理分析及对策

桩网砂枕坝适用于航道整治工程建设项目，属于低水头水工建筑物，枯水期出露水面，中水位以上时期被水流淹没。低水头水工建筑物特征和运行期的水流条件决定了其水毁破坏发生时段和部位。在枯水位时期，坝体出露水面，坝体上、下游水面的水头差甚小，坝体的渗流破坏影响很小；枯水期的坝体水毁主要发生在坝头部位，坝头前沿的流速较大，水流淘刷坝头前沿区域河床，逐步形成冲坑，引起坝头部位的建筑物失稳垮塌。因此，在工程设计时，要对坝头前沿及上、下游周围区域的河床进行重点守护。坝头前沿及上、下游周围区域的河床守护一般采用目前比较成熟的工程技术方案：在坝头前沿及上、下游周围区域先沉排、再高标准抛石压载。

在中、高水位时期，坝体淹没在水下，坝体周围环境的流速流态比较复杂，坝体水毁破坏程度决定于坝体周围环境水动力条件。一般来说，坝体顶面以上和坝头前沿的流速较大，坝体顶面保护层易出现破损，坝头部位因坝头前沿冲刷坑的冲刷发展引起坝头部位的建筑物失稳垮塌。此外，在坝体上、下游的坝脚线附近区域有次生环流产生，次生环流淘刷坝脚附近的床面泥沙、形成沟坑，一旦沟坑持续冲刷到一定程度，也会引起坝体建筑物垮塌。因此，在工程设计时，要对坝体上、下游一定区域范围内的河床和坝头前沿区域进行守护，并且需要强化坝体顶面建筑。此外，在中、高水位时期，坝体根部与河道岸坡交界部位为工程薄弱部位，需要对坝根部与河道岸坡交界部位进行防护加强处理。

5　技术经济分析

5．1工程技术特性分析

航道整治工程是在复杂水情条件下发挥功效的工程，其材料结构需满足耐久性、整体性、适应性的技术要求，工程规模较大，取材容易程度直接影响工程的建设。

5．1．1技术可行性

桩网砂枕坝与目前常见土石坝的原理基本相同，所不同的是形状和材料结构型式。目前常见土石坝的建筑材料基本是天然材料，而桩网砂枕坝属没有边坡的直立型土石坝，桩网砂枕坝的建筑材料包括钢筋混凝土桩、土工格栅、钢绞线、化学纤维绳、砂枕、钢丝网石垫等，除砂、石料以外的各种坝体工程材料均为工业化材料。桩网砂枕坝具有土石坝的属性，可发挥土石坝的功能，布置在宽浅的河床上，可起着缩窄枯水河床、引导（枯水期）散滩面流归入航道、以及稳定和整合浅滩等作用，满足航道整治工程的技术要求。与桩网砂枕坝类似的坝体有钢筋混凝土插板桩坝［6］、PHC管桩坝［7］等，这些工程技术已在黄河河口段、密西西比河、密苏里河等河道整治工程中推广应用。

桩网砂枕坝的施工与难度主要在水面立桩和水面充填沉放砂枕袋工序。近几年来，一些长江岸线利用工程项目中有部分施工内容为水面立桩，通过将液压压桩施工设备安装在专用船舶或浮动工作平台上可完成水面立桩施工。一些长江航道整治工程项目中有部分施工内容为水面充填砂枕袋，将高含沙水流泵入底开式施工平台上的土工模袋内，完成砂枕充填；启动底开式施工平台上的控制开关，完成砂枕沉放施工。从现在的施工技术水平来看，水面立桩和水面充填砂枕袋已是成熟的施工工法。桩网砂枕坝的其它科目施工工法都是常见的，其难度一般。总的看来，现有的施工技术设备和工法可完成桩网砂枕坝的建筑。

因此，桩网砂枕坝技术应用于航道整治工程，技术上是可行的。

5．1．2工程耐久性

河道（含航道）整治工程的型式有多种多样，其中，工程耐久性最好的浆砌块石河岸护坡的经济寿命是30 a［8］。桩网砂枕坝是由钢筋混凝土桩、土工格栅、钢绞线、化学纤维绳、砂枕等组成的直立式坝体。作为构成工程“骨架”的钢筋混凝土桩和钢绞线具有高强度、耐久性好的特点，其工程自然寿命在50 a以上；作为构成工程“肌肉”的网或土工格栅、化学纤维绳、砂枕等填筑体的原材料主要是化学纤维材料和砂土，化学纤维材料的缺陷是紫外线辐射老化影响其自然寿命，现代技术可以通过对化学纤维材料进行加碳黑防老化处理，可以使其自然寿命超过40 a。桩网砂枕坝的化学纤维材料基本处于常年水下状态、不受紫外线辐射老化影响，加之，坝顶面为钢丝网石垫覆盖保护，因此，作为河道整治工程一种材料结构型式的桩网砂枕坝，其工程自然寿命可以达到30 a，工程的材料结构型式具有较好的耐久性。

5．1．3整体性与适应性

桩网砂枕坝中的钢绞线、土工格栅、化学纤维绳等材料可将同一施工区域相连的坝体连接为一个整体，形成一个错综复杂的建筑体。砂枕作为坝体填充物，其柔性特征可适应各种地形条件。

5．1．4材料易取性

桩网砂枕坝中的原材料主要是普通混凝土、钢绞线、土工格栅、聚丙烯纤维绳、砂土、砂枕模袋等，砂土可以在施工区域河床附近就地取材，除砂、石料外的其它材料可工厂化规模生产。

5．2等工效同类工程综合成本费用比较分析

以长江中游干流下荆江河段航道整治工程的丁坝为例，采用与桩网砂枕坝工程设计方案等工效同类的充填袋填心坝［1］工程设计方案进行综合成本费用比较分析，应用条件均为最低通航水位以下水深6．0 m的典型丁坝（10 m长）坝段，根据航道整治工程技术规范（标准编号：JTJ312—2003），考虑2．0 m超高，坝体超出河床面以上部分净高确定为8．0 m。

5．2．1充填袋填心坝工程设计方案

充填袋填心坝工程是由聚丙烯编织布绑扎预制混凝土块排（简称“软体排”）、砂枕、块石等材料建筑而成，其材料结构型式大样见图2。用于方案经济比较的沉排堆石坝主要技术指标：位于河床表面以上部分净高8．0 m、坝顶面宽5．0 m、上游面坡比1∶2．0、下游面坡比1∶2．5、软体排底面基础宽81．0 m、坝体上游的软体排压载抛石范围10 m；坝体下游的软体排压载抛石范围30 m，抛石厚均为1．0 m；坝体的砂枕上、下游面覆盖防护抛石和坝顶砌石厚度均为1．0 m。

图2　充填袋填心坝材料结构（断面）Fig．2　Profile of core dam filled with packing bags

5．2．2桩网砂枕坝工程设计方案

桩网砂枕坝工程是由钢筋混凝土桩、钢绞线、土工格栅、化学纤维绳、砂枕等组成的直立式坝体，其材料结构型式见图1。用于方案经济比较的桩网砂枕坝主要技术指标如下所述。

（1）位于河床表面以上部分净高8．0 m、坝宽6．0 m、坝体填筑物自下而上为6．8 m堆厚砂枕（按10%预备沉陷填筑工程量）和1层钢丝网石垫（厚0．3 m）。

（2）预制钢筋混凝土桩长度11．0 m（河床建基面以上为8．0 m、河床建基面以下压入深度为3．0 m），桩截面为正方形、边长0．36 m，配置4根Φ32 mm的钢筋，预制钢筋混凝土桩按垂直水流方向布置2排（列）、2排桩的间距6．0 m，每排内的桩间距2．5 m。

（3）在垂直水流方向，每排安置完毕的预制钢筋混凝土桩（简称“安置桩”）的河床表面位置和顶端位置按各布置1条钢绞线（共4条），以使同一排的每根安置桩相联系；在顺水流方向，上、下游排安置桩的河床表面位置和顶端位置按各布置1条钢绞线（共80条），以使上游排与下游排的相邻相近的2根安置桩相联系。

（4）土工格栅采用TGSG45—45型材料，布置在2行桩之间的内侧，布置范围自桩的河床表面位置至桩的顶端，单幅土工格栅长度≥50 m。

（5）化学纤维绳为加碳黑的聚丙烯纤维绳，直径20 mm，每隔2．0 m布置1根，自桩的河床表面位置至桩的顶端共布置5层（每层20根）。

（6）砂枕为坝体填筑物，堆厚6．8 m（按10%预备沉陷填筑工程量）；砂为工程区域的河床泥砂。

（7）桩网砂枕坝紧上游和紧下游河床，设计护底工程范围分别为15，30 m，采用先沉软体排再压载水下抛石的材料结构型式，抛石厚1．0 m。

5．2．3综合成本费用计算比较分析

根据10 m长的典型坝段计算工程量，按案例工程所在地区（荆州市）2015年第4季度的物价水平计算，10 m长的典型充填袋填心坝方案的综合成本总费用约为25．4万元，10 m长的典型桩网砂枕坝方案的综合成本总费用约为16．8万元，如表1所示。

表1　长10m典型坝段综合成本费用统计Table 1　Statistics of comprehensive cost of typical dam section with length of 10 meters

从表1计算成果数据来看：相同单位长度等工效的桩网砂枕坝方案综合成本费用约为沉排充填袋填心坝方案的66．1%，桩网砂枕坝具有明显的成本价格优势。此外，桩网砂枕坝工程的后期维护工作面小、工程运行检测范围小、只是对沉陷坝体进行适当加高，后期维护的成本相对较低。

6结语

桩网砂枕坝工程新技术是目前航道整治工程新材料、新工艺技术研究成果之一。桩网砂枕坝布置在宽浅的河床上，起着缩窄枯水河床、引导（枯水期）散滩面流归入航道、以及稳定和整合浅滩等作用；桩网砂枕坝工程具有较好的耐久性、整体性、适应性，取材容易等技术特性，满足航道整治工程的基本技术要求。桩网砂枕坝的建筑材料包括钢筋混凝土桩、土工格栅、钢绞线、化学纤维绳、砂枕、钢丝网石垫等，除砂、石料以外的各种坝体工程材料均可以在工厂（场）生产，目前国内水利工程施工技术水平和能力可以完成桩网砂枕坝工程施工，建筑桩网砂枕坝技术上是可行的，与相同单位长度等工效的同类工程方案相比有一定的经济优势。桩网砂枕坝应用于航道整治工程，具有一定的经济效益；可大量减少工程对块石料的需求，减少开山采石对料源区的生态环境遭破坏，其推广应用具有一定的生态、社会效益。

［1］JTJ312—2003，航道整治工程技术规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［2］何子灿．桩网砂石坝滩涂围护水工结构：中国，ZL201320789489．6［P］．2014-05-07．

［3］ GB/T 17689—2008，土工合成材料塑料土工格栅［S］．北京：中国标准出版社，2008．

［4］GB/T 5224—2003，预应力混凝土用钢绞线［S］．北京：中国标准出版社，2003．

［5］甘小荣郑福寿．塑枕筑坝技术在长江河道整治工程中的应用［C］∥长江堤防建设管理及护岸工程（第七届）论文集．武汉：长江出版社，2006：196-198．

［6］缪吉伦，张永祥，周家俞．治河工程中护岸导流新结构研究综述［J］．长江科学院院报，2011，（3）：1-4．

［7］张宝森．不抢险PHC管桩丁坝研究［J］．人民黄河，2008，（10）：31-32．

［8］姚仕明，岳红艳，何广水，等．长江中游河道崩岸机理与综合治理技术［M］．北京：科学出版社，2015：12．

（编辑：姜小兰）

本刊投稿网址：http：∥ckyyb．crsri．cn

A New Technique in Channel Regulation Projects：Pile Net-Sand Pillow Dam

HE Zi-can1，QU Geng2，HE Guang-shui2
（1．College of Water Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu610065，China；2．Laboratory of River Regulation and Flood Control under Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China）

During the construction of channel regulation project in the middle and lower Yangtze river，plentiful stone materials are quarried through blasting，which leads to ecological destruction of stone materials source area．In view of the situation and the demand of reducing stone materials during construction of channel regulation projects，

we present a new technique for channel regulation project，namely pile net-sand pillow dam（PNSPD）．We propose the material structure and construction process of the new technique．On the basis of analyzing waterlogging damage mechanism of PNSPD，we put forward some countermeasures．Based on the analysis of several features，including durability，integrity，adaptability and material availability，we conclude that technical characteristics of PNSPD can meet the requirements of channel regulation project．Furthermore，as for architecture comprehensive cost for the same type and equal efficiency，PNSPD is an economical scheme in comparison with other schemes．Finally，the new technique of PNSPD is feasible for channel regulation project，with ecological，economic and social advantages for further application．

pile net-sand pillow dam；channel regulation；material structure；construction technique；technical economy

TV86

A

1001-5485（2016）07-0150-05

2016-04-12；

2016-05-27

何子灿（1996-），女，湖北武汉人，本科生，主要从事水工结构方面研究，（电话）18380150906（电子信箱）2013141094048@stu．scu．edu．cn。

何广水（1964-），男，湖北江夏人，教授级高级工程师，主要从事江河河道整治工程规划、设计、研究工作，（电话）18971566396（电子信箱）hgswh@126．com。