时间：2013年06月22日 分类：推荐论文 次数：
摘 要：堤心填筑土工管袋(Geotube)斜坡式防波堤堤是采用新型材料构成的防波堤，它通过对土工管袋进行海沙充填后，将成型的土工管袋通过施工机械定位于堤心轮廓内，使其构成防波堤堤心主要结构的一种防波堤，防波堤堤心土工管袋施工技术是随之产生的一项新的配套施工技术。采用土工管袋进行防波堤施工是对土工管袋材料又一次新的大胆尝试和实践应用。众所周知，土工管袋材料具有韧性高，强度大，稳定性好，滤透性好的特点，与堤心填石结构的防波堤相比，通过将原本价值较低、资源丰富的海沙充入土工管袋形成堤心结构，不仅大大节省了防波堤施工成本，同时也更好地利用了环境资源，并且能够很好地满足防波堤施工和功能要求。为实现防波堤土工管袋施工技术的科学化、理论化和高效化，通过对当地海洋潮汐和大风浪条件的长期观察和研究，基本掌握了可能对防波堤施工不利的各种海况条件。经过初期的物理模型试验和中后期的施工经验总结，使用了在土工管袋充沙定位的初期附加反制力并进行牵引控制的办法，即可实现土工管袋水下的准确定位，并将这施工技术称之为 “反制牵引法”土工管袋施工技术。
关键词：大风浪,防波堤,土工管袋(Geotube),施工应用
一、引言
为了满足印度尼西亚爪哇岛地区工业和居民用电的需求，印尼国家电力公司【PLN(Persero)】计划建造一座2×110MW的燃煤火力发电厂PLTU NAD，该电厂位于北苏门答腊西海岸Nagan Nangroe Aceh Darussalam省Nagan Raya区Kuala乡Suak Puntong村，在Nangroe Aceh Darussalam省会Banda Aceh东南约175 km。地理坐标位于北纬 和东经 处。
电厂用煤主要以海运的方式通过码头平台上的2台MQ1638型抓斗式门座式起重机进行卸煤作业，并通过码头至主厂区的带式传输机将煤炭运输至储煤区和主厂区。为保证12000吨位的大型运煤船舶能够安全进港停靠，完成运煤和卸煤的任务，还应完成两条防波堤的施工。
防波堤作为常规的水工构筑物，在海港工程中承担着至关重要的作用。一方面，它能够防御波浪的袭击，保证港池内水域相对平稳，为船舶提供了平稳、安全停泊和作业的良好条件;另一方面，它还能够拦截挟沙水流，改变泥沙淤积部位，减轻港池内的泥沙淤积，从而保证港池和航道水深。
本项目所处海域为印度洋常态大风浪区域，这给我们的防波堤工程施工造成了很大的困难。经过项目专家组们的前期探索和模型试验，到后来的工程实践应用，我们创造性地提出了一种全新的防波堤结构形式和一种独创的施工技术，本文将对此进行详细地探讨和解析。
二、潮汐和风浪条件
1. 潮汐条件
根据对潮汐变化的测量资料分析可知，本海域的潮汐类型属混合型(半日潮汐)，涨潮持续时间要比退潮持续时间长。涨潮方向为西北向(NW)，落潮方向为东南向(SE)。潮流速度并不高，最大涨潮流速为0.41m/s，平均流速小于0.22m/s;最大退潮流速为0.26m/s，平均流速小于0.20m/s。
2. 风速条件
根据2005年至2008年四年间Nagan Raya气象站的每月测量资料显示，常年频繁风向为西风。根据1982年至2007年26年间每年最大风速测量资料显示，50年一遇的最大风速达到了27.26m/s(风玫瑰图请见图2.1)。
3. 波浪条件
经过对工程海岸线波浪的观察和研究，我们可知：波高变化范围为0.16米~2.61米，波长周期变化范围为4.55s~7.66s。波向为 ，频率较高的波向为西南西方向，比率为29.2%;最强波向为西北西方向，有0.6%的几率波高大于2.0m。每年5月至7月期间，最高的波高可达到5米，每个月的持续期为两个星期。工程所在地的波浪强度较大，对施工不利。
三、防波堤设计断面结构形式
本项目防波堤设计单位由印度尼西亚设计院PT.ATRYA公司设计，由东(320米)西(670米)两条防波堤组成码头港池与航道范围，其断面结构形式为:
1. 防波堤堤心采用了海沙充填的土工管袋(GEOTUBE，高韧聚丙烯土工管袋)，土工管袋设计尺寸(长×宽×高)为10m×5m×2.5m、15m×5m×2.5m、25m×5m×2.5m三种规格，最小充填方量为125.00m3/只，最大充填方量为312.51m3/只。
2. 采用小块石进行对最终成型后的土工管袋进行初步地外围包裹。
3. 大块石理坡形成的外壳。
4. 扭十字混凝土预制块体(重量为4吨和10吨两种规格)进行护面保护。
5. 堤顶砾石路面。
四、工程施工应用
1. 防波堤布置与海域风浪方向的平面接触关系及先期施工状态。
1.1 本工程防波堤与常态风浪走向的平面接触关系
1.2 先期施工状态
印尼亚齐火电项目工程由中水集团承揽的EPC建设项目，其中提供电厂燃煤运输及储存的码头项目工程总承包商及分包商均为印度尼西亚国内公司，工程初始由印尼分包商完成陆域堤根处土工管袋的充填，随即进入海域(防波堤堤心)填筑。分包商采用巨型钢管架(4.5吨~8.3吨)入海控制土工管袋的方法进行充填施工，但由于本海域风浪巨大，重达数吨的钢管管架无法在水中定位且不断被海浪打折打断，造成了土工管袋的损失，最终分包商因无能力持续作业而退场，而码头总承包商则采用与分包商相似的办法自行组织施工，却遭遇了同样境遇，最终造成了防波堤施工的停滞不前。
2. 施工技术方案的推出及理论的支持。
2.1 施工技术方案推出的背景
针对上述情况，中水集团印尼项目部建立攻关小组，首先查阅国内外土工管袋施工实例，发现土工管袋应用在国内外工程建设中虽已有多年，也有一些工程应用的实例，但施工的环境条件均处于相对稳定的陆域与水(海)域交界的地带，如岸基护坡、流域枯水期围堰或大堤、相对静水状态或潮差较大且随季节变化而引起的海浪变化较大的海塘等工程，而利用土工管袋在常年常态条件下的潮差变化较小且大风浪(2米以上)甚至巨浪区(3米以上)海域采用土工管袋进行防波堤堤心填筑施工尚无实例可鉴。作者根据国内防波堤施工经验及针对本海域风浪的特性，并结合土工管袋的物理特性，经过物理模型试验，推出了“反制牵引法”对土工管袋进行堤心充填的施工技术方案。我们首先从力学的角度对该方案展开分析和计算，得到满足土工管袋强度条件下进行施工的基本理论支持，并通过实践应用取得了较为理想的成果。
2.2 采用“反制牵引法”的基本原理及力学分析。
鉴于土工管袋入海后需进行防波堤堤心轮廓控制，而以往通过巨型钢管架进行的轮廓控制法不能满足此海域管袋的早期稳定，将很可能出现由于钢管架打折断裂而引起土工管袋被风浪撕扯破坏或产生漂移的状况。而我们推出的“反制牵引法”则是采取“早期管袋不入海，牵引反制即充填，管袋随量渐下沉，满足稳定且翻滚”的原则，一改早期将土工管袋完全置于海浪当中的方式，而是仅将土工管袋边缘一端触于海面或悬于海面之上，利用绑扎在土工管袋另一侧边缘的较粗大杆件并采用钢丝绳与反铲挖掘机相连，土工管袋固定并完成逆向牵引后，即开始进行土工管袋充沙作业。随着土工管袋内水沙量的逐渐增加，挖掘机以反制的方法同步地将土工管袋进行缓慢下沉，以便充分利用海水的浮力减轻土工管袋对反铲挖掘机的拉扯力。当反制到管袋内有足够水沙量且土工管袋沉底后沙重量(除去浮力)已能够抵御巨浪的冲刷而不至于产生漂移后，随即解除挖掘机对管袋的牵引，此时管袋呈完全自由翻滚的姿态迅速沉至海底，由此实现了土工管袋的准确定位。
以土工管袋为受力分析对象，对上述原理进行理论分析。当防波堤堤头坡角呈30度时，土工管袋处于半悬半铺于防波堤堤头和表面的状态。当开始充沙时，土工管袋开始沿底边均匀布沙，反制牵引则采用PC200型反铲挖掘机提供反制力，反铲挖掘机自重18吨，将挖斗置于防波堤表面，控制牵引钢丝绳后呈水平状，因此，该方向受力为水平受力。整个土工管袋初期受力如图3.5所示。
根据受力分析可知，土工管袋负重产生的下滑趋势的重力分量为土工管袋含水沙状态下全部重力的50%，即F下=1/2·W，而土工管袋下滑力应保证控制在与反铲挖掘机的反制力(也即挖掘机摩擦力)相平衡，以保证反铲挖掘机自身的安全，当测算临近平衡状态时，挖掘机即要将土工管袋缓慢的置入水中，利用水的浮力作用降低土工管袋下滑力的增加，当土工管袋扩张区全部进入水体后，通过计算得出海沙在去除水体浮力后的最大重量与挖掘机摩擦力相平衡时，此时可将挖掘机反制力卸除。针对这个过程，我们通过以下计算，得到相应的结论：
(一)、两台砂泵额定值各为250m3/h的水沙混合量，最大水沙混合比为56%，平输距离约500m，扬程20m。按有效率80%计，实际输送量为400m3/h。根据现场实际供沙情况，在通常施工条件下，砂泵输送含沙比例通常在5%~30%范围内，则可以计算出每分钟供沙量为1.67m3~10.02m3，故以上述计算值可以获得土工管袋在给定的供沙比例时所需要控制管袋的最小时间，如当充沙量为15%时，每分钟充沙约5m3，每立方沙比重为1.35吨，则每分钟为6.75吨，故土工管袋因在小于3分钟的时间内及时将管袋缓慢落入水中(实际施工时是即充即落)，当土工管袋水沙囊落入水中后，由于受到水的浮力，土工管袋重量在相等的时间内则下降为1.75吨，根据防波堤最大单体混凝土块体重量为10吨可基本保证在常态海况下的稳定，我们将土工管袋最小重量也按10吨进行控制，则应增加5~6分钟的再充沙时间方可达到管袋内净重量不小于10吨，如此，整个充沙反制牵引控制时间应在8~10分钟(加上之前的3分钟)即可卸除控制，另根据需要采用绳索将土工管袋的几个部位点再做控制以防止海浪将土工管袋冲至堤心断面之外，直至最终完成土工管袋的水中准确定位。
(二)、若土工管袋在摆放初始底部已经抵触水面之下，则可将挖掘机与控制木杆设置成抵压式控制状，而可以根据水中沙重量直接计算控制时间，此时仅用挖掘机将控制木杆抵压反制在堤头位置固定即可，当连续充沙达到8~10分钟后，缓慢放松控制木杆置其前移，使管袋入水即可实现管袋的水中定位。
五.工程施工应用
1.常规施工时土工管袋与输沙管管口的朝向、位置。
土工管袋根据其尺寸大小分别设置2~3个管袋口，均设置在管袋一侧的左(中)右中央，由于反制牵引法所阐述的是一种一次翻滚(<180度)的充沙方法，故在进行输沙管与土工管袋的连接时必须将输沙管路置于土工管袋的下部(管口自下而上)，当土工管袋缓缓下沉时，输沙管也随着土工管袋缓缓下降;当反制牵引释放时，由于土工管袋沿坡面的下滑和扩张，整个土工管袋出现翻滚直至平摊在海床上，此时输沙管也随之跟进，形成管路在管袋上方(管口自上而下)，完成后期供沙。而当进行单根管路充沙时，考虑土工管袋的最终形态与水流冲击方向和土工管袋可能出现的漂移方向，应选择性的将管口绑扎在土工管袋的左侧或右侧，以实现控制土工管袋在防波堤堤心轮廓范围之内。
特殊情况下，如用于堤顶找平，凹坑修补等部位的充沙作业，则采取多点多部位固定土工管袋施工，并以固定轮廓状态进行土工管袋的充沙施工。采用管路直接和管袋口上方进行连接，从初始开始直至完成充沙施工。
2.土工管袋口与输沙管路的连接和拆除。
土工管袋的连接和拆除，不仅仅要考虑管口与输沙管路要连接牢固，不至于被海浪冲刷脱落，同时要考虑管袋充沙完成后的管路拆除和后期土工管袋口的封闭。在早期的施工过程中，由于采用了传统的“先绑扎紧固，后拆绳封闭”这样一种原始的连接固定方法，使得许多土工管袋在完成充沙作业后面临无法处置的囧境：土工管袋口没于水下，管路和土工管袋口的具体位置无法确定，或即使看到土工管带口位置，又由于风浪巨大而无法进行管袋口固定绳索的割除;或即便割除绳索将管路回收后，又由于堤头水流已呈紊流状，巨大的海浪冲击着堤头，即使是潜水工也不敢下水进行作业，为解决这个问题，分包商和总分包商甚至动用巨型起重机悬挂作业人员悬于水面进行施工，同样因严重的作业人员安全风险而最终放弃，不得已往往将数米甚至数十米的管路割断，造成巨大浪费，或屡屡出现管路回收后管袋口的封闭无法实现而造成已完成的填沙成果最终被海浪掏空，而导致管袋被海浪冲刷撕破造成巨大的浪费。因此早期的管路回收和管袋口的封闭，一直是被作为土工管袋施工的最大难点之一。
3.中水的施工管理人员针对上述难题，经过反复摸索和试验，推出了极具创意和安全效果的“钢索立杆交叉绑扎充沙前期固定，抽索松绳胶带预扎实现后期封闭”独特施工技术手段，简称“钢索胶带预张紧法”，将原先需要进行一连串海上高风险高难度的“割绳拆解、管路回收、管口封闭”的难点问题，通过新技术新方法在堤顶(陆域)全部实现，化解了土工管袋充填施工制约安全、进度、材料等多方面的不利因素，实现了质的飞跃。
“钢索胶带预张紧法”是采用一根直径为17mm左右的钢丝索作为管袋口绑扎固定的立杆，绳索端部采用乙炔退火固化处理，需保持圆滑。管口绑扎前，先将钢丝索竖向置于管袋口旁，钢丝索外露距离不小于1米，采用白棕绳索(直径8mm)以钢丝索为立杆交叉环绕土工管袋与管路口的固定，当交叉环绕8~10圈后，将白棕绳与钢索立杆单侧的全部绳索聚拢后再进行扎紧，使管路与管袋口的连接达到十分牢固的连接状态，完成绑扎后，再将丁烯橡胶条(绳)以极限拉伸的状态(人工最大限度)将管袋口底端预先绑扎(丁烯橡胶条初始应穿透管袋口局部2到3点，以避免后期胶条与土工管袋发生脱离)。当土工管袋充沙完成后，抽出钢丝索使绑扎的白棕绳首先松弛，随后拔出输沙管路，当管路与管袋口脱离的瞬间，橡胶条形成强力收缩，从而实现管袋口的扎紧。由于丁烯橡胶具有抗腐蚀、耐酸碱的作用，且收缩力强，是海洋工程管袋口封闭扎紧的极佳用材。
“钢索胶带预张紧法”解决了在大风浪条件下尤其是深水条件下(3米以上水深)的土工管袋与管路的拆除和管袋口封闭工作的难题，使得土工管袋施工变得更加简便易行，更由于以上工作全部在堤顶(陆域)即可完成，克服了以往原始方式中进行管路绑扎、拆除、扎紧等施工中存在的种种弊端，彻底解决了人身施工安全问题，同时也大大加快了作业速度，仅仅从完成充沙工作后的管路拆除到管口封闭时间，从过去的往往数小时甚至更长的时间(等待风浪变小)变为仅需要5分钟即可完成上述的全部工作。而钢丝索作为管袋口固定立杆的采用，不仅能够在管袋口处于不同方向位置的情况下，由于其良好的柔性效果，使得在多角度情况下均可安全便捷的抽离管袋口，实现分离管路和管袋口的作用。该方法应用实践的成功，为未来推动土工管袋在恶劣水域及海况条件下的海洋工程施工起到了十分积极的作用。
4.土工管袋水下充沙施工充盈度的掌握
进入到深水区域的充沙工作，由于充沙时不断有细粉沙溢出，水体呈浑浊状态，无论风浪大小，已无能见度可言。由于土工管袋的最高充盈状态高度仅为2.5米，故当水深大于3米时，整个土工管袋在水中的状态就无法用肉眼观察。由于砂泵对土工管袋单位时间内的供沙量比例的多少是随着所处范围存沙量的变化而发生变化，并非是一个定值。每个土工管袋完成充沙所需的时间也是一个变值，因此，难以对土工管袋的实际充盈度进行精确判断。在充填的过程中含沙率不高时，若在经验时间内停止充沙，则充盈度不能满足要求，由此造成土工管袋材料的浪费，劳动作业量的增加，并影响了防波堤施工进度。但若在充填的过程中含沙率较高时，则有可能在经验时间内造成土工管袋内部充沙过量导致爆袋，使得全部工作过程回到原点，同样造成各种浪费。故从而对土工管袋的充沙时间和充盈状态必须采用更为科学合理的方法进行控制。
根据现场遇到的实际情况，我们提出了以单位时间内测试充沙管路水沙量比例与充沙时间相结合的检测办法，将不同水沙比例状态下的土工管袋进沙量进行预先计算并制成表格(见表5.1)，现场则安排专职检查记录人员，每隔固定的时间以量杯测检该时段的沙量比例，对应提供有具体数据的各比例沙量值进行确定，并根据时间的延续将累积量及时计算出以提供给前方作为施工参考，当理论计算值达到或接近对应尺寸的土工管袋容积量时，可以及时做出停止充沙的指令，并拆除管路将其投入下一个土工管袋的施工循环。采用现场测试、计算和记录的方法，不仅可以较好的保证每一个土工管袋的充盈度满足要求，也为工程的规范科学施工提供了理论依据。经过实践检验，采用该方法的施工，本项目的实际土工管袋使用量与设计使用量的误差较小，其误差比例未超过5%。
5.土工管袋充填施工的平行作业
当有条件在堤头设置三通阀门组时，可视堤头情况实施双管双路的管袋平行施工，但需考虑双管路之间的干扰和管袋之间的叠压，除去这些因素，实施双管施工是加快施工进度提高工效的好办法。
六. 结束语
通过在工程中的大胆实践，证明了在大风浪区用土工管袋材料进行防波堤堤心填筑施工是切实可行和有巨大优势的，根据我们本身所处的工程项目的特殊性，巧妙地利用了价值较低的海沙资源作为防波堤的堤心结构，恰恰克服了印度尼西亚亚齐地区块石材料价格高昂、施工风险较高的缺点，最终大大节约了整个码头项目的工程造价。
从土工管袋充沙的准备工作开始到充沙工作的结束，整个施工过程中还有许多值得探讨和研究的施工技术命题，而“反制牵引法”和“钢索胶带预张紧法”则是本文所要阐述的土工管袋施工技术的精髓所在，运用简单的力学原理对土工管袋的运动状态进行有效地牵引控制后即可实现土工管袋入水后的准确定位，而管口的朝向、管口的连接和管口拆除后的自动封闭等施工技术均是现场工程技术人员集思广益后的智慧结晶，往往是这些关键的施工细节决定了土工管袋堤心填筑施工的成败。
防波堤土工管袋堤心填筑施工也存在着许多自身的不足和需待进一步改进的地方，如土工管袋的接缝处往往是比较薄弱的部位，也是最容易出现爆裂的部位，这就需要在土工管袋的制造技术上进行加强和改进;虽然利用“反制牵引法”能够基本保证土工管袋定位准确，但由于在机械牵引控制和释放反制力时机掌握上严格要求，土工管袋跑出堤心断面的情况时有发生，这就需要对现场的土工管袋施工水平操作上提出了更高的要求。
作为防波堤施工的配套技术，通过与工程实际相结合，我们有幸地能够将土工管袋堤心填筑技术推到一种理论化、规范化的高度，为今后的防波堤土工管袋应用领域提供了一个新思路和新方向。由于研究方法和水平所限，本文多以通俗、经验化的语言对这种技术内同和基本理论进行简单地阐述，其中不免有许多不足之处，还请各个领域的工程技术朋友提出宝贵的建议。
参考文献：
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[2] Tianjin Research Institute for Water Transportation Engineering: Final Report of Wave Numerical Model Study, Meteorology and Hydro-oceanography Survey and 2D Tidal Current and Cooling Water Draining Model for PLTU NAGAN RAYA, NAD (2×110MW) CFPP, Indonesia. 2009, 10.
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