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構成的防波堤，它通過對土工管袋進行海沙充填后，將成型的土工管袋通過施工機械定位于堤心輪廓內，使其構成防波堤堤心主要結構的一種防波堤，防波堤堤心土工管袋施工技術是隨之產生的一項新的配套施工技術。采用土工管袋進行防波堤施工是對土工管袋材料又一次新的大膽嘗試和實踐應用。眾所周知，土工管袋材料具有韌性高，強度大，穩定性好，濾透性好的特點，與堤心填石結構的防波堤相比，通過將原本價值較低、資源豐富的海沙充入土工管袋形成堤心結構，不僅大大節省了防波堤施工成本，同時也更好地利用了環境資源，并且能夠很好地滿足防波堤施工和功能要求。為實現防波堤土工管袋施工技術的科學化、理論化和高效化，通過對當地海洋潮汐和大風浪條件的長期觀察和研究，基本掌握了可能對防波堤施工不利的各種海況條件。經過初期的物理模型試驗和中后期的施工經驗總結，使用了在土工管袋充沙定位的初期附加反制力并進行牽引控制的辦法，即可實現土工管袋水下的準確定位，并將這施工技術稱之為 “反制牽引法”土工管袋施工技術。

　　關鍵詞：大風浪,防波堤,土工管袋(Geotube),施工應用

　　一、引言

　　為了滿足印度尼西亞爪哇島地區工業和居民用電的需求，印尼國家電力公司【PLN(Persero)】計劃建造一座2×110MW的燃煤火力發電廠PLTU NAD，該電廠位于北蘇門答臘西海岸Nagan Nangroe Aceh Darussalam省Nagan Raya區Kuala鄉Suak Puntong村，在Nangroe Aceh Darussalam省會Banda Aceh東南約175 km。地理坐標位于北緯 和東經 處。

　　電廠用煤主要以海運的方式通過碼頭平臺上的2臺MQ1638型抓斗式門座式起重機進行卸煤作業，并通過碼頭至主廠區的帶式傳輸機將煤炭運輸至儲煤區和主廠區。為保證12000噸位的大型運煤船舶能夠安全進港停靠，完成運煤和卸煤的任務，還應完成兩條防波堤的施工。

　　防波堤作為常規的水工構筑物，在海港工程中承擔著至關重要的作用。一方面，它能夠防御波浪的襲擊，保證港池內水域相對平穩，為船舶提供了平穩、安全停泊和作業的良好條件;另一方面，它還能夠攔截挾沙水流，改變泥沙淤積部位，減輕港池內的泥沙淤積，從而保證港池和航道水深。

　　本項目所處海域為印度洋常態大風浪區域，這給我們的防波堤工程施工造成了很大的困難。經過項目專家組們的前期探索和模型試驗，到后來的工程實踐應用，我們創造性地提出了一種全新的防波堤結構形式和一種獨創的施工技術，本文將對此進行詳細地探討和解析。

　　二、潮汐和風浪條件

　　1. 潮汐條件

　　根據對潮汐變化的測量資料分析可知，本海域的潮汐類型屬混合型(半日潮汐)，漲潮持續時間要比退潮持續時間長。漲潮方向為西北向(NW)，落潮方向為東南向(SE)。潮流速度并不高，最大漲潮流速為0.41m/s，平均流速小于0.22m/s;最大退潮流速為0.26m/s，平均流速小于0.20m/s。

　　2. 風速條件

　　根據2005年至2008年四年間Nagan Raya氣象站的每月測量資料顯示，常年頻繁風向為西風。根據1982年至2007年26年間每年最大風速測量資料顯示，50年一遇的最大風速達到了27.26m/s(風玫瑰圖請見圖2.1)。

　　3. 波浪條件

　　經過對工程海岸線波浪的觀察和研究，我們可知：波高變化范圍為0.16米~2.61米，波長周期變化范圍為4.55s~7.66s。波向為 ，頻率較高的波向為西南西方向，比率為29.2%;最強波向為西北西方向，有0.6%的幾率波高大于2.0m。每年5月至7月期間，最高的波高可達到5米，每個月的持續期為兩個星期。工程所在地的波浪強度較大，對施工不利。

　　三、防波堤設計斷面結構形式

　　本項目防波堤設計單位由印度尼西亞設計院PT.ATRYA公司設計，由東(320米)西(670米)兩條防波堤組成碼頭港池與航道范圍，其斷面結構形式為:

　　1. 防波堤堤心采用了海沙充填的土工管袋(GEOTUBE，高韌聚丙烯土工管袋)，土工管袋設計尺寸(長×寬×高)為10m×5m×2.5m、15m×5m×2.5m、25m×5m×2.5m三種規格，最小充填方量為125.00m3/只，最大充填方量為312.51m3/只。

　　2. 采用小塊石進行對最終成型后的土工管袋進行初步地外圍包裹。

　　3. 大塊石理坡形成的外殼。

　　4. 扭十字混凝土預制塊體(重量為4噸和10噸兩種規格)進行護面保護。

　　5. 堤頂礫石路面。

　　四、工程施工應用

　　1. 防波堤布置與海域風浪方向的平面接觸關系及先期施工狀態。

　　1.1 本工程防波堤與常態風浪走向的平面接觸關系

　　1.2 先期施工狀態

　　印尼亞齊火電項目工程由中水集團承攬的EPC建設項目，其中提供電廠燃煤運輸及儲存的碼頭項目工程總承包商及分包商均為印度尼西亞國內公司，工程初始由印尼分包商完成陸域堤根處土工管袋的充填，隨即進入海域(防波堤堤心)填筑。分包商采用巨型鋼管架(4.5噸~8.3噸)入海控制土工管袋的方法進行充填施工，但由于本海域風浪巨大，重達數噸的鋼管管架無法在水中定位且不斷被海浪打折打斷，造成了土工管袋的損失，最終分包商因無能力持續作業而退場，而碼頭總承包商則采用與分包商相似的辦法自行組織施工，卻遭遇了同樣境遇，最終造成了防波堤施工的停滯不前。

　　2. 施工技術方案的推出及理論的支持。

　　2.1 施工技術方案推出的背景

　　針對上述情況，中水集團印尼項目部建立攻關小組，首先查閱國內外土工管袋施工實例，發現土工管袋應用在國內外工程建設中雖已有多年，也有一些工程應用的實例，但施工的環境條件均處于相對穩定的陸域與水(海)域交界的地帶，如岸基護坡、流域枯水期圍堰或大堤、相對靜水狀態或潮差較大且隨季節變化而引起的海浪變化較大的海塘等工程，而利用土工管袋在常年常態條件下的潮差變化較小且大風浪(2米以上)甚至巨浪區(3米以上)海域采用土工管袋進行防波堤堤心填筑施工尚無實例可鑒。作者根據國內防波堤施工經驗及針對本海域風浪的特性，并結合土工管袋的物理特性，經過物理模型試驗，推出了“反制牽引法”對土工管袋進行堤心充填的施工技術方案。我們首先從力學的角度對該方案展開分析和計算，得到滿足土工管袋強度條件下進行施工的基本理論支持，并通過實踐應用取得了較為理想的成果。

　　2.2 采用“反制牽引法”的基本原理及力學分析。

　　鑒于土工管袋入海后需進行防波堤堤心輪廓控制，而以往通過巨型鋼管架進行的輪廓控制法不能滿足此海域管袋的早期穩定，將很可能出現由于鋼管架打折斷裂而引起土工管袋被風浪撕扯破壞或產生漂移的狀況。而我們推出的“反制牽引法”則是采取“早期管袋不入海，牽引反制即充填，管袋隨量漸下沉，滿足穩定且翻滾”的原則，一改早期將土工管袋完全置于海浪當中的方式，而是僅將土工管袋邊緣一端觸于海面或懸于海面之上，利用綁扎在土工管袋另一側邊緣的較粗大桿件并采用鋼絲繩與反鏟挖掘機相連，土工管袋固定并完成逆向牽引后，即開始進行土工管袋充沙作業。隨著土工管袋內水沙量的逐漸增加，挖掘機以反制的方法同步地將土工管袋進行緩慢下沉，以便充分利用海水的浮力減輕土工管袋對反鏟挖掘機的拉扯力。當反制到管袋內有足夠水沙量且土工管袋沉底后沙重量(除去浮力)已能夠抵御巨浪的沖刷而不至于產生漂移后，隨即解除挖掘機對管袋的牽引，此時管袋呈完全自由翻滾的姿態迅速沉至海底，由此實現了土工管袋的準確定位。

　　以土工管袋為受力分析對象，對上述原理進行理論分析。當防波堤堤頭坡角呈30度時，土工管袋處于半懸半鋪于防波堤堤頭和表面的狀態。當開始充沙時，土工管袋開始沿底邊均勻布沙，反制牽引則采用PC200型反鏟挖掘機提供反制力，反鏟挖掘機自重18噸，將挖斗置于防波堤表面，控制牽引鋼絲繩后呈水平狀，因此，該方向受力為水平受力。整個土工管袋初期受力如圖3.5所示。

　　根據受力分析可知，土工管袋負重產生的下滑趨勢的重力分量為土工管袋含水沙狀態下全部重力的50%，即F下=1/2·W，而土工管袋下滑力應保證控制在與反鏟挖掘機的反制力(也即挖掘機摩擦力)相平衡，以保證反鏟挖掘機自身的安全，當測算臨近平衡狀態時，挖掘機即要將土工管袋緩慢的置入水中，利用水的浮力作用降低土工管袋下滑力的增加，當土工管袋擴張區全部進入水體后，通過計算得出海沙在去除水體浮力后的最大重量與挖掘機摩擦力相平衡時，此時可將挖掘機反制力卸除。針對這個過程，我們通過以下計算，得到相應的結論：

　　(一)、兩臺砂泵額定值各為250m3/h的水沙混合量，最大水沙混合比為56%，平輸距離約500m，揚程20m。按有效率80%計，實際輸送量為400m3/h。根據現場實際供沙情況，在通常施工條件下，砂泵輸送含沙比例通常在5%~30%范圍內，則可以計算出每分鐘供沙量為1.67m3~10.02m3，故以上述計算值可以獲得土工管袋在給定的供沙比例時所需要控制管袋的最小時間，如當充沙量為15%時，每分鐘充沙約5m3，每立方沙比重為1.35噸，則每分鐘為6.75噸，故土工管袋因在小于3分鐘的時間內及時將管袋緩慢落入水中(實際施工時是即充即落)，當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時間內則下降為1.75噸，根據防波堤最大單體混凝土塊體重量為10噸可基本保證在常態海況下的穩定，我們將土工管袋最小重量也按10噸進行控制，則應增加5~6分鐘的再充沙時間方可達到管袋內凈重量不小于10噸，如此，整個充沙反制牽引控制時間應在8~10分鐘(加上之前的3分鐘)即可卸除控制，另根據需要采用繩索將土工管袋的幾個部位點再做控制以防止海浪將土工管袋沖至堤心斷面之外，直至最終完成土工管袋的水中準確定位。

　　(二)、若土工管袋在擺放初始底部已經抵觸水面之下，則可將挖掘機與控制木桿設置成抵壓式控制狀，而可以根據水中沙重量直接計算控制時間，此時僅用挖掘機將控制木桿抵壓反制在堤頭位置固定即可，當連續充沙達到8~10分鐘后，緩慢放松控制木桿置其前移，使管袋入水即可實現管袋的水中定位。

　　五.工程施工應用

　　1.常規施工時土工管袋與輸沙管管口的朝向、位置。

　　土工管袋根據其尺寸大小分別設置2~3個管袋口，均設置在管袋一側的左(中)右中央，由于反制牽引法所闡述的是一種一次翻滾(<180度)的充沙方法，故在進行輸沙管與土工管袋的連接時必須將輸沙管路置于土工管袋的下部(管口自下而上)，當土工管袋緩緩下沉時，輸沙管也隨著土工管袋緩緩下降;當反制牽引釋放時，由于土工管袋沿坡面的下滑和擴張，整個土工管袋出現翻滾直至平攤在海床上，此時輸沙管也隨之跟進，形成管路在管袋上方(管口自上而下)，完成后期供沙。而當進行單根管路充沙時，考慮土工管袋的最終形態與水流沖擊方向和土工管袋可能出現的漂移方向，應選擇性的將管口綁扎在土工管袋的左側或右側，以實現控制土工管袋在防波堤堤心輪廓范圍之內。

　　特殊情況下，如用于堤頂找平，凹坑修補等部位的充沙作業，則采取多點多部位固定土工管袋施工，并以固定輪廓狀態進行土工管袋的充沙施工。采用管路直接和管袋口上方進行連接，從初始開始直至完成充沙施工。

　　2.土工管袋口與輸沙管路的連接和拆除。

　　土工管袋的連接和拆除，不僅僅要考慮管口與輸沙管路要連接牢固，不至于被海浪沖刷脫落，同時要考慮管袋充沙完成后的管路拆除和后期土工管袋口的封閉。在早期的施工過程中，由于采用了傳統的“先綁扎緊固，后拆繩封閉”這樣一種原始的連接固定方法，使得許多土工管袋在完成充沙作業后面臨無法處置的囧境：土工管袋口沒于水下，管路和土工管袋口的具體位置無法確定，或即使看到土工管帶口位置，又由于風浪巨大而無法進行管袋口固定繩索的割除;或即便割除繩索將管路回收后，又由于堤頭水流已呈紊流狀，巨大的海浪沖擊著堤頭，即使是潛水工也不敢下水進行作業，為解決這個問題，分包商和總分包商甚至動用巨型起重機懸掛作業人員懸于水面進行施工，同樣因嚴重的作業人員安全風險而最終放棄，不得已往往將數米甚至數十米的管路割斷，造成巨大浪費，或屢屢出現管路回收后管袋口的封閉無法實現而造成已完成的填沙成果最終被海浪掏空，而導致管袋被海浪沖刷撕破造成巨大的浪費。因此早期的管路回收和管袋口的封閉，一直是被作為土工管袋施工的最大難點之一。

　　3.中水的施工管理人員針對上述難題，經過反復摸索和試驗，推出了極具創意和安全效果的“鋼索立桿交叉綁扎充沙前期固定，抽索松繩膠帶預扎實現后期封閉”獨特施工技術手段，簡稱“鋼索膠帶預張緊法”，將原先需要進行一連串海上高風險高難度的“割繩拆解、管路回收、管口封閉”的難點問題，通過新技術新方法在堤頂(陸域)全部實現，化解了土工管袋充填施工制約安全、進度、材料等多方面的不利因素，實現了質的飛躍。

　　“鋼索膠帶預張緊法”是采用一根直徑為17mm左右的鋼絲索作為管袋口綁扎固定的立桿，繩索端部采用乙炔退火固化處理，需保持圓滑。管口綁扎前，先將鋼絲索豎向置于管袋口旁，鋼絲索外露距離不小于1米，采用白棕繩索(直徑8mm)以鋼絲索為立桿交叉環繞土工管袋與管路口的固定，當交叉環繞8~10圈后，將白棕繩與鋼索立桿單側的全部繩索聚攏后再進行扎緊，使管路與管袋口的連接達到十分牢固的連接狀態，完成綁扎后，再將丁烯橡膠條(繩)以極限拉伸的狀態(人工最大限度)將管袋口底端預先綁扎(丁烯橡膠條初始應穿透管袋口局部2到3點，以避免后期膠條與土工管袋發生脫離)。當土工管袋充沙完成后，抽出鋼絲索使綁扎的白棕繩首先松弛，隨后拔出輸沙管路，當管路與管袋口脫離的瞬間，橡膠條形成強力收縮，從而實現管袋口的扎緊。由于丁烯橡膠具有抗腐蝕、耐酸堿的作用，且收縮力強，是海洋工程管袋口封閉扎緊的極佳用材。

　　“鋼索膠帶預張緊法”解決了在大風浪條件下尤其是深水條件下(3米以上水深)的土工管袋與管路的拆除和管袋口封閉工作的難題，使得土工管袋施工變得更加簡便易行，更由于以上工作全部在堤頂(陸域)即可完成，克服了以往原始方式中進行管路綁扎、拆除、扎緊等施工中存在的種種弊端，徹底解決了人身施工安全問題，同時也大大加快了作業速度，僅僅從完成充沙工作后的管路拆除到管口封閉時間，從過去的往往數小時甚至更長的時間(等待風浪變小)變為僅需要5分鐘即可完成上述的全部工作。而鋼絲索作為管袋口固定立桿的采用，不僅能夠在管袋口處于不同方向位置的情況下，由于其良好的柔性效果，使得在多角度情況下均可安全便捷的抽離管袋口，實現分離管路和管袋口的作用。該方法應用實踐的成功，為未來推動土工管袋在惡劣水域及海況條件下的海洋工程施工起到了十分積極的作用。

　　4.土工管袋水下充沙施工充盈度的掌握

　　進入到深水區域的充沙工作，由于充沙時不斷有細粉沙溢出，水體呈渾濁狀態，無論風浪大小，已無能見度可言。由于土工管袋的最高充盈狀態高度僅為2.5米，故當水深大于3米時，整個土工管袋在水中的狀態就無法用肉眼觀察。由于砂泵對土工管袋單位時間內的供沙量比例的多少是隨著所處范圍存沙量的變化而發生變化，并非是一個定值。每個土工管袋完成充沙所需的時間也是一個變值，因此，難以對土工管袋的實際充盈度進行精確判斷。在充填的過程中含沙率不高時，若在經驗時間內停止充沙，則充盈度不能滿足要求，由此造成土工管袋材料的浪費，勞動作業量的增加，并影響了防波堤施工進度。但若在充填的過程中含沙率較高時，則有可能在經驗時間內造成土工管袋內部充沙過量導致爆袋，使得全部工作過程回到原點，同樣造成各種浪費。故從而對土工管袋的充沙時間和充盈狀態必須采用更為科學合理的方法進行控制。

　　根據現場遇到的實際情況，我們提出了以單位時間內測試充沙管路水沙量比例與充沙時間相結合的檢測辦法，將不同水沙比例狀態下的土工管袋進沙量進行預先計算并制成表格(見表5.1)，現場則安排專職檢查記錄人員，每隔固定的時間以量杯測檢該時段的沙量比例，對應提供有具體數據的各比例沙量值進行確定，并根據時間的延續將累積量及時計算出以提供給前方作為施工參考，當理論計算值達到或接近對應尺寸的土工管袋容積量時，可以及時做出停止充沙的指令，并拆除管路將其投入下一個土工管袋的施工循環。采用現場測試、計算和記錄的方法，不僅可以較好的保證每一個土工管袋的充盈度滿足要求，也為工程的規范科學施工提供了理論依據。經過實踐檢驗，采用該方法的施工，本項目的實際土工管袋使用量與設計使用量的誤差較小，其誤差比例未超過5%。

　　5.土工管袋充填施工的平行作業

　　當有條件在堤頭設置三通閥門組時，可視堤頭情況實施雙管雙路的管袋平行施工，但需考慮雙管路之間的干擾和管袋之間的疊壓，除去這些因素，實施雙管施工是加快施工進度提高工效的好辦法。

　　六. 結束語

　　通過在工程中的大膽實踐，證明了在大風浪區用土工管袋材料進行防波堤堤心填筑施工是切實可行和有巨大優勢的，根據我們本身所處的工程項目的特殊性，巧妙地利用了價值較低的海沙資源作為防波堤的堤心結構，恰恰克服了印度尼西亞亞齊地區塊石材料價格高昂、施工風險較高的缺點，最終大大節約了整個碼頭項目的工程造價。

　　從土工管袋充沙的準備工作開始到充沙工作的結束，整個施工過程中還有許多值得探討和研究的施工技術命題，而“反制牽引法”和“鋼索膠帶預張緊法”則是本文所要闡述的土工管袋施工技術的精髓所在，運用簡單的力學原理對土工管袋的運動狀態進行有效地牽引控制后即可實現土工管袋入水后的準確定位，而管口的朝向、管口的連接和管口拆除后的自動封閉等施工技術均是現場工程技術人員集思廣益后的智慧結晶，往往是這些關鍵的施工細節決定了土工管袋堤心填筑施工的成敗。

　　防波堤土工管袋堤心填筑施工也存在著許多自身的不足和需待進一步改進的地方，如土工管袋的接縫處往往是比較薄弱的部位，也是最容易出現爆裂的部位，這就需要在土工管袋的制造技術上進行加強和改進;雖然利用“反制牽引法”能夠基本保證土工管袋定位準確，但由于在機械牽引控制和釋放反制力時機掌握上嚴格要求，土工管袋跑出堤心斷面的情況時有發生，這就需要對現場的土工管袋施工水平操作上提出了更高的要求。

　　作為防波堤施工的配套技術，通過與工程實際相結合，我們有幸地能夠將土工管袋堤心填筑技術推到一種理論化、規范化的高度，為今后的防波堤土工管袋應用領域提供了一個新思路和新方向。由于研究方法和水平所限，本文多以通俗、經驗化的語言對這種技術內同和基本理論進行簡單地闡述，其中不免有許多不足之處，還請各個領域的工程技術朋友提出寶貴的建議。

　　參考文獻：

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