蔣昭鑣，江禮凡，江禮茂，王 健

（1.寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波315211；2.寧波科寧爆炸技術工程有限公司，浙江 寧波315040）

斜坡海涂上修建海堤的爆炸擠淤施工技術

蔣昭鑣1，江禮凡2，江禮茂2，王 健2

（1.寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波315211；2.寧波科寧爆炸技術工程有限公司，浙江 寧波315040）

采用爆炸擠淤置換法在較陡的斜坡海涂上修筑海堤，因堤身內外側涂面高差大，施工過程中拋填堤身容易滑塌。最初在浙江舟山某海堤工程中遇到了這個難題。通過對堤身穩(wěn)定性的計算分析，將堤身拋填方法調整為“內側突前、外側遲后”，炸藥布置側重于內側。既保證了施工期拋填堤身的穩(wěn)定，又使得爆炸處理后形成的堤身斷面滿足設計要求。此后該方法又在多條類似海堤的施工中得到成功的應用，由此總結出了在斜坡海涂上修建海堤的爆炸擠淤技術，并申報了發(fā)明專利（201510908384.1）。

斜坡海涂；海堤；爆炸擠淤；拋填

1 工程背景

爆炸擠淤是在軟基上修建堤壩的一種施工技術，在我國最初是由中科院力學研究所等四家單位于1980年代中期共同研發(fā)，并申請了專利“爆炸排淤填石法”，逐步在沿海圍墾和港口工程中得到推廣應用。多年來，爆炸擠淤技術逐步突破原專利“爆炸排淤填石法”的技術要求和限制條件，對擠淤的機理有了新的認識。

“控制加載爆炸擠淤置換法”﹝1﹞與“爆炸排淤填石法”的區(qū)別主要包含兩方面：首先是拋填的工藝，要求堤頭拋寬，使泥下最寬部位基本達到設計斷面的寬度，爆炸后加高的堤身逐步收窄，在爆炸有效影響范圍以外，堤頂寬度能滿足工程機械運行即可，但不小于設計寬度。它強調拋石的自重擠淤作用，所以在堤頭爆炸前還要求臨時加高堤頭。其次，該技術不強求爆炸后能排開很大范圍的淤泥，更主要的是降低堤頭周邊軟土的強度，同時給予拋石堤身強大的振動能量，促使其擠淤下沉。

控制加載爆炸擠淤置換法已在我國沿海數十項海堤工程中得到成功應用﹝2-3﹞，有多條海堤的擠淤厚度超過了30 m。該技術的關鍵工序是：堤頭拋填，埋藥爆炸使堤身下沉，在下沉的堤身上加拋，再堤頭拋填推進，再埋藥爆炸使堤身下沉，如此循環(huán)進行，在堤身延長到一定長度，根據需要在兩側埋藥爆炸，補拋石料并整理成堤心設計斷面，再進行護面和堤頂施工，直至成堤（見圖1～圖2）。

圖1 堤頂、堤頭平面示意圖Fig.1 Schematic plan of top and head of seawall

圖2 堤頭爆填縱斷面示意圖Fig.2 Schematic vertical section of head of seawall blast filling

近年來，由于工程需要，有些海堤需要選址在較陡的斜坡海涂上﹝4﹞，或離航道、水下深溝較近的部位，這給海堤的設計和施工增加了很大的難度，主要是施工期堤身極易滑塌。這種條件下堤身設計斷面與一般的平坦涂面的堤身斷面有較大的不同，而工程成敗的關鍵則在于施工過程，如仍采用常規(guī)爆填施工方法，施工過程中堤身發(fā)生滑塌的可能性較大。于2007年在浙江舟山遇到了這個難題。

2 工程實例

浙江省岱山縣江南山圍墾工程﹝5﹞，位于岱山縣高亭鎮(zhèn)東南側的江南山島，與高亭鎮(zhèn)隔海相望。該圍墾工程海塘圍堤由1～5號堤五段組成，分別將江南山、猴山、城干泥、蕎麥格子山、和尚蟹山等5個島嶼通過海塘連接起來。需爆炸處理軟基的海堤有：2#堤，長度為874.73 m；3#堤，長度為516.34 m；4#堤，長度為1 249.73 m。

2.1 工程的水文、潮汐情況

該工程海域屬非正規(guī)半日淺海潮性質，潮汐作用明顯，陸域地表水受潮汐作用影響較強。海域水文測驗資料表明，漲潮最大流速1.7～1.9 m/s，落潮最大流速1.5～2.0 m/s。

歷年最高潮位3.08 m，平均高潮位1.14 m，平均低潮位-0.80 m，平均潮位0.22 m，最大漲潮差3.75 m，最小漲潮差0.06 m，平均漲潮潮差1.95 m；落潮最大潮差3.21 m，最小潮差0.37 m，平均落潮潮差1.95 m；漲潮平均歷時5 h 52 min，落潮平均歷時6 h 33 min。

2.2 地形與工程地質條件

該工程區(qū)處于近岸淺水灘涂區(qū)，地勢略有起伏，向海域方向傾斜。原始涂面內外高差3～9 m。

該地區(qū)按其成因及力學強度不同可分為5個工程地質層及若干亞層：

第①層：淤泥質粉質粘土?；疑?，流塑，飽和，干強度中等，高壓縮性，中等韌性，稍有光澤。質較均，偶夾極薄粉土，底部含粉量較大。偶見貝殼碎屑，層理不明顯。厚層狀構造，全址分布。典型斷面軸線處涂面高程-9.0 m，層厚15.20 m。

第②-1層：粘土?；揖G色，軟塑，飽和，干強度高，高壓縮性，高韌性，切面光滑。略呈鱗片狀，片間夾少量粉土，含腐植質，偶有鐵錳質結核。典型斷面軸線處層厚4.00 m。

第②-2層：粉質粘土?；尹S色，可塑，飽和，干強度中等，中等壓縮性，中等韌性，稍有光澤。質較均，含鐵錳質結核，偶夾少量礫砂。

第③層：礫砂。

第④層：粉質粘土混礫砂、碎石。

第⑤-1層：全風化凝灰?guī)r。

設計以第②-2層（粉質粘土）為持力層。各土層物理力學性質指標建議值如表1所示。

堤身的典型設計斷面及爆炸處理后的實測斷面如圖3所示。

2.3 爆炸設計和施工

施工初期，對斜坡海涂沒有引起足夠的重視，采用控制加載爆炸擠淤置換法，仍按常規(guī)方法設計和施工。以3#堤為例，具體堤身拋填和爆炸參數根據堤身斷面和地形地質等情況分別設計，見表2和表3。

表1 各土層物理力學性質指標建議值Table 1 Recommended value of physical and mechanical properties indicators of various soils

表2 3#堤拋填參數Table 2 Cast filling parameters of 3#seawall

表3 3#堤堤頭爆炸參數Table 3 Explosion parameters of 3#head of seawall

堤身推進過程中，堤頭是平齊的，堤頭前方和內外側的藥包布置仍是均勻的（見圖1）。當堤身推進數十米后，在一次大潮的低潮時，堤身向外海側滑塌。此前內側淤泥包隆起較高，而外側淤泥包大量的被潮流沖刷走，部分堤段淤泥面甚至遠低于原涂面。其中一處斷面實測的外側泥面降至-25.4 m，比內側泥面＋1.1 m低了26.5 m（見圖3）。另一個促使堤身滑塌的原因是，拋填堤身的土石方含泥量偏高，在高潮位浸泡下，堤身整體強度降低。上述是海堤滑塌的直觀原因，而根本原因是拋填堤身的穩(wěn)定性問題。

3 穩(wěn)定性分析

在海涂上拋填石料形成堤身，由于海涂的承載力不足，堤身會自然下沉，在一定的時間段內是一個動態(tài)的穩(wěn)定平衡過程。拋填過程堤身的自然沉降量與涂面以上堤身高度h關系密切，h大則自沉量大，因此在同一條堤上，涂面低則自沉量大，涂面高則自沉量小。當涂面內淺外深時，即在傾斜涂面上拋填的堤身，其外側沉降量會大于內側，所以堤身底面也會呈內高外低的斜面。

圖4是分別在平坦涂面和傾斜涂面上按控制加載爆炸擠淤置換法拋石形成的某部位堤身斷面。兩斷面泥下最大寬度相同，中部下沉量相近，但后者因內外側泥面高差8.5 m，故堤頂寬度減少約13 m（坡比按1∶1.5計），斷面形狀相差很大。

圖4 堤身斷面Fig.4 Seawall sections

一般地，若其他條件相同，斜坡涂面上堤身的穩(wěn)定系數低于平坦涂面。若軟土的指標均采用圖3的指標，通過堤身穩(wěn)定計算分析，前者的整體穩(wěn)定安全系數為0.98，而后者僅為0.60。

斜坡上這樣拋填的堤身，外側的壓載大于內側，若在堤頭布置同樣的藥包起爆，按“控制加載爆炸擠淤置換法”原理分析，每次堤頭爆炸處理后外側的下沉量都會大于內側，經歷多次堤頭爆炸影響后的堤身，其底面的傾斜程度將較大，這不符合設計要求，也很不利于堤身的穩(wěn)定。

由于水流、波浪的作用，因堤身下沉而擠出的淤泥包，在外側被沖刷得較內側嚴重，因此外側淤泥包低于內側。對于涂面向外傾斜的情況，海堤的存在使得外側的水流和波浪明顯大于內側，由于水流和波浪的劇烈作用，外側海涂面沖刷嚴重，外側海底地形陡峭程度加劇。與此同時，爆炸擠淤施工過程中擠出的淤泥包位于堤身外側部分原本對堤身起到反壓作用而增加穩(wěn)定性，但在陡峭地形條件及沖刷作用下淤泥包本身處于失穩(wěn)狀態(tài)，隨著它的逐步滑移或消散，客觀上造成了堤身外側反壓荷載的卸載，從而使堤身易于產生失穩(wěn)破壞。

4 技術改進

針對上述情況，根據控制加載爆炸擠淤置換法的原理，從兩個方面采取技術措施解決存在的問題。

4.1 拋填方案

對多數情況，堤身拋填石料載荷剛加上時不會導致軟基瞬時滑移，即滑移面完全形成是有一個時間過程，本技術要點之一是在拋填堤身滑移之前進行爆炸處理，使堤身盡快下沉，增大穩(wěn)定系數，保證堤身穩(wěn)定。因此根據設計斷面和地質資料，同時考慮到涂面的傾斜程度，確定拋填參數，堤頭拋填時堤身內側突前、外側遲后，如圖5所示。

圖5 斜坡海涂上堤頂、堤頭拋填平面示意圖Fig.5 Schematic plan of cast filling of top and head of seawall

這樣拋填有利于施工期堤身的穩(wěn)定性。在堤頭前端，見圖6（a）。由于堤身斷面狹窄，堤身厚度不大，內外側涂面高差不明顯，而且離外側泥面很深的部位較遠，雖然穩(wěn)定系數較低，但滑移面的形成會需要相對較長的時間，因此可以快速完成一個循環(huán)的拋填，而在滑移面形成前及時進行堤頭爆炸處理；越靠后斷面逐步加寬，內外側涂面高差也變大，但由于受到爆炸作用次數的增多而堤身達到的深度越大，斷面的穩(wěn)定性系數已經逐步增加，見圖6（b）；當堤身寬度達到設計要求時，堤底面也較接近設計深度，見圖6（c）；此后堤頂逐步收窄，在堤頭爆炸影響范圍外的部位，堤頂收窄到設計寬度，斷面接近于設計斷面，那么該處斷面應是穩(wěn)定的，見圖6（d）。

這樣拋填的根本目的是：在傾斜的軟基滑移前堤身盡量達到一定深度，同時將傾斜涂面高處的淤泥擠到低處，可以使這部分涂面臨時變緩，增加穩(wěn)定性；其次，可盡量檔住堤身內側土壓力對堤身外側的影響；還可使得堤身橫斷面的底面線接近水平。

這實際上是控制加載爆炸擠淤置換法的改進，關鍵在于堤頭拋填時“內側突前，外側遲后”，而非按原技術工藝的整齊推進，這可以用堤頭內外側的錯位長度L來控制。根據多條海堤的施工經驗總結，堤頭內外側的錯位長度L與涂面的坡率、軟土層的物理力學性質、外側淤泥包受沖刷程度、拋石堤身泥面上下的高度、石料質量、及拋填進度等有關，但不應大于堤頭爆炸對堤身沉降的最大影響距離。可以這樣確定L：

式中：D為堤身斷面泥下最大寬度；k1為涂面坡率；系數k2＝2～4，與軟土的物理力學性質、外側淤泥包受沖刷程度、拋石堤身泥面上下的高度、石料質量、及拋填進度等有關。

若外側沖刷嚴重，或石料質量較差（無大塊、含泥量高），則堤頂外側拋填的設計寬度應適當縮小，應以泥下寬度達到設計圖斷面要求為準。因此L也會適當變小，但堤頭拋填的不整齊度（斜角β）基本不變（見圖5）。

4.2 爆破參數及藥包布設方法

爆破參數的設計與控制加載爆炸擠淤置換法基本相同，但對藥包的布置進行了調整。在每次堤頭爆破時，與平坦涂面不同，藥包布置主要在堤身內側和堤頭前方，而外側不布置藥包（見圖5）。內側藥包間距為a1＝2～3 m，內側藥包個數n1＝［b/a1］（b為拋填循環(huán)進尺m）；堤頭正前方的藥包橫向間距為a2＝3～4 m，泥面上實際布藥間距略大于a2，藥包個數n2＝［B/a2］（B為堤頭拋填的堤頂橫向寬度，m）；每次堤頭爆炸藥包總數為n＝n1＋n2。

圖6 各時段堤身剖面形狀Fig.6 Seawall sectional shape of each period

這種不均衡布藥是為了進一步加快堤身內側的下沉，在爆炸堤身下沉時減小堤身內側土的壓力，使得堤身經幾次堤頭循環(huán)爆炸擠淤處理后，同一橫斷面上堤身內側落底深度與外側落底深度大體一致。同時，在堤身完整斷面形成前，可對外側淤泥包起到保護作用。

5 工程實踐

在分析原因、總結經驗和技術探討后，提出了上述技術改進措施，在堤頭拋填時內側突前，外側遲后，拋填參數調整如表4所示（取k1＝0.05～0.12，k2＝2.5）。

表4 調整后3#堤拋填參數Table 4 Cast filling parameters of 3#seawall after adjusted

拋填推進和藥包布置如圖5所示，藥包參數基本不變，但側重布置于內側。經過實驗和改進，該段海堤修筑成功。但由于外側涂面被沖刷程度超過預計，又是首次遇到大坡率涂面，設計參數時不免偏于保守，因此有些堤段的斷面超過設計較多，如圖3外側坡腳超寬很多。

此后該技術又在浙江舟山的西白蓮、蝦峙島、秀山島等多條海堤的爆炸處理軟基施工中得到成功應用。其中位于岱山縣秀山島的惠生重工秀山圍涂工程，其海堤已爆炸處理的一段堤身整體滑入深水區(qū)，并采用本技術完成工程遺留問題的處理及其后續(xù)工程施工，取得良好的社會效益。

6 結語

（1）在斜坡涂面修建海堤，其設計與施工均不同于平坦涂面，難度較大，特別是施工期間堤身的穩(wěn)定性，采用控制加載爆炸擠淤置換法并適當改進施工技術，是可以安全修建的。主要改進的技術措施是堤頭拋填改為“內側突前，外側遲后”，而非原常規(guī)技術的整齊推進，且藥包布置則側重于內側。

（2）堤頭內外側的錯位長度L與涂面的坡率、軟土的物理力學性質、外側淤泥包受沖刷程度、拋石堤身泥面上下的高度、石料質量、及拋填進度等有關，但不應大于堤頭爆炸對堤身沉降的影響范圍。

由于完工后堤身泥下部分輪廓是根據少數鉆孔資料推測的，肯定有一定誤差，而且類似工程數據也是不很多，因此對堤身內外側采用不均衡的拋填和爆炸處理尚無法準確給出計算公式，而只能是經驗性的。鑒于我國的土地緊缺，沿海圍墾工程將會越來越多地選址在斜坡海涂上修筑堤壩，所以該技術還有待提升和完善，仍有大量的研究工作需要繼續(xù)進行。

（

）：

﹝1﹞江禮茂.控制加載爆炸擠淤置換法：ZL 03119314.5［P］.2003-3-13. JIANG Li-mao.Soft soil improvement by the controlled loading blasting replacement method：ZL 03119314.5［P］.2003-3-13.

﹝2﹞江禮凡，屈興元，王江，等.爆炸擠淤置換法在浙江圍墾工程中的應用和發(fā)展［J］.浙江水利科技，2012，40（3）：28-32. JIANG Li-fan，QU Xing-yuan，WANG Jiang，et al. Application and development of blasting replacement method in reclamation projects of Zhejiang［J］.Zhejiang Hydrotechnics，2012，40（3）：28-32.

﹝3﹞江禮茂，許羿.控制加載爆炸擠淤置換法處理軟基技術及其工程實踐［J］.土工基礎，2011，25（5）：27-30. JIANG Li-mao，XU Yu.Soft soil improvement by the controlled loading blasting replacement method and its engineering applications［J］.Soil Engineering and Foundation，2011，25（5）：27-30.

﹝4﹞朱小敖.斜坡上爆炸置換法處理軟基建筑海堤的工程實踐［J］.土工基礎，2008，22（6）：1-5. ZHU Xiao-ao.Using inclined ramp displacement method by blasting for building seawall in soft foundation［J］. Soil Engineering and Foundation，2008，22（6）：1-5.

﹝5﹞屈興元，江禮凡，王江，等.浙江省岱山縣江南山圍墾工程控制加載爆炸擠淤置換法處理軟基竣工報告［R］.寧波：寧波科寧爆炸技術工程有限公司，2008. QU Xing-yuan，JIANG Li-fan，WANG Jiang，et al.A completion report of soft soil improvement by the controlled loading blasting replacement method in reclamation projects in Jiangnanshan Daishan county Zhejiang province［R］.Ningbo：Ningbo Kening Explosion Technology Engineering Co.，Ltd.，2008.

Explosion squeezing silt technology for seawall construction in ramp tideland

JIPPC Zhao-biao1，JIPPC Li-fan2，JIPPC Li-mao2，WPPC Jian2
（1.SchooI of MechanicaI Engineering and Mechanics，Pingbo University，Pingbo 315211，Zhejiang，China；2.Pingbo Kening ExpIosion TechnoIogy Engineering Co.，Ltd.，Pingbo 315040，Zhejiang，China）

Explosion squeezing silt replacement method in seawall construction in steep ramp tideland was used.Because of the seawall height difference between the inside and outside，cast filling in the seawall construction process was liable to slump. The problem was first encountered in a seawall project in Zhoushan，Zhejiang province.Based on the calculation of the stability of the seawall，the seawall filling method was adjusted to"pushing the inside faster than the outside"，and more explosives were put inside.The cast filling seawall stability during construction could be ensured，and the seawall section after explosion process could meet the design requirements.The explosion squeezing silt technology was summed up for seawall construction in ramp tideland，and it had been applied successfully in a number of similar seawall projects.It had declared a patent patent application number：201510908384.1.

Ramp tideland；Seawall；Explosion squeezing silt；Cast filling

TD235.4

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.05.005

1006-7051（2016）05-0024-05

2016-04-16

浙江省科技廳近海結構沖擊安全與健康監(jiān)測創(chuàng)新團隊（2013TD21）

蔣昭鑣（1963-），男，碩士，高級工程師，從事工程爆破的設計施工和力學教學等工作。E-mail：jiangzhaobiao@nbu.edu.cn