錢塘江河口治江圍涂工程龍口度汛與堵口技術(shù)探討

趙微人,王文杰,郭加根

(1.杭州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院蕭山分院,浙江 杭州 311201;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

錢塘江河口經(jīng)外?；蜷L(zhǎng)江口直接進(jìn)入的泥沙量每年約有7 000萬(wàn)m3,這些泥沙在不同的季節(jié),不同的徑流、潮汐條件下在錢塘江河口內(nèi)搬運(yùn)、落淤。近30 a來(lái),在服從治江要求的前提下錢塘江河口已圈圍灘涂六七萬(wàn)公頃(近百萬(wàn)畝)。目前錢塘江河口內(nèi)可以圍涂的中高灘 (平均潮位以上)僅在慈溪市區(qū)域尚有,其它地方都只有治江需要的深水 (低潮位以下幾米)圍涂,這些工程既有一般的圍涂技術(shù)問(wèn)題,同時(shí)由于圍區(qū)灘涂較低,為滿足圍區(qū)墾殖和開發(fā)的需要,在圍涂的同時(shí)必須考慮促淤措施以保證工程實(shí)施后圍區(qū)有一定的高程;另外,圍區(qū)外水深、流急、潮強(qiáng)等特殊條件,圍涂龍口位置和龍口封堵時(shí)機(jī)選擇上考慮的因素更復(fù)雜、技術(shù)上更難。本文試圖通過(guò)錢塘江河口某縣治江圍涂工程實(shí)例,對(duì)上述問(wèn)題加以探討。

1 工程概況

1.1 工程位置

浙江某縣治江圍涂工程位于錢塘江尖山河段南岸、曹娥江出口西側(cè)(見(jiàn)圖1),圍區(qū)由東圍堤(長(zhǎng)1 115 m)、北圍堤 (長(zhǎng)5 880 m)及中東隔堤(長(zhǎng)1 162 m)、中西隔堤(長(zhǎng)1 379 m)和西隔堤 (長(zhǎng)1 714 m)組成,總圍涂面積733.7 hm2。圍區(qū)分3片,分別為東片、中片和西片。中東片圍區(qū)由于已存在東順壩(對(duì)曹娥江口而言)、中東壩和中西壩,且涂面相對(duì)較高,故實(shí)施難度較小,宜先進(jìn)行促淤圍涂,西片由于受潮汐 (尤其落潮流)沖刷,涂面較低,俟后順勢(shì)實(shí)施。

圖1 浙江某縣治江圍涂工程位置及工程布置圖

圍堤設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),堤頂高程為100 a一遇的高潮位加相應(yīng)的波浪爬高,堤腳防沖按100 a一遇沖刷高程設(shè)計(jì)。

1.2 自然條件

1.2.1 工程區(qū)潮汐特性

此工程區(qū)屬非正規(guī)半日潮,且日不等現(xiàn)象顯著,潮汐特征值見(jiàn)表1。

表1 工程區(qū)潮汐特征統(tǒng)計(jì)值表

圍區(qū)附近潮流為往復(fù)流,主流垂線平均最大流速與潮差大小、地形、上游徑流等因素有關(guān)。根據(jù)2002年3月29～31日結(jié)合曹娥江口門大閘進(jìn)行的水文測(cè)驗(yàn)資料分析可知,圍區(qū)漲潮垂線平均最大流速2.96～2.98 m/s,流向281～287°;落潮垂線平均最大流速 3.27～3.43 m/s,流向 84～123°。

本工程所在河段為錢塘江河口段的下游段,,潮汐動(dòng)力強(qiáng)勁,據(jù)實(shí)測(cè)資料,曹娥江口門附近涌潮高度在為1.2～1.5m。

1.2.2 工程地質(zhì)

該工程區(qū)水域底質(zhì)表層10～15m范圍為黏粒含量較低的粉土或砂質(zhì)粉土,易沖易淤,力學(xué)性質(zhì)較好,是土工充泥袋的天然建材。深層埋藏有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,含水率和壓縮性高,力學(xué)性質(zhì)較差。

2 龍口設(shè)計(jì)

2.1 龍口位置確定

龍口平面位置宜選在潮汐動(dòng)力較弱、灘面較高處,便于減輕堵口和土方閉氣的難度。另外,還需考慮兩側(cè)壩頭的拋石進(jìn)占速度,壩頭前沿灘面高則速度快,低則慢,故若任其自然,則龍口位置可能處于灘面較低處,將會(huì)給堵口和土方閉氣增加難度。所以,應(yīng)綜合考慮,預(yù)先初步確定位置,再在實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行微調(diào)。東片圍區(qū)的龍口位于北圍堤上,北圍堤堤前灘地東側(cè)低、西側(cè)高,按上述分析龍口應(yīng)位于靠近西側(cè)某處,但據(jù)分析,兩側(cè)壩頭拋石日供應(yīng)量基本相同,故自中東壩往東拋的速度快于東順壩往西拋的速度,為不影響拋壩速度,龍口宜留在靠近東順壩某處。

2.2 龍口尺寸確定

龍口尺寸包括寬度、底坎高程兩方面,需通過(guò)龍口水力計(jì)算確定。龍口水力計(jì)算系將外江潮位過(guò)程和圍區(qū)庫(kù)容曲線進(jìn)行組合,由寬頂堰公式計(jì)算,選擇流速大小能滿足一般塊石穩(wěn)定的龍口尺寸。

2.3 外江潮位

(1)對(duì)常規(guī)的拋石合龍施工工藝,取非汛期5 a一遇設(shè)計(jì)高潮位為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)鹽官站和澉浦站非汛期(11月～翌年4月)中最高潮位進(jìn)行頻率分析計(jì)算,得鹽官站、澉浦站非汛期5 a一遇高潮位分別為4.84 m和5.77m,從實(shí)測(cè)資料中選取典型潮型,再內(nèi)插得圍區(qū)龍口堵口水力計(jì)算潮型,詳見(jiàn)圖2。

圖2 圍區(qū)海域非汛期5 a一遇典型潮型圖

(2)圍區(qū)庫(kù)容曲線。圍涂面積約200 hm2,根據(jù)工程實(shí)施前實(shí)測(cè)的1/10 000水下地形圖,得圍區(qū)庫(kù)容曲線見(jiàn)圖3。

(3)龍口水力計(jì)算。圍涂工程龍口位于北圍堤上,根據(jù)庫(kù)容曲線和非汛期5 a一遇的潮位過(guò)程(見(jiàn)圖2、3),由龍口水力計(jì)算參照 《灘涂治理工程技術(shù)規(guī)范》 (SL389-2008)中的公式,按水量平衡計(jì)算漲落潮時(shí)內(nèi)港水位、單寬流量和水頭差隨時(shí)間的變化規(guī)律,并推求最大流速。水量平衡基本方程式:

[Q內(nèi)-(Q閘+Q泄+Q滲)].ΔT=T2-V1

式中:V1、V2分別為 ΔT時(shí)段初末港內(nèi)水量 (m3);Q內(nèi)為ΔT時(shí)段內(nèi)內(nèi)陸流域來(lái)水平均流量(m3/s);Q閘為ΔT時(shí)段內(nèi)水閘泄水平均流量(m3/s);Q泄為ΔT時(shí)段內(nèi)龍口溢流平均流量 (m3/s);Q滲為ΔT時(shí)段內(nèi)龍口滲流平均流量 (m3/s);ΔT為時(shí)段長(zhǎng) (1面禮800 s)。

圖3 圍區(qū)庫(kù)容曲線圖

計(jì)算結(jié)果:假設(shè)不同龍口寬度和底坎高程,采用上述公式進(jìn)行計(jì)算,得結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 龍口漲、落潮最大流速表

由表2可知,龍口寬取200～300m、底坎高程2.0 m時(shí),其漲、落潮最大流速分別為2.13～2.42 m/s和1.36～1.78m/s,此時(shí)用土工充泥袋加塊石壓載護(hù)底,度小潮汛使灘涂淤積是可行的。同時(shí),當(dāng)龍口寬度至50m時(shí),漲落潮最大流速分別為2.82m/s和2.29 m/s,均小于3.0m/s,只要單塊塊石重量大于100 kg,堵口過(guò)程中塊石能夠保持穩(wěn)定。因此,采用拋石立堵進(jìn)占合龍施工是可行的。但若條件許可,采用船運(yùn)塊石平堵和自卸汽車立堵結(jié)合則效果更理想。

3 龍口護(hù)底設(shè)計(jì)

龍口能否順利度過(guò)小潮汛以使涂面淤積至可圍高程,關(guān)鍵取決于所采取的龍口護(hù)底措施是否合理。根據(jù)圍區(qū)涂面表層為砂質(zhì)粉土,便于采用土工充泥袋進(jìn)行泥漿泵充填施工的特點(diǎn),龍口護(hù)底可先打1層土工充泥袋,然后采用船運(yùn)塊石壓載,這樣便可安全地度過(guò)小潮汛。龍口護(hù)底結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 龍口保護(hù)平、剖面圖

4 堵口及土方閉氣

當(dāng)圍區(qū)涂面淤積至可圍高程時(shí),即可實(shí)施堵口和土方閉氣。根據(jù)錢塘江潮汐特點(diǎn),一般冬季(11月至翌年3月)潮汐較小,根據(jù)觀測(cè)資料,選擇特別小的潮汛的非汛期進(jìn)行堵口施工。

4.1 前提條件

堵口需具備以下條件:①涂面淤積至可圍高程;②圍區(qū)除龍口外的閉氣土方滿足非汛期防滲要求;③潮汐已經(jīng)相對(duì)較弱;④堵口申請(qǐng)報(bào)告得到批準(zhǔn)。當(dāng)以上條件同時(shí)具備時(shí),即可進(jìn)行堵口及土方閉氣。但值得注意的是,堵口與土方閉氣進(jìn)度必須協(xié)調(diào)一致,有條件的最好是閉氣土方進(jìn)度先于堵口進(jìn)度,這是整個(gè)龍口施工成敗的關(guān)鍵。錢塘江河口兩岸圍涂中,由于閉氣土方落后于石壩合龍,引起壩體接觸滲透破壞,導(dǎo)致石壩沖毀的事例曾發(fā)生多起,教訓(xùn)深刻,故應(yīng)引起高度重視。

4.2 堵口施工

堵口時(shí)間選定后,需進(jìn)行塊石備料。先估算工程量,然后備足石料和人工機(jī)械,在規(guī)定時(shí)刻開始實(shí)施堵口。由于1m in內(nèi)有2個(gè)大潮汛和2個(gè)小潮汛,潮位最低的時(shí)間僅有3～4 d,故堵口時(shí)間應(yīng)在2～3 d之內(nèi)完成。

4.3 土方閉氣

如前所述,由于圍區(qū)表層為砂質(zhì)粉土,泥沙顆粒粗而粘粒含量低,故宜采用土工充泥袋筑堤施工。根據(jù)慈溪、余姚圍涂經(jīng)驗(yàn),可以將泥漿泵安裝于船上,船停在灘面上,造孔定位后,可以連續(xù)24 h不間斷吸泥充填,施工效率較以往在灘面上感潮施工大大提高。由于龍口閉氣時(shí)間緊、任務(wù)急,泥漿泵組的臺(tái)套必須滿足進(jìn)度要求。

5 結(jié) 論

強(qiáng)潮河口灘涂圍涂成敗在于龍口的處理技術(shù),本文以某縣治江圍涂工程?hào)|片堵口閉氣為例,闡述了其設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn):

(1)龍口設(shè)計(jì)。龍口平面位置應(yīng)設(shè)在潮汐動(dòng)力相對(duì)較弱處,即灘面較高處,但考慮到其兩側(cè)壩頭拋石進(jìn)度,灘面高的一端往往進(jìn)度較快,使龍口位于灘面較低的一側(cè)。為此,需預(yù)先選定一龍口位置,具體實(shí)施時(shí)再作微調(diào);龍口尺寸確定應(yīng)根據(jù)典型潮位過(guò)程及圍區(qū)庫(kù)容曲線采用寬頂堰公式計(jì)算過(guò)堰流速大小后,再根據(jù)流速大小選取龍口尺寸;龍口尺寸確定后,需進(jìn)行護(hù)底度非汛期的小潮汛,以使灘面淤積至可圍高程,護(hù)底可先充填土工充泥袋,再在其上塊石壓載。

(2)堵口及土方閉氣。堵口和土方閉氣必須滿足以下條件:即涂面淤至可圍高程、圍區(qū)除龍口外均已完成土方閉氣、潮汐動(dòng)力相對(duì)較弱及堵口申請(qǐng)報(bào)告得到批準(zhǔn)。堵口與土方閉氣進(jìn)度必須協(xié)調(diào),堵口施工應(yīng)根據(jù)流速計(jì)算結(jié)果,確定采用自卸車立堵進(jìn)占、船拋塊石平堵或平、立堵相結(jié)合的辦法。土方閉氣可采用土工充泥袋施工工藝。

[1].王文杰,嚴(yán)其芳,趙時(shí)建,等.紹興縣九七丘治江圍涂二期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]..杭州:浙江廣川工程咨詢有限公司,2002.

[2].王文杰,余祈文,宋立松,等.土工充泥袋筑拋促淤試驗(yàn)研究和實(shí)踐 [J]..水利學(xué)報(bào),2003(2):88～92.

[3].楊火其,王文杰.錢塘江河口異型塊體抗沖穩(wěn)定試驗(yàn)研究[J]..長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2001,18(2):19～22.