吸砂船施工技術在錢塘江東江嘴切灘工程中的應用

王澤斌,徐昌棟

(浙江省錢塘江管理局,浙江 杭州 310016)

1 工程概況

錢塘江東江嘴切灘工程位于錢塘江聞家堰急彎河段的凸岸,地處富春江與浦陽江匯合口。該段河道成110°急彎,凸岸由于彎道環(huán)流作用淤積形成約66.67 hm2(1 000畝)左右高灘,灘地高程4.2～6.2m,外側有20世紀60年代當?shù)厝罕妵鷫ㄐ拗男?高灘失去行洪能力并形成挑流壩。由于高灘及圍堤突出江中,致使江面的過水斷面縮小40%,江道最窄處僅470m,河道的縮窄使主流進一步逼向凹岸,造成洪水期凹岸堤前深槽沖刷嚴重,河床最大沖刷深度曾達-28m,是錢塘江最窄、最深、最險的河段,歷來是錢塘江泄洪的“瓶頸”。1997年,浙江省人民政府批準的《錢塘江富春江電站至閘口標準江堤規(guī)劃》將東江嘴退堤切灘工程列為錢塘江上游3大清障工程之一,確定對凸岸東江嘴部分高灘在標準堤退堤的基礎上進行切除,以確保行洪暢通和兩岸堤塘安全。

原切灘設計方案:對彎道河段凸岸1 km范圍內的東江嘴高灘實施切灘(見圖1),距新建標準堤軸線200m以外的灘地切至-3.83m高程與江道接平,100～200 m的灘地高程由1.17m降至-3.83m,50～100m的灘地由現(xiàn)有自然高程降至1.17m,50m范圍內的灘地保持原狀 (見圖2)。切灘工程需開挖土方約137萬m3。

圖1 東江嘴切灘工程平面布置圖

圖2 東江嘴切灘工程斷面圖

2000年12月杭州市完成退堤工程后,由于政策處理和投資資金籌措出現(xiàn)困難,切灘工程一直未實施。在浙江省水利廳和省防汛抗旱指揮部辦公室的協(xié)調和支持下,浙江省錢塘江管理局根據(jù)多年河道管理經驗,從切灘部位河床蘊藏有豐富的建筑用黃砂這一實際出發(fā),大膽提出結合采砂工藝,采用大型真空泵吸砂船進行取砂切灘。為充分利用黃砂資源,以采砂取得的經濟效益彌補工程投資,鑒于切灘部位黃砂層主要在-4.0m高程以下,吸砂船最佳作業(yè)區(qū)域在-10.0m高程左右的中細砂層,同時考慮河床回淤影響,允許在確保河床邊灘穩(wěn)定和兩岸堤塘安全的前提下超挖,切灘底面高程控制在-10.0m。工程從2005年11月21日開始實施,到2006年1月20日主體完工,實際共切除土方162.72萬m3。

2 施工工藝選擇

2.1 施工工藝

吸砂船取砂切灘具體施工工藝:吸砂管伸入水下,頂端高壓噴嘴產生高速水流沖刷河床,形成的泥沙水混合物通過吸管吸至沉淀池,其中的黃砂經沉淀后,通過鏈斗及船兩側輸送帶輸送至運輸船,外運至沿江各砂場出售。作業(yè)時吸管一般與河床成60°夾角,可伸入水面以下10～12 m,將河床中下層可用中砂吸出,上層土體在自重作下自然塌陷,形成所需切灘斷面。

2.2 地質勘探調查

切灘部位黃砂層的存在,是采用吸砂船取砂切灘工藝的決定性條件。在論證切灘可行性時,在東江嘴灘地上布置了11個地質鉆孔進行地質鉆探,鉆孔深度30～37 m。根據(jù)地質土層分層分析 (見表1):-2.0～-4.0m以上灘地的淤積物主要由d=0.075 0～0.002 7mm的淤泥粉質黏土組成,是下游的海域來砂;在-4.0 m以下的河床組成物為d=0.250～0.075mm相對較粗的粉砂和中細砂,是由下游海域和上游陸域來沙共同補充形成的;-31m以下為沙卵礫石河床,尤其是-7.5m以下蘊藏著大量的可作建筑材料的黃砂。

表1 各土層的顆粒分析試驗統(tǒng)計表

2.3 工藝特點

工程地質勘探顯示切灘部位河床有豐富的黃砂資源,采用吸砂船取砂切灘工藝可行,同時與采用挖掘機、疏浚船等傳統(tǒng)施工方式相比較,具備以下優(yōu)點:

(1)吸砂船取砂切灘可直接進行水下作業(yè),受洪、潮水影響小,一艘采砂船連續(xù)24 h正常作業(yè)采挖方量可達到2 500～3 000m3,高效快捷。工程從2005年11月21日開始實施,2006年1月20日主體完工,實際僅歷時60 d。

(2)采挖的黃砂用運輸船直接外運到沿江砂場銷售,無需專門的土方棄置場地。

(3)“以吸代挖,有償取砂”,采砂取得的經濟效益可彌補工程資金缺口,節(jié)省工程投資。實際節(jié)約測算工程費1 197萬元。

3 施工控制關鍵

吸砂船取砂切灘施工工藝單一,但在實際施工中,采挖深度與范圍較難控制,要精確做到河床高程與實施方案相吻合十分困難,易形成不規(guī)則的深坑,同時考慮到大型真空泵吸砂船采砂作業(yè)時影響半徑可達160～220m,為避免切灘過度對河床邊灘穩(wěn)定與堤塘安全造成不利影響,在施工過程中著重控制以下幾點:

3.1 吸砂船設備參數(shù)控制

切灘施工采用杭州河段具有 《河道采砂許可證》的20艘大型真空泵吸砂船。根據(jù)以往的采砂管理經驗,采挖深度、影響范圍及作業(yè)效率主要取決于吸砂泵主機功率大小與吸砂管長度,沉淀池與鏈斗規(guī)格對作業(yè)效率有一定影響。施工作業(yè)前對吸砂船進行核查,主機功率控制在500 kW以內,吸砂管長度控制在20 m以內 (見表2)。施工實踐表明,最深能取到水面以下15m左右的砂石,最佳作業(yè)區(qū)域是-10.0m高程左右的中細砂層。

表2 典型吸砂船設備參數(shù)表

3.2 離岸灘距離控制

施工放樣適當預留安全距離,在距標準堤塘軸線100m處灘地每隔100m設立標桿,每隔20m設彩旗桿作為警戒線,一旦發(fā)現(xiàn)岸灘坍至標桿處,立即暫停在該位置施工作業(yè),經觀測待岸灘坍塌基本穩(wěn)定后再進行施工。吸砂管禁止直接伸至岸灘吸砂作業(yè),控制在距岸灘30m以外作業(yè),穩(wěn)步控制岸灘坍塌。

3.3 吸砂船密度控制

由于砂層有一定的埋深,單艘吸砂船作業(yè)無法進行有效采挖,砂機集中數(shù)量過多則又會造成采挖速度過快導致岸灘邊線難以控制,從實際采挖情況看,采挖出的深坑最深可在水面以下15 m,當時深坑離岸一側邊坡趨于垂直,極不穩(wěn)定,岸灘坍塌往往出現(xiàn)在瞬間,停止作業(yè)后一段時間內仍將向堤塘側坍塌20～30 m。在作業(yè)點及吸砂船布設上做到合理適度,吸砂船沿線排開,每200m左右布設1個作業(yè)點,單個作業(yè)點集中的吸砂船控制在4艘以內,先從江中心開始作業(yè),成一線逐步向岸邊推進。

3.4 加強觀測和現(xiàn)場監(jiān)管

切灘部位距離堤塘越近砂量越多,采挖效率越高,切灘推進速度也越快,不及時加以控制,將影響堤塘安全。施工時安排人員對現(xiàn)場進行24 h監(jiān)管,每日不定期測量河床高程,及時根據(jù)觀測情況合理有序調整吸砂船數(shù)量與作業(yè)范圍。

4 效果分析

實際切灘底面高程平均為-9.0m,河床形成一個個不規(guī)劃的深坑,其中2處深坑達到-13.0m,局部灘地寬度不足50m,共切除土方162.72萬m3。但經過一段時間自然洪水、潮流的沖刷和坍沉,堤外灘地穩(wěn)定在40～100m范圍內,該段河床最窄處寬度從470m增加至850 m,達到1997年浙江省人民政府批準的《錢塘江富春江至閘口標準江堤規(guī)劃》要求。2011年6月水下地形測量的斷面顯示,深坑回淤明顯,與2006年7月測量的斷面相比較,計算切灘范圍淤積量為84.385萬m3,回淤了51.9%,基本達到-4.0m左右的高程(切灘前、切灘初和最近一次測量的斷面變化見圖3)。據(jù)初步分析,切灘后形成的效應范圍將上溯至浦陽江、富春江境內,當遭遇5～100 a一遇洪水時,預計富陽洪水位可降低19～39 cm。

圖3 切灘部位切灘前、切灘初和最近測量典型斷面圖

5 其他問題的解決

采用吸砂船吸砂切灘存在一定的局限性,實際施工中需采取其他措施加以解決。

(1)塊石較多的地段作業(yè)困難。東江嘴頭部上游小圍堤外側有較多拋石,從外側向內吸砂切灘作業(yè)時,2艘吸砂船的吸砂管因采挖坑瞬間坍塌被塊石壓斷,后由下游內側打開通道,由內向外挖除小圍堤。

(2)碼頭殘留形成“孤島”。原東江嘴頭部港監(jiān)站樁石混凝土結構碼頭無法采用吸砂船吸砂方式清除,后通過船用抓機和吊裝設備挖掘混凝土及塊石混合料、拔除鋼筋混凝土樁、吸砂等措施進行清除。

6 結 語

(1)吸砂船取砂切灘施工工藝簡便高效,節(jié)省投資,但存在一定的局限性,對地質條件有特殊要求,河床必須有黃砂層。

(2)吸砂船取砂切灘施工時,關鍵是要通過控制吸砂設備參數(shù)及吸砂船密度、設置安全距離、加強監(jiān)管與測量等措施嚴格控制采挖深度與范圍。

(3)東江嘴切灘工程吸砂船切灘施工技術的應用,為以后類似工程施工提供了借鑒。

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