復(fù)雜邊界環(huán)境下大型圍墾工程堵口技術(shù)的實(shí)施——從玉環(huán)縣漩門(mén)三期圍墾工程為例

金 毅,李洪林

(1.溫州市甌江口新區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)管理委員會(huì),浙江 溫州 325026;2.中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概況

漩門(mén)三期圍墾工程位于浙江省玉環(huán)縣東北的漩門(mén)灣,緊靠玉環(huán)縣珠港鎮(zhèn),東瀕東海。圍墾工程從坎門(mén)的半邊山經(jīng)目魚(yú)嶼和沖坦島至干江的木杓頭建設(shè)圍堤,圍涂面積0.453萬(wàn)hm2(6.795萬(wàn)畝),主體工程由海堤和排澇閘組成,龍口設(shè)在珠港海堤Z0+020～Z1+520m。

該工程海堤為土石壩,采用懸浮式爆炸擠淤法進(jìn)行基礎(chǔ)置換處理,最大置換深度27.4m。圍墾工程規(guī)模大,海堤堤身高(達(dá)14m,涂面以上),工程區(qū)域施工期潮差6m多,龍口口門(mén)水流條件復(fù)雜,龍口合龍是該工程成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過(guò)對(duì)漩門(mén)三期圍墾工程海堤龍口的設(shè)計(jì)和施工總結(jié),探討在復(fù)雜邊界環(huán)境下大型圍墾工程的堵口合龍技術(shù),為今后類(lèi)似工程的施工提供參考與借鑒。

漩門(mén)灣三面面臨陸地,面向外海的口門(mén)較窄,呈口袋狀,屬典型的海灣型圍海工程。海堤設(shè)計(jì)擋潮標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇 (允許部分越浪)。海堤總長(zhǎng)5 352m,分3段:坎門(mén)海堤,從半邊山經(jīng)鳥(niǎo)籠嶼至目魚(yú)嶼,長(zhǎng)325 m,涂面高程-2.5～1.0m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn),下同);珠港海堤,位于目魚(yú)嶼與沖坦嶼之間,長(zhǎng)4 077 m,涂面高程-4.2～-3.0m;干江海堤,從沖坦嶼至木杓頭南側(cè),堤長(zhǎng)950m,涂面高程0.0～-3.5m。工程設(shè)排澇閘2座,分別布置在目魚(yú)嶼和沖坦嶼上,每閘為5孔×8m。

海堤除坎門(mén)堤直接坐落在巖基外,珠港堤和干江堤基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)軟土地基,軟土地基采用爆炸擠淤置換法處理。其中,珠港海堤最大置換深度27.4 m,干江海堤最大置換深度23.5m。因置換深度大,部分堤身設(shè)計(jì)采用“懸浮式”結(jié)構(gòu),利用控制加載爆炸擠淤置換法進(jìn)行施工。

圍區(qū)控制集水面積130 km2。流域多年平均風(fēng)速5.3 m/s,最大風(fēng)速40.0 m/s。多年平均降水量 1 421mm,其中最大年為2 004.2 mm,最小年為889.5mm。形成該地區(qū)洪澇災(zāi)害的主要暴雨為臺(tái)風(fēng)雨,在臺(tái)風(fēng)活動(dòng)過(guò)程中常伴隨狂風(fēng)、暴雨、巨浪和風(fēng)暴潮。

工程所處海域?yàn)闇\海弱潮流區(qū),屬正規(guī)半日潮型,1 d呈2高2低,多年平均漲潮歷時(shí)為6.32 h,落潮歷時(shí)6.10 h。海堤未施工前,工程海域大潮平均流速小于0.5m/s的占94.4%,大潮最大漲、落潮流速分別為0.88,1.03m/s。

工程附近實(shí)測(cè)年最高潮位5.34m,實(shí)測(cè)年最低潮位-3.66m,多年平均年最高潮位3.88m,多年平均低潮位-1.90m,平均潮差4.06m,最大潮差7.02m。海堤在設(shè)計(jì)高潮位5.34m和平均高潮位2.14m時(shí),50 a一遇最大設(shè)計(jì)波要素見(jiàn)表1。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該工程龍口設(shè)在珠港堤Z0+020～Z1+520m,即從坎門(mén)堤和干江堤兩端分別向中間推進(jìn),當(dāng)推進(jìn)到一定位置時(shí),坎門(mén)一側(cè)停止爆炸推進(jìn),并將其挖除至一定高程形成度汛龍口。同時(shí),從干江側(cè)繼續(xù)推進(jìn)爆炸基礎(chǔ)處理,待條件具備后再進(jìn)行龍口段堤身合龍。

表1 50 a一遇塘前設(shè)計(jì)波要素表

2 龍口水力要素研究

海堤在合龍前,先委托河海大學(xué)對(duì)龍口水力要素進(jìn)行模擬試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)成果[1].,漩門(mén)三期圍墾工程龍口設(shè)計(jì)潮型分析成果見(jiàn)表2。根據(jù)試驗(yàn)成果,按非汛期10 a一遇高潮位3.99m作為該工程龍口設(shè)計(jì)控制潮型。不同工況下的堵口水力要素見(jiàn)表3～7。

表2 龍口設(shè)計(jì)潮型表

表3 龍口平堵頂高程2.0 m狀態(tài)下水力要素表 (閘孔全開(kāi))

表4 龍口平堵頂高程1.0m狀態(tài)下水力要素表 (閘孔全開(kāi))

表5 龍口平堵頂高程0.0 m狀態(tài)下水力要素表 (閘孔全開(kāi))

表6 龍口平堵頂高程-1.0m狀態(tài)下水力要素表 (閘孔全開(kāi))

表7 龍口平堵頂高程-2.0m狀態(tài)下水力要素表 (閘孔全開(kāi))

3 龍口設(shè)計(jì)

根據(jù)原設(shè)計(jì),龍口寬度1500m、底檻高程為-3.5m,布置在珠港海堤Z0+020～Z1+520m,采用置換龍口,即該段海堤爆炸基礎(chǔ)處理后,將龍口底檻以上的拋石挖除,保護(hù)后形成龍口度汛。

在實(shí)際施工中,因原置換龍口開(kāi)挖高程低,加上爆炸后兩側(cè)淤泥包的影響,置換龍口施工難度和風(fēng)險(xiǎn)很大。根據(jù)河海大學(xué)對(duì)龍口進(jìn)行模擬模型試驗(yàn)的成果,設(shè)計(jì)將龍口方案進(jìn)行了調(diào)整,即將原1500m寬的珠港置換龍口底高程抬高,其中1200m(Z0+020～Z1+220m)抬高到-1.0m,300m(Z1+220～Z1+520m)抬高到-3.0m。同時(shí),在坎門(mén)海堤巖石基礎(chǔ)上增設(shè)坎門(mén)龍口,坎門(mén)龍口寬約250m,平均底坎高程-1.0m。

合龍期間,全面開(kāi)啟2座排澇閘泄流,并利用開(kāi)挖形成的坎門(mén)龍口過(guò)流。

4 龍口形成及合龍過(guò)程

玉環(huán)漩門(mén)三期工程海堤龍口按以下步驟逐步形成及合龍:

第1步,干江海堤和坎門(mén)海堤基礎(chǔ)處理完成,珠港海堤完成Z4+077～Z2+520m、Z0+000～Z1+520m段基礎(chǔ)處理,珠港海堤中間缺口縮至1000m(見(jiàn)圖1)。

圖1 干江和坎門(mén)堤基礎(chǔ)處理完成圖(珠港堤中間缺口縮至1000m)

第2步,珠港海堤置換龍口開(kāi)始開(kāi)挖,珠港海堤干江側(cè)爆炸基礎(chǔ)繼續(xù)推進(jìn)。干江側(cè)基礎(chǔ)繼續(xù)推進(jìn)500m,置換龍口開(kāi)挖完成,其中Z0+020～Z1+220m段開(kāi)挖至-1.0m高程,Z1+220～Z1+520m開(kāi)挖至-3.0m高程 (見(jiàn)圖2)。

圖2 置換龍口開(kāi)挖完成圖 (干江側(cè)繼續(xù)推進(jìn)500m)

第3步,珠港海堤干江側(cè)基礎(chǔ)繼續(xù)推進(jìn),開(kāi)挖坎門(mén)龍 口和架設(shè)施工便橋,并完成珠港海堤基礎(chǔ)合龍(見(jiàn)圖3)。

圖3 干江側(cè)繼續(xù)推進(jìn)基礎(chǔ)合龍圖

第4步,將珠港置換龍口-3.0m高程部分先采用平堵法回填至-1.0m高程,然后將1 500m置換龍口采用平堵法全部抬高至0.0m,形成最終堤身度汛龍口 (見(jiàn)圖3)。

圖4 珠港置換龍口抬高至0.0 m度汛龍口形成圖

第5步,堤身合龍完成。汛期過(guò)后,從珠港堤堤身度汛龍口兩端分別用進(jìn)占法、立堵拋石合龍。堤身合龍后,對(duì)坎門(mén)龍口拋石立堵,拆除便橋(見(jiàn)圖4)。

圖5 堤身合龍完成圖

5 基礎(chǔ)合龍施工

玉環(huán)漩門(mén)三期工程海堤堤基最后60m(Z1+580～Z1+520m段)合龍采用特殊工藝,主要施工工藝如下:

(1)窄堤拋填,快速合龍,爆炸處理。在正常爆炸擠淤處理軟基施工至Z1+580m后,堤頭拋填寬度縮窄到10m,快速直接拋填至Z1+520 m,然后在堤身兩側(cè)堤設(shè)藥包群進(jìn)行爆炸處理。此時(shí)盡量采用大塊石填筑,減少?zèng)_損。

(2)兩側(cè)拓寬,側(cè)爆推進(jìn)。爆炸施工完成后再加高堤身,并且向兩側(cè)各加寬5m,然后再進(jìn)行爆炸處理。

(3)循環(huán)側(cè)爆,完成斷面。按照內(nèi)外海側(cè)加寬 (爆炸循環(huán)推進(jìn)加寬)、加拋達(dá)到設(shè)計(jì)斷面。

6 堤身合龍施工

堤身合龍?jiān)诜茄雌谶M(jìn)行,先堵珠港堤 (軟基段)置換龍口,后堵坎門(mén)堤(基巖段)龍口。主要合龍程序?yàn)?

(1)將珠港堤Z0+020～Z1+220m堤身龍口平堵至1.0m高程,再立堵將寬度由1 500m縮至500m,即堤身龍口縮至Z0+520～Z1+020m。

(2)將坎門(mén)堤龍口由-1.0m抬高到1.0m。

(3)利用小潮汛將Z0+020～Z1+220m珠港堤身龍口500m和坎門(mén)龍口250 m一次截流封堵。截流堤采用變截面,截流堤頂高程 3.0 m,寬 14 m,內(nèi)坡 1∶1.5,外坡1∶1.8,并在截流堤外海側(cè)設(shè)2m寬的小石堤。小石堤堤頂高程4.5m。

截流材料采用大塊石,單塊塊石在水力作用下,其抗沖穩(wěn)定臨界流速Vc按依茲巴士公式計(jì)算:

式中:K為穩(wěn)定系數(shù),墊層塊石直徑小于拋投其上塊石直徑時(shí)取0.8,墊層塊石直徑大于或等于拋投塊石直徑時(shí)取1.2;g為重力加速度,m/s2(取g=9.81m/s2);γs為單塊石容重,kN/m3;γo為海水容重,kN/m3(取 γo=10.3 kN/m3);D為塊石當(dāng)量直徑,m;α為拋投體墊層傾角,°;φ為堆石體休止角,°。

龍口按最大流速4.6m/s計(jì)算,合龍過(guò)程中選用800 kg以上塊石進(jìn)行截流。堤身合龍時(shí),組織大量的挖裝、運(yùn)輸設(shè)備集中拋填、搶占施工。

7 龍口度汛保護(hù)

基礎(chǔ)合龍后,將Z1+220～Z1+520 m段堤身小龍口從-3.0m抬高到-1.0m,再將Z0+000～Z1+520m段堤身全部抬高到0.0m高程,形成度汛龍口。

堤基處理完成及時(shí)拋石護(hù)坦,以減小淤泥包的沖刷。非龍口段海堤護(hù)坡、堤腳保護(hù)結(jié)合永久工程施工,Z0+000～Z1+520m置換龍口段在堤身合龍前采用鋼絲籠裝大塊石防護(hù)度汛。鋼絲籠大塊石在陸上加工、水上拋投,單個(gè)大塊石鋼絲籠重1 500 kg以上,以防止水流沖刷。

8 結(jié) 語(yǔ)

漩門(mén)三期圍墾工程海堤合龍一次性成功,為整個(gè)海堤上部結(jié)構(gòu)及內(nèi)外側(cè)護(hù)面工程的施工贏得了寶貴的時(shí)間,為整個(gè)海堤工程的順利建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？偨Y(jié)該工程海堤合龍?jiān)O(shè)計(jì)與施工的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),主要有以下幾方面:

(1)復(fù)雜邊界環(huán)境下大型圍墾工程堵口施工前,模擬試驗(yàn)非常重要。該工程合龍前,充分、全面地考慮到了各種可能出現(xiàn)的相關(guān)因素,并對(duì)合龍過(guò)程可能出現(xiàn)的各種流態(tài)進(jìn)行了詳盡的演算。通過(guò)模擬試驗(yàn),優(yōu)化了合龍方案,確保了海堤一次性合龍成功。

(2)龍口底坎頂高程越高、龍口口門(mén)寬度越大,則口門(mén)水流流速越小。故在選擇合龍方案時(shí),應(yīng)采用寬而淺的口門(mén),避免窄而深的口門(mén)。

(3)當(dāng)龍口口門(mén)底坎高程較低時(shí),先采用平堵的方法抬高底坎高程,再逐步縮小口門(mén)寬度,以待小潮時(shí)一次合龍成功。

(4)在合龍施工中,在龍口口門(mén)段底部采用大型鋼筋鐵絲籠裝塊石進(jìn)行拋筑和護(hù)底,以加大堵口合龍時(shí)的抗沖能力,確保堵口段安全合龍。

(5)在堵口合龍時(shí),宜選擇在小潮段進(jìn)行搶堵,快速完成堵口合龍。同時(shí),還全面收集氣象預(yù)報(bào)資料查看合龍時(shí)間內(nèi)有無(wú)強(qiáng)風(fēng)、大浪及風(fēng)暴潮出現(xiàn),防止龍口發(fā)生沖垮損壞。

(6)堵口工程是一個(gè)搶險(xiǎn)工程,必須做好材料的充分準(zhǔn)備,有足夠的安全儲(chǔ)備。堵口合龍后,仍須繼續(xù)抓緊做好堤身鞏固培厚,滿足設(shè)計(jì)斷面。軟基堤段的壓載需特別注意,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間大潮的實(shí)際考驗(yàn),才能證明其基本上度過(guò)危險(xiǎn)期。

[1].陳松林.漩門(mén)三期圍墾堵口工程龍口水力特性研究 [R]..南京:河海大學(xué)海洋學(xué)院,2010.