數(shù)模法指導(dǎo)多港池充砂袋工藝龍口合龍

王宇光+柳軍生

摘 要：本文結(jié)合臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)三期14區(qū)圍堤及部分吹填工程的實(shí)際情況，針對(duì)港池中各龍口的合龍條件和時(shí)間的選擇，龍口的寬度及合龍順序制定最優(yōu)的施工部署及優(yōu)化措施，為類似工程提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：水流物理模型 深水充砂袋工藝 多港池龍口合攏

工程概況

臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)三期14區(qū)圍堤及部分吹填工程圍隔堤頂標(biāo)高設(shè)計(jì)為+6.0m，圍合總面積約8km2 ，施工區(qū)原泥面標(biāo)高為-2.1m～-3.3m。堤身主要采用充砂袋結(jié)構(gòu)，共分三個(gè)圍合小區(qū)，進(jìn)行多個(gè)龍口合攏。

圖1 總平面布置圖

常規(guī)施工工藝弊端及各龍口施工工況分析

充砂袋施工工藝具有就地取材、施工速度快、對(duì)軟基適應(yīng)能力較好、施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在圍海造陸工程應(yīng)用廣泛。然而對(duì)于深水作業(yè)區(qū)域的充砂袋圍堤工程及其龍口施工，由于受潮流影響較大、施工作業(yè)周期性較長(zhǎng)等特點(diǎn)，施工難度較大，常規(guī)設(shè)計(jì)中龍口常采用拋石方法合攏，但主要存在如下弊端：①施工條件惡劣，受潮流影響大，拋石合攏法材料損失量大，利用率低，施工危險(xiǎn)系數(shù)高。②天津港地區(qū)淤泥質(zhì)地基基礎(chǔ)上拋石底層基礎(chǔ)要求較高，基礎(chǔ)工程量大，拋石成本高。③龍口段若采用拋石結(jié)構(gòu)必然存在透水性大的特點(diǎn)，對(duì)圍堤整體穩(wěn)定性不利。

結(jié)合以上問題，通過深入分析深水海域充砂袋施工的特點(diǎn)，對(duì)龍口施工方案進(jìn)行了創(chuàng)新性的優(yōu)化，即為充分利用充砂袋工藝進(jìn)行龍口合攏，首次通過應(yīng)用水流物理模型試驗(yàn)測(cè)試不同充填砂袋的臨界穩(wěn)定流速，通過二維潮流數(shù)學(xué)模型和水力學(xué)計(jì)算分析不同工況情況下合攏口的流速大小過程，在給定充填砂袋規(guī)格基礎(chǔ)上，優(yōu)化合攏口位置與大小，并推薦最佳合攏時(shí)機(jī)。在此基礎(chǔ)上采用等同于圍堤常規(guī)部位充填袋的方式進(jìn)行龍口合攏，一方面極大的降低龍口合攏成本，另一方面也保證了龍口合攏的成功率。

分析該工程的工況可以發(fā)現(xiàn)，該工程漲落潮過水量較大、水流速度快，合龍施工難度較大。為此，在最外側(cè)大龍口合龍前，我們需對(duì)各龍口合龍進(jìn)行合理部署安排，合理安排施工進(jìn)度，制定最優(yōu)的施工部署及優(yōu)化措施，保證龍口順利合龍。

因?yàn)橛胁澄鞴芫€兩條輸油、輸氣管線穿越EF段龍口， EF段龍口需待BC段及GH段龍口合龍后進(jìn)行。

IF段圍堤主體采用磚渣土施工，預(yù)留龍口長(zhǎng)度70米，東二區(qū)圍合面積1.8平方公里，潮汐流通水量可達(dá)近200m3/s，為減小龍口合龍壓力，可以等待BC段龍口寬度縮小至一定程度，港池內(nèi)潮差變小后進(jìn)行最后合龍。

BC段圍堤主體為充填砂袋，龍口段充分考慮本工程施工區(qū)域的地理位置及潮位變化，根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果先采用充砂袋立堵，將500m寬龍口縮窄至300m，然后采用拋石平堵方案，直至高潮位不過水。而在該龍口合龍前，先將IF段龍口合龍，減小圍區(qū)面積，可大大減輕該龍口合龍壓力。

龍口水力計(jì)算

堵口水力計(jì)算的內(nèi)容是擬定龍口尺寸和計(jì)算龍口水力要素，一般采用水量平衡法和寬頂堰流的水力計(jì)算公式相結(jié)合得到。

寬頂堰流的水力計(jì)算分自由出流和淹沒出流， 在計(jì)算大潮條件下，計(jì)算龍口不同寬度和底高程時(shí)的龍口最大單寬流量，龍口最大落差和龍口最大流速。

計(jì)算龍口寬度：100m、200m、300m、400m、500m。

計(jì)算龍口底高程：-2.5m、-1.8m、-1.1m、-0.4m、+0.3m、+1.0m、+1.7m、+2.4m、+3.1m。

典型龍口尺度條件下的潮位過程線、圍區(qū)內(nèi)水位過程線及龍口流速過程線見圖2。

流速是堵口過程中最重要的控制因素，不同寬度龍口流速變化規(guī)律為：當(dāng)口門寬度不變而抬高底檻高程（平堵）時(shí)，無論進(jìn)流與出流，最大流速開始逐漸增大，到某一高程（口門越窄，此高程越低）時(shí)達(dá)到最大值，然后隨底檻（龍口堤頂）高程的抬高，最大流速逐漸減少，直至堤頂高出水面時(shí)變?yōu)榱恪．?dāng)?shù)讬懜叱滩蛔兌鴫嚎s口門寬度（即立堵）時(shí)，則最大流速逐漸增大，隨著龍口底高程的抬高，龍口最大流速增幅逐漸減小，當(dāng)龍口底高程在+1.0m以上時(shí)，最大流速隨著龍口寬度的縮窄，變幅已較小。

圖2 典型龍口尺度條件下潮位、圍區(qū)水位及龍口流速過程線

利用充填砂袋進(jìn)行平堵2層至-1.1m高程時(shí)，龍口寬度為400m時(shí)，龍口最大流速為2.06m/s，略小于砂袋的臨界穩(wěn)定流速2.50m/s，龍口寬度不應(yīng)小于400m。

利用充填砂袋進(jìn)行平堵3層至-0.4m高程時(shí)，龍口寬度為500m時(shí)，龍口最大流速為2.37m/s，略小于砂袋的臨界穩(wěn)定流速2.40m/s，龍口寬度不應(yīng)小于500m。因此為安全起見，采用砂袋至-1.1m高程，即平堵2層，龍口寬度取500m。

根據(jù)《灘涂治理工程技術(shù)規(guī)范》（SL389-2008）8.6.1條，“…選擇龍口尺寸的控制流速可取2m/s～4m/s。當(dāng)施工條件允許時(shí)，也可適當(dāng)提高控制流速”。

該工程以4.0m/s為控制流速，砂袋平堵至-1.1m高程后，繼續(xù)采用拋石平堵即可滿足要求，龍口最大流速為3.87m/s。

拋石塊體重量和粒徑的計(jì)算可按伊茲巴斯公式進(jìn)行，計(jì)算得到堵口方案中需使用塊石的最大粒徑和最大重量分別為0.69m和140.9kg。

龍口合龍施工進(jìn)度安排

合龍時(shí)機(jī)應(yīng)盡可能選擇在潮差小的時(shí)段進(jìn)行。根據(jù)本工程施工進(jìn)度安排及2012年各月份潮位預(yù)報(bào)結(jié)果，選于在2012年10月7日～10月12日間的小潮為開始合龍的時(shí)間最佳。

10月7日前，確保BC段龍口完成充砂袋立堵將龍口縮小至300米，完成剩余段一級(jí)棱體護(hù)底壓護(hù)及外側(cè)平臺(tái)拋石截流，GH段龍口磚渣及建筑混凝土廢料推進(jìn)縮小至30米。

GH段龍口待BC段外圍堤龍口施工拋石截流完成后，低潮位兩側(cè)采用建筑混凝土廢料推進(jìn)合龍。

施工過程控制及優(yōu)化措施

1、 斷面優(yōu)化

主要考慮如下因素：①堵口期施工與堤身穩(wěn)定；②與常規(guī)段堤身的銜接與平滑過渡；③堤身充砂袋定位及拋石平臺(tái)寬度與標(biāo)高。

一級(jí)棱體內(nèi)外側(cè)按1：5控制，拋石平臺(tái)標(biāo)高定于+0.0米附近，頂部二級(jí)棱體坡度外側(cè)1：3，內(nèi)側(cè)1：2，主堤外側(cè)平臺(tái)增加拋石截流擋壩，標(biāo)高+6.0米以上。

2、施工優(yōu)化措施

底部砂被采用200g/m2編織土工布，并壓上軟體排，軟體排采用600g/m2的長(zhǎng)絲機(jī)織布制作，提高整體強(qiáng)度 ；當(dāng)龍口束窄至100m內(nèi)時(shí)，此時(shí)流速相當(dāng)大，堤心袋體采用400g/m2的高強(qiáng)長(zhǎng)絲機(jī)織土工布，以增強(qiáng)土工材料的強(qiáng)度，提高其抗沖刷的能力?，F(xiàn)場(chǎng)施工圖見圖3。

圖3 龍口軟體排及長(zhǎng)絲機(jī)織布充填袋

最大程度減小龍口過流流量，降低過流流速，提高充砂袋的充灌成型率。

施工監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)工作在施工期間有著極其重要的意義，特別是龍口段施工由于集中加荷速率較快，過程檢測(cè)更是尤為重要。

施工監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括：①地表沉降監(jiān)測(cè)。②土體深層側(cè)向位移監(jiān)測(cè)。③孔隙水壓力監(jiān)測(cè)。④結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)。

沉降、土體側(cè)向位移控制標(biāo)準(zhǔn)：①沉降速率：<20mm/d；②深層土體側(cè)向位移速率：<4mm/d③結(jié)構(gòu)位移速率：〈6mm/d

監(jiān)測(cè)頻率：龍口合攏施工期間，每日至少觀測(cè)一次，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)加大觀測(cè)頻率。

結(jié)束語

通過對(duì)該工程工況分析，對(duì)龍口水利特性計(jì)算，合理安排施工，并對(duì)施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)三期14區(qū)圍堤及部分吹填工程龍口順利合龍，實(shí)踐證明通過以上施工部署及優(yōu)化，有效保證了龍口合龍一次成功，同時(shí)也有效節(jié)約了施工成本，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。

（作者單位：中交天航港灣建設(shè)工程有限公司）