福寧灣圍墾工程堵口實例分析

劉震

福寧灣圍墾工程堵口實例分析

劉震

（福建省水利建設(shè)中心 福建福州 350001）

該文從福寧灣圍墾工程的自然地理位置、潮汐、地質(zhì)、地形、施工條件等方面進(jìn)行堵口時間和位置的分析確定，通過堵口水力計算等研究分析，提出堵口截流、閉氣施工程序和步驟，實現(xiàn)了該工程一次性堵口截流、閉氣成功。文章總結(jié)了該工程堵口成功的條件和經(jīng)驗，為以后類似的工程提供了經(jīng)驗和參照。【關(guān)鍵詞】 堵口 截流 閉氣 水力條件

1 工程概況及特點

1.1 工程規(guī)模

福寧灣圍墾為大型省重點圍墾工程，位于霞浦縣福寧灣內(nèi)，面向東海，堤線朝向開敞式海域，距城關(guān)6km。海堤全長5434m，南北兩岸水閘各一座，其中北岸松山水閘為10孔×5m，南岸南岐山水閘為7孔×5m，圍墾面積34100畝。工程建成后，可提供農(nóng)業(yè)種植16400畝，水產(chǎn)養(yǎng)殖7460畝，建設(shè)用地2600畝，滯洪區(qū)7640畝。

海堤、排洪閘和納潮閘按三級水工建筑物設(shè)計，工程批復(fù)總概算為34789萬元。

1.2 自然條件概述

水文氣象：本區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季多西南風(fēng)，冬季多東北風(fēng)，每年7～9月為臺風(fēng)季節(jié)，每年受影響或登陸臺風(fēng)有2～3次，最大風(fēng)力超12級。年平均降雨量1430mm，多年平均最大24小時暴雨量116.7mm。墾區(qū)上游集雨面積120km2， 10年一遇洪水總量2306萬m3，10年一遇洪峰流量842m3/s。

潮汐：根據(jù)三沙海洋觀測站連續(xù)42年來實測資料統(tǒng)計，多年平均最高潮位3.74m（黃零標(biāo)高，下同）多年平均最低潮位-3.48m，50年一遇設(shè)計高潮位4.43m，歷年最高潮位4.4m，歷年最低潮位-3.71m，最大潮差8.04m。

1.3 堵口段地形地質(zhì)

地形：堵口段大口門位置在樁號2+400～ 3+200，寬度800m,小口門位置在樁號2+600～3+000。堵口段灘涂面高程-2.2～-2.4m，處于整條堤線地形最低堤段，也是堤線中間堤段。

地質(zhì)：堵口段位置軟弱土層厚度為17.1～17.4m，地質(zhì)條件較差，含水量46.98～51.77%，直剪快剪Cq=8.5～15.0KPa,φq=1.0～2.0o。

1.4 主要特點

福寧灣圍墾工程特點表現(xiàn)在自然條件惡劣，體現(xiàn)在三個方面：

（1）堤線長，海堤總長5434m，中間沒有島嶼或島礁依托連接南北兩岸；

（2）海堤朝向開敞式海域，受外海涌浪影響；

（3）海堤基礎(chǔ)地質(zhì)條件差，持力層為深軟基，為淤泥和淤泥質(zhì)土層，厚度17～18m。

2 堵口前施工現(xiàn)狀25

福寧灣圍墾工程于2008年4月18日開工，至2011年10月17日止，工程形象進(jìn)度為：

2.1 海堤工程

2.1.1 南側(cè)海堤（3+200～5+434）

（1）堤身山土：樁號3+200～5+434堤段山土達(dá)到6.0m高程。

（2）外坡護(hù)面：樁號4+350～5+300堤段下坡面和4.5m高程平臺丁砌條石護(hù)面已完成。

2.1.2 北側(cè)海堤（0+000～2+400）

（1）堤身山土：樁號0+000～2+400堤段山土達(dá)到6.0m高程。

（2）外坡護(hù)面：樁號0+060～1+500堤段下坡面和4.8m高程平臺護(hù)面已完成。

2.2 水閘工程

南北兩岸水閘已完建并安裝調(diào)試，閘門啟閉自如，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)墾區(qū)水位。

2.3 口門段（2+400～3+200）施工

（1）拋石護(hù)坦：堵口段外海側(cè)拋石護(hù)坦基本完成。

（2）截流堤：南岸拋石截流堤已進(jìn)占至樁號2+900處，北岸已進(jìn)占至樁號2+800處，截流堤頂高程4.0m，形成寬度100m的小口門，口門底檻高程2.5m，基本上做到小潮期間不過流。

（3）閉氣體：樁號2+400～2+700堤段山土達(dá)到3.5m高程，樁號3+100～3+200堤段山土達(dá)到3.5m高程，閉氣體口門寬度約400m。

（4）閉氣體護(hù)底：堵口段內(nèi)海側(cè)閉氣體底部采用小型袋裝砂包壓頂進(jìn)行護(hù)底，護(hù)底高程在-0.5～0.0m。

（5）堵口段：樁號2+600～3+000的堵口段內(nèi)壓載拋石已施工至-0.5m高程，準(zhǔn)備加高至0.5m設(shè)計高程。

3 堵口擬定時間、位置

3.1 堵口時間段

根據(jù)自然條件，潮汐變化規(guī)律及現(xiàn)場施工狀況，該工程堵口時間選擇：11月29日～12月1日（農(nóng)歷十一月初五～初七）完成截流堤拋石合攏，12月20日（農(nóng)歷十一月二十六）前完成閉氣。

3.2 口門位置、寬度

堵口位置選擇應(yīng)考慮地形、地質(zhì)、水力條件和料場等因素，一般應(yīng)選擇在地質(zhì)條件較好和地勢較低的堤段。從該工程地形、地質(zhì)、水力條件、料場分布、施工運輸?shù)确矫婢C合考慮，堵口段選擇在堤線中部附近，即樁號2+600～3+000堤段。

堵口段寬度400m，兩側(cè)各留50m過渡段。堵口段灘涂面高程相對較低，為-2.2～-2.4m，地質(zhì)條件與兩側(cè)海堤相當(dāng)，水力條件尚好，口門位置便于南北兩岸土石料運輸，對南北兩岸同時進(jìn)占有利。

4 堵口基本條件分析

4.1 堵口前應(yīng)具備的基本條件

（1）海堤堤頂高程：海堤全線（堵口段除外）按設(shè)計全斷面堤頂高程達(dá)到5.5m以上，且堤身觀測穩(wěn)定。

（2）堵口段護(hù)底：堵口段外護(hù)坦拋石、人工排鐵籠按設(shè)計圖完成，截流堤底檻抬至2.0m設(shè)計高程。閉氣體護(hù)底采用充灌袋砂，設(shè)計高程在-0.27m～-0.23m。

（3）水閘工程：水閘要基本建成通水，做到水閘啟閉自如，水流進(jìn)出暢通無阻。

（4）海堤護(hù)坡砌筑：海堤全線（堵口段除外）外護(hù)坡砌筑高程達(dá)到5.0m高程以上，以防止冬季大潮和外海涌浪沖擊。

（5）海堤沉降、位移觀測：要求海堤地表垂直沉降≤10mm/日,地表水平位移≤5mm/日。

4.2 堵口施工期自然條件分析

（1）潮水：從2011年10月至2012年6月這一時段，高潮位逐漸降低，且這一時期為年內(nèi)中小潮期，大潮高潮位不超過3.4m，小潮高潮位不超過2.6m，有利于外護(hù)坡砌筑和閉氣山土填筑。

（2）臺風(fēng)浪：時適2011年臺汛期已過，此時至2012年5月這一時段內(nèi)，海堤不會遭受臺風(fēng)暴潮襲擊，但會受到冬季大潮和外海涌浪的一定影響。

（3）降雨：從10月至2012年春節(jié)期間，降雨較少，有利于堵口段山土填筑、合攏閉氣。

總體來看，堵口前施工現(xiàn)狀和海堤沉降、位移觀測值基本滿足了堵口具備的條件，同時考慮從10月至2012年春節(jié)期間進(jìn)行堵口施工有利于堵口段截流閉氣，堵口合攏后有較充裕的時間進(jìn)行護(hù)坡砌筑，迎接來年的防臺度汛。

5 堵口水力計算

堵口水力計算是推求堵口過程內(nèi)港水位隨時間的變化，以及在壓縮、抬高口門底檻過程中各水力要素（流速V、落差Z、單寬流量q）的變化規(guī)律，為做好口門防護(hù)和選擇堵口截流施工程序提供水力條件依據(jù)。

5.1 堵口施工期潮位資料分析

（1）堵口截流閉氣期間潮位情況

據(jù)三沙海洋站觀測資料分析預(yù)報，2011年11月潮位特征如下：月內(nèi)大潮期間最高潮位2.93m，出現(xiàn)在11月26日（農(nóng)歷十一月初二）10時13分；最低潮位：-3.72m，出現(xiàn)在11月26日（農(nóng)歷十一月初二）3時58分；最大潮差6.65m。月內(nèi)小潮期間最高潮位2.36m，出現(xiàn)在11月14日（農(nóng)歷十一月十九）5時24分；最低潮位：-2.58m，出現(xiàn)在11月14日（農(nóng)歷十一月十九）11時36分；最大潮差4.94m。

（2）堵口設(shè)計潮型選擇

本工程堵口施工期擬定在2011年11月20日至12月20日近2個月（農(nóng)歷十月二十四～十一月二十六）小潮期間進(jìn)行。堵口前預(yù)留的口門要經(jīng)歷11、12月期間大潮沖擊。為此，需分別選擇堵口施工期大小潮型。

堵口設(shè)計大潮型：根據(jù)三沙海洋站1964～2005年歷年11、12月月內(nèi)大潮期間的高潮位及對應(yīng)的低潮位序列資料統(tǒng)計，取其平均值，并結(jié)合目前施工現(xiàn)場潮位實際情況，來選取施工期堵口設(shè)計大潮型的特征值。選擇的施工期堵口設(shè)計大潮型曲線的高潮位為3.40m，相應(yīng)的低潮位取-3.70m。

堵口設(shè)計小潮型：同樣在歷年11、12月月內(nèi)小潮期間，采用與堵口設(shè)計大潮型選擇相同的原則，來選取施工期堵口設(shè)計小潮型的特征值。選擇的施工期堵口設(shè)計小潮型曲線的高潮位為2.50m，相應(yīng)的低潮位取-2.60m。

5.2 堵口水力計算

根據(jù)水量平衡原理進(jìn)行堵口水力計算，采用的計算公式為：

［Q內(nèi)±（Q閘+ Q泄+ Q滲）］·Δt=V2-V1

式中：

Q內(nèi)—計算時段內(nèi)內(nèi)陸流域來水平均流量，m3/s;

Q閘——計算時段內(nèi)水閘泄水平均流量，m3/s;

Q泄——計算時段內(nèi)龍口溢流平均流量，m3/s;

Q滲——計算時段內(nèi)龍口堆石體滲流平均流量，m3/s;

Δt——計算時段，可取900～1800s；

V2 ——計算時段末內(nèi)港庫容量，m3；

V1——計算時段初內(nèi)港庫容量，m3。

根據(jù)上述堵口設(shè)計大、小潮型和庫容曲線，按照上述公式采用電算法計算內(nèi)港水位過程線和龍口各水力要素，計算時考慮堵口期間兩岸水閘均參加分流。

將上述大小潮型水力計算成果繪成等值線圖，見圖1、圖2。

圖1 大潮型（大口門）水力計算等值線圖

圖2 小潮型（小口門）水力計算等值線圖

6 堵口截流施工程序

6.1 大口門施工程序

樁號2+400～3+200堤段為大口門，寬800m。樁號2+600～3+000堤段為小口門，寬400m。根據(jù)堵口施工期大潮型水力計算成果和大潮型（大口門）水力計算等值線圖，由大口門向小口門壓縮過程中，隨著口門底檻抬高，口門流速逐漸降低，當(dāng)?shù)讬懜叱?2.0m抬至+2.0m時，潮水流速由5.15m/s降至2.78m/s，流量逐漸減小，單寬流量由19.60 m3/s降至2.60m3/s。采用平立堵結(jié)合的方法，按下述（1）、（2）、（3）、（4）程序依次進(jìn)行：

（1）平堵:大口門樁號2+400～3+200堤段護(hù)底拋石底檻平堵抬高至0.0～0.5m高程。

（2）立堵：利用小潮期從口門兩側(cè)分別進(jìn)占150m，形成口門樁號2+550～3+050，寬500m，在此期間拋石底檻高程相應(yīng)抬高至0.5～1.0m。

（3）平堵：利用退潮從樁號2+550～3+050堤段兩端車拋石并進(jìn)，將截流堤底檻平堵抬高至1.5～2.0m高程。

（4）立堵：利用小潮期從樁號2+550～3+050堤段兩端按3.5m高程車拋石并進(jìn)，壓縮口門至樁號2+600～3+000，寬400m，形成小口門堤段，此時，小口門拋石底檻已達(dá)2.0m高程。

在上述施工過程中應(yīng)同時做好口門段閉氣體區(qū)域底部充灌砂袋護(hù)底工作，以防泥質(zhì)基礎(chǔ)被沖刷。

根據(jù)上述2.3節(jié)海堤堵口前施工現(xiàn)狀的描述，此時小潮期間的潮水基本不過流，將剩下的100 m口門封堵已經(jīng)沒困難。

6.2 小口門施工程序

從小口門堵口水力計算成果和水力計算等值線圖分析來看，底檻抬至2.0m高程以后，最大流速＜1.7m/s，單寬流量＜1.0m3/s，且壓縮口門對流速沒有影響，故可采取單向立堵快速截流。根據(jù)上述實際施工現(xiàn)狀，施工單位于11月21日（農(nóng)歷10月26），按 4.0m高程將100m的口門一次性實施立堵合攏。

6.3 閉氣體施工

當(dāng)截流堤合攏，閉氣體充灌袋護(hù)底和內(nèi)壓載拋石完成后，山土閉氣應(yīng)緊密結(jié)合潮水，出水面小斷面快速填筑合攏后再加固培厚，達(dá)到設(shè)計全斷面。閉氣體施工要緊跟截流堤前進(jìn)，利用兩岸水閘控制內(nèi)港水位，進(jìn)行山土填筑，將閉氣體填筑至3.5m高程，形成23m面寬，內(nèi)坡1：8的閉氣土體，具體施工過程按4個步驟進(jìn)行：

（1）利用小潮期有利時機(jī)，出水面小斷面快速填筑合攏，填筑高程分2.5m，2.0m二級；

（2）當(dāng)潮水轉(zhuǎn)為中潮時，對小斷面進(jìn)行適當(dāng)加高、培厚、拓寬，填筑高程分3.0m，2.5m，2.0m三級；

（3）當(dāng)潮水轉(zhuǎn)為大潮時，對閉氣斷面進(jìn)一步適當(dāng)加高、培厚、拓寬，填筑高程分3.5m，3.0m二級；

（4）山土閉氣全斷面填筑至3.5m高程。

至2011年12月25日，海堤全斷面施工至3.5m高程，福寧灣堵口工程一氣呵成，成功截流閉氣。

6.4 沉降位移觀測

在堵口施工過程中，必須結(jié)合堵口段附近已設(shè)觀測點的沉降、位移的觀測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工，根據(jù)河海大學(xué)關(guān)于《福寧灣圍墾工程海堤施工安全監(jiān)測報告》，在堵口段附近設(shè)置的觀測斷面有樁號2+000和2+500兩個斷面，每個斷面在外壓載、截流堤、堤頂?shù)?處設(shè)觀測點。截取2011年8月～2012年8月間即堵口前后1年期間每月的沉降和位移觀測值，換算成日沉降值，以此來判斷海堤是否處于穩(wěn)定和安全狀態(tài)。

根據(jù)設(shè)計要求：從“觀測報告”的觀測數(shù)據(jù)可看出，堵口段附近的2+000和2+500斷面在外壓載、截流堤和堤頂3處觀測點的日平均沉降值在2.0～9.7 mm/d，2+000斷面最大值是在堤頂處為10.2mm/d，2個斷面沉降值基本≤10mm/d，2+500斷面最大值也是堤頂為12.9mm/d，是在堵口期間閉氣體還未施工至3.0m高程，滿足3.0m高程以下時＜20mm/d要求；深層側(cè)向位移值在0.1～0.4 mm/d，＜5mm/d允許值。

截至2013年7月，福寧灣海堤基本完工，距2011年12月底海堤堵口閉氣合攏有1年半的時間，海堤經(jīng)受了各種臺風(fēng)、大潮、風(fēng)浪打擊考驗，處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，因此可以肯定的說福寧灣海堤堵口設(shè)計和施工是成功的。

7 感想和建議

福寧灣圍墾工程于2008年4月18日開工，2011年11月15日開始堵口截流，2011年12月25日閉氣合攏成功，截止2013年7月工程接近完工。該工程實現(xiàn)一次性堵口合攏和閉氣成功，同時沒有出現(xiàn)滑坡、沖刷、塌陷等安全事故，對于圍墾面積達(dá)3.41萬畝，一潮吞吐量達(dá)7760萬m3的圍墾工程來說，是一個成功的案例。通過該工程的實施，筆者有如下感想和建議：

7.1 選擇正確的堵口時間段

堵口時間段應(yīng)選擇一年中的小潮期，根據(jù)我省的潮汐情況，一年中的4～5月和11～12月是小潮期，同時也避開了6～10月我省的臺風(fēng)暴潮的侵襲。結(jié)合本工程的施工進(jìn)度，選擇10月底進(jìn)行堵口合攏截流是適當(dāng)?shù)摹?/p>

7.2 選擇合適的堵口位置

根據(jù)地形、地質(zhì)、料場、施工和水流等情況和條件，本工程堵口位置選擇在樁號2+600～3+000堤段，該堤段位于堤線中部，選擇該處做為堵口段位置有以下好處：

（1）土石料場分布在兩岸堤頭，便于兩岸施工車輛運料同時進(jìn)占，保證施工進(jìn)度；

（2）堵口段地質(zhì)條件與其他堤段相當(dāng)，地形位于堤線灘涂最低處，利于口門水流進(jìn)出，改善口門水力條件。

7.3 選擇適宜的堵口施工程序和步驟

在確定堵口時間段后，根據(jù)潮汐變化規(guī)律擬定堵口施工程序和步驟，通過該工程堵口施工實踐，在小潮期間進(jìn)行拋石體（截流堤）快速截流，在接下來的閉氣體施工應(yīng)緊跟潮水，分區(qū)分級進(jìn)行。小潮期出水面、小斷面快速閉氣，中大潮期進(jìn)行加高培厚，逐漸形成全斷面。

7.4 做好閉氣體護(hù)底工作

口門在壓縮過程中，水流條件是越來越惡劣，流速增大，內(nèi)外水位差也增大，水流對閉氣體底部的沖擊破壞力增強。如果閉氣體護(hù)底沒做好，就會被淘刷，破壞堤身基礎(chǔ)，形成沖刷坑。閉氣體底部為砂墊層和軟土層，砂墊層為中粗砂，其允許抗沖平均流速0.40～0.80m/s，軟土層為淤泥，其允許抗沖平均流速0.19～0.26m/s，根據(jù)堵口水力計算成果，口門流速為1.66～5.46m/s，因此堵口段閉氣體基礎(chǔ)必須要進(jìn)行護(hù)底，主要采取充灌砂袋鋪設(shè)和砂袋拋填兩種措施以增強底部抗沖刷能力，實踐證明取得了良好效果。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.01.025

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1672-2469（2014）01-0075-05

劉震（1969年—），男，高級工程師。