高灘區(qū)域閘箱式水門沖刷防護(hù)要點(diǎn)

陳景豐，劉寶中

（中交上航局上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

高灘區(qū)域閘箱式水門沖刷防護(hù)要點(diǎn)

陳景豐，劉寶中

（中交上航局上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

吹填工程中排水口的布置對(duì)有效提高圍區(qū)蓄泥能力，減少泥沙流失，保證圍區(qū)泥沙的平整度以及減輕吹填尾水對(duì)周邊環(huán)境的污染等起著至關(guān)重要的作用，其布置形式是直接關(guān)系吹填工程能否順利開(kāi)展的主要因素之一。文章重點(diǎn)結(jié)合南通通州灣港區(qū)二港池匡圍二期西區(qū)吹填工程實(shí)例，著重介紹了吹填過(guò)程中初始設(shè)計(jì)的排水口被沖刷破壞的具體原因。對(duì)特殊工況下閘箱式排水口布置施工過(guò)程中遇到的重點(diǎn)及難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)提出了具體消能防護(hù)措施，為排水口布置施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

排水口水門；主要因素；高灘

0 引言

常規(guī)吹填工程施工過(guò)程中，排水口出口位置一般通過(guò)安裝導(dǎo)流槽、外側(cè)坡腳處拋填塊石的方式進(jìn)行消能。本工程水門布置于龍口段，此區(qū)域內(nèi)堤身寬度較大，原始灘涂地形較高，泥沙顆粒細(xì)小，分布均勻，無(wú)黏性，抗沖刷性極差。在吹填尾水的沖刷作用下，原始灘地極易發(fā)生變形，導(dǎo)致排水槽底部砂土流失、排體邊緣產(chǎn)生侵蝕性溝槽并不斷發(fā)展，危及堤身安全。因此在考慮堤腳處不被沖刷的同時(shí)，如何防范排水口范圍內(nèi)不被沖刷尤為重要。

1 排水口水門的作用

排水口水門是圍區(qū)吹填的主要排水設(shè)施，其作用為：排除殘留在圍區(qū)內(nèi)的大量清水，在吹填過(guò)程中調(diào)整圍區(qū)內(nèi)水位，以控制土方流失和達(dá)到吹填面的平整。排水口水門布置作為圍堤和吹填施工的輔助工程，布置的好壞與否對(duì)吹填過(guò)程中的泥沙沉淀、淤泥處理等都起著至關(guān)重要的作用。此外，水門布置時(shí)應(yīng)充分考慮吹填區(qū)的平面位置、絞吸船工況特性、泥沙顆粒沉淀特性、原始灘面和潮位的相對(duì)關(guān)系等方面因素。

2 排水口的選擇

排水口的結(jié)構(gòu)形式分為閘箱式、薄壁堰式和溢流式等等。本工程綜合以下4個(gè)方面的原因，采用閘箱式排水口：

1）地表層土性近砂質(zhì)粉土，圍區(qū)內(nèi)泥沙不易沉淀，施工過(guò)程中極易產(chǎn)生流失；

2）圍堤施工與吹填施工交叉作業(yè)較為頻繁，為避免吹填施工對(duì)圍堤施工帶來(lái)不必要的干擾，保證圍堤外側(cè)護(hù)坡結(jié)構(gòu)正常施工，導(dǎo)致堤頂?shù)缆繁仨毐３滞〞常?/p>

3）溢流式排水口外側(cè)消能防護(hù)日常維護(hù)費(fèi)用較大；

4）施工海域潮差較大，水位變動(dòng)對(duì)吹填排水影響極大。

3 閘箱式水門的工作原理

閘箱式排水口主要是由水門箱（一般為鋼制）和輸水鋼管相連而成（見(jiàn)圖1），水箱安置在圍區(qū)內(nèi)側(cè)設(shè)置相應(yīng)閘槽，吹填施工時(shí)采用在閘槽里放置木質(zhì)閘板，通過(guò)層層疊加繼而阻擋泥沙抬高水位，使吹填清水通過(guò)擋板上端溢流進(jìn)閘箱，并通過(guò)輸水管排出圍區(qū)，進(jìn)而達(dá)到排水效果[1]。

圖1 閘箱式水門Fig.1 Box watergate

4 閘箱式水門設(shè)置的影響因素

1）排水口的平面位置

排水口的位置選擇應(yīng)根據(jù)吹填區(qū)的地形，吹填區(qū)范圍的幾何形狀，排水總流量等綜合考慮，選擇在有利于加長(zhǎng)泥沙流程，從而有利于泥沙的沉淀，減少流失率的位置，大多選擇布置于吹填區(qū)的死角處[2]。

2）絞吸船特性

吹填施工過(guò)程中，要充分考慮絞吸船自身流速和濃度的雙重因素的影響。泥漿濃度越高其攜砂能力越差，即流速相應(yīng)的就會(huì)減少，為減少泥沙流失率，可以根據(jù)現(xiàn)有沙質(zhì)粒徑，庫(kù)區(qū)內(nèi)的灘面高度及絞吸船流速等，通過(guò)粗算流經(jīng)距得出吹填出口距離排水口的最小距離[3]。

3）原灘面與潮位的相對(duì)關(guān)系

為保證吹填施工中排水口的正常工作，必須充分考慮在漲潮持續(xù)時(shí)間段內(nèi)，潮汐水對(duì)排水口泄水能力的影響。防止出現(xiàn)受庫(kù)區(qū)內(nèi)外水位差的長(zhǎng)期影響下導(dǎo)致排水口泄水能力大幅度下降，進(jìn)而不能滿足施工排水要求的現(xiàn)象[4]。

5 本工程水門箱的實(shí)施情況

本工程曾先后2次對(duì)同一排水口采用不同形式的處理施工，由初次防護(hù)施工失敗，致使排水口堤身范圍內(nèi)出現(xiàn)大范圍的坍塌到第二次優(yōu)化設(shè)計(jì)施工，使排水口成功穩(wěn)定排水，為高灘、沙洲條件下布置閘箱式排水口施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

5.1 工程概況

本工程施工區(qū)域地表層土性近砂質(zhì)粉土，土質(zhì)抗沖性差，表層土對(duì)流場(chǎng)變化敏感，受水流作用易變形，繼而引起連鎖反應(yīng)。考慮到排水口布置區(qū)域原始灘地為+4.5~+4.8 m左右，是整個(gè)內(nèi)港池內(nèi)灘地最高區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有的情況推測(cè)，排水口一旦開(kāi)始發(fā)揮排水功能，吹填尾水勢(shì)必會(huì)造成堤身外側(cè)區(qū)域?yàn)┑貨_刷，最終形成水槽。為減小該水槽對(duì)龍口段堤身帶來(lái)不確定沖刷影響，現(xiàn)于排水管南北兩側(cè)構(gòu)筑丁壩，使吹填尾水限流歸槽。此外在兩丁壩之間區(qū)域水槽內(nèi)布置一系列消能設(shè)施，使排出的吹填尾水逐步消能，從而盡可能減少吹填尾水對(duì)外側(cè)灘地的不確定沖刷破壞，進(jìn)而使出口水流在指定的區(qū)域內(nèi)做到“遠(yuǎn)離堤身、定向流動(dòng)，逐步消能”。

5.2 初始排水口設(shè)計(jì)施工

1）限流歸槽

為防止吹填尾水四處擴(kuò)散，對(duì)龍口周邊灘地肆意沖刷，現(xiàn)通過(guò)在排水口兩側(cè)構(gòu)筑袋裝砂丁壩（見(jiàn)圖2），使吹填尾水限流歸槽，即出口水流沿著指定方向定向匯入外海，以此盡可能限定末端水流對(duì)堤腳及龍口位置的沖刷破壞范圍。

2）水槽護(hù)底

圖2 丁壩構(gòu)筑施工Fig.2 Build construction of the spur

為防止吹填尾水直接對(duì)護(hù)底軟體排進(jìn)行沖刷破壞，由此引起護(hù)底排體下方泥沙浮動(dòng)形成底部泥沙流失，導(dǎo)致水槽發(fā)生坍塌，在排體上方進(jìn)行袋裝砂壓載，以此盡可能保護(hù)護(hù)底軟體排和底部灘地。此外，水槽內(nèi)袋裝砂施工過(guò)程中要遵循逐步降低的原則，即自排水口出口至水槽末端，袋體標(biāo)高逐級(jí)降低（見(jiàn)圖3），以此達(dá)到平順降低水頭的目的。

圖3 水槽成梯次結(jié)構(gòu)進(jìn)行泄水Fig.3 Water tank is discharging in echelon structure

3）水槽內(nèi)消能措施

水槽內(nèi)通過(guò)構(gòu)筑橫壩（見(jiàn)圖4），水流經(jīng)過(guò)橫壩產(chǎn)生水躍，水躍將泄水建筑物泄出的急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?，以消除?dòng)能的方式進(jìn)行消能。此水躍消能主要靠水躍產(chǎn)生的表面旋滾及旋滾與底流間的強(qiáng)烈紊動(dòng)、剪切和摻混作用，繼而降低水流流速。

圖4 隔壩施工Fig.4 Build construction of separate dam

本工程通過(guò)構(gòu)筑一系列袋裝砂橫壩，將水槽逐步分割成若干個(gè)封閉區(qū)域，水流經(jīng)過(guò)隔壩，動(dòng)能減少，勢(shì)能增加，使得水流盡可能以溢流方式進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域，最終經(jīng)過(guò)多區(qū)域的消能，極大地降低防護(hù)邊緣的水流流速。

5.3 排水口破壞形式及原因

1）水槽內(nèi)側(cè)過(guò)水不均勻

由于水槽內(nèi)側(cè)標(biāo)高局部存在不平整，導(dǎo)致過(guò)水?dāng)嗝娌痪鶆颍ㄒ?jiàn)圖5），過(guò)水?dāng)嗝鏈p小使水流流速增大，末端的跌落水更為明顯，此跌落水特別集中于對(duì)外側(cè)排邊沖刷。排體一旦發(fā)生破壞直接導(dǎo)致排體下方灘地泥沙流失，即局部出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)坍塌，在此種粉細(xì)砂的地質(zhì)條件下很快就會(huì)出現(xiàn)大范圍的坍塌，長(zhǎng)此以往直接沿著過(guò)水處慢慢逼至堤身，進(jìn)而危及堤身安全。

圖5 水槽內(nèi)水流過(guò)水不均勻Fig.5 Water uneven flow in the water tank

2）水槽池內(nèi)側(cè)袋體缺少防護(hù)

前期水槽內(nèi)側(cè)兩丁壩之間全部采用袋裝砂壓載防護(hù)即水流全部從袋裝砂上過(guò)水，長(zhǎng)此以往袋裝砂逐漸變?yōu)樗柡蜖顟B(tài)，此狀態(tài)下袋體抗沖刷能力差，受水流縱向剪切力直接導(dǎo)致袋體被撕壞，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌破壞。

3）水槽末端不易防護(hù)

西區(qū)設(shè)計(jì)預(yù)留龍口周邊平均灘地為+4.5~+4.8 m左右，排體外側(cè)的灘地多為粉土，土質(zhì)抗沖性極差，受水流作用易變形。在周期性漲落潮影響下，龍口外側(cè)局部灘地被大量沖刷，地形、地貌也產(chǎn)生巨大變化形成溝槽。由于排水口布置在龍口端部區(qū)域，同時(shí)排水過(guò)程中持續(xù)對(duì)末端灘地進(jìn)行沖刷（特別是低平潮時(shí)段，水位差最多時(shí)為4 m），逐步形成了與龍口溝槽相連通向外海的水槽。防護(hù)區(qū)域外水流沖刷的無(wú)序性和溝槽的擺動(dòng)性，極大程度的增加了施工難度。

5.4 二次優(yōu)化設(shè)計(jì)施工

在考慮現(xiàn)場(chǎng)工況特點(diǎn)的情況下，我們采取了一定的措施進(jìn)行相應(yīng)的初次設(shè)計(jì)施工，但現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的外部條件導(dǎo)致的失敗，對(duì)我們防護(hù)方案和工藝提出了進(jìn)一步的要求。經(jīng)過(guò)充分分析和探討，我們重點(diǎn)對(duì)以下幾方面進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化。

1）水槽內(nèi)側(cè)加固施工

考慮袋裝砂在水流剪切力作用下，初期形成水飽和狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間維持在此狀態(tài)下極易被拉壞，進(jìn)而導(dǎo)致水槽主體產(chǎn)生破壞。為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生，與此同時(shí)加固水槽整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在內(nèi)部袋裝砂結(jié)構(gòu)施工完成后，袋體上方鋪設(shè)軟體排及復(fù)合土工布（圖6），同時(shí)為防止再次出現(xiàn)水飽現(xiàn)象，水槽內(nèi)全部進(jìn)行塊石壓載。

圖6 水槽內(nèi)鋪設(shè)軟體排Fig.6 Laying of soft mattress in water tank

2）排水口末端處理

排水口末端直接與外海相連，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接決定著排水口的成敗與否。首先水槽末端構(gòu)筑石壩減緩水流流速，同時(shí)石壩與水槽連接處的軟體排也需通過(guò)塊石壓載，并確保軟體排底部和拋石壓載伸入深槽底部（圖7），以此避免排體下方的灘地二次沖刷形成侵蝕。塊石壓載完成后，通過(guò)挖機(jī)將區(qū)域塊石整理成具有一定坡度的斷面，層層消能，最終使吹填尾水通過(guò)石縫中滲出平緩流入下游水槽中，進(jìn)而達(dá)到預(yù)期消能效果。

圖7 水槽末端防護(hù)Fig.7 Protection at the end of water tank

6 結(jié)語(yǔ)

排水口雖然只是疏浚吹填工程中控制尾水排放的臨時(shí)性輔助設(shè)施，卻對(duì)提高吹填區(qū)泥沙沉淀效果，減少泥漿對(duì)環(huán)境的污染等方面起直接調(diào)控作用。本工程高灘沙洲條件下，針對(duì)首次排水口處理施工中存在的不足之處進(jìn)行總結(jié)，對(duì)前期出現(xiàn)容易引起的幾種不同破壞形式進(jìn)行分析并提出相應(yīng)措施，及時(shí)調(diào)整施工工藝及防護(hù)措施，達(dá)到了防護(hù)效果，希望能為類似工況水門的施工提供借鑒。

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CHEN Yi-xin,TANG Chen-di.Application of gate box drainage in filling projects[J].Low Carbon World,2013(10):320-322.

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ZHANG Shao-qiang.Research and application of new drainage technology of land reclamation project[J].Shandong Traffic Science and Technology,2015(2):79-80.

Key points of scour protection of box watergate at high beach

CHEN Jing-feng,LIU Bao-zhong
（SDC Shanghai Communications Construction Contracting Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

The layout of drainage gate in reclamation project plays very important role in improving the capacity of mud accumulation in the surrounding area,reducing the loss of sediment,ensuring the smoothness of the sediment in the surrounding area and reducing the pollution of the surrounding environment by blowing off the tail water.The layout form is one of the main factors that directly affect the smooth development of the project.Taking the reclamation project at the west of the phase II inning project in Tongzhou Bay basin 2,Nantong as an example,we introduced the specific reason of the drainage outlet of initial design was destroyed by scouring during reclamation,analyzed the key points and difficulties encountered during the construction of the gate-type drainage outlets under the special conditions,and put forward the definite energy dissipation protection measures,which provide valuable experience for the drainage outlet arrangement.

watergate at drainage outlet;major factor;high beach

U657.3

B

2095-7874（2017）04-0081-04

10.7640/zggwjs201704018

2017-02-27

2017-03-14

陳景豐（1988— ），男，河北省人，助理工程師，水利水電工程專業(yè)。E-mail：282482034@qq.com