外海人工島島頭區(qū)碎石墊層防淤減淤

王殿文

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

港珠澳大橋E33沉管位于外海東人工島西側(cè)，受大嶼山沿岸流和東人工島島頭挑流影響，安裝區(qū)流場復(fù)雜，碎石墊層回淤大。為了降低回淤對沉管安裝的影響，開展了東島島頭區(qū)碎石墊層防淤減淤綜合治理措施研究，采用防淤蓋板和防淤屏對E33沉管碎石墊層進(jìn)行防淤減淤，并進(jìn)行了現(xiàn)場大規(guī)模的試驗驗證，對潮位、海水濁度等一系列實(shí)時觀測。經(jīng)過多種手段監(jiān)測顯示，防淤蓋板和防淤屏有效控制了E33對接段回淤影響，安裝前監(jiān)測結(jié)果顯示，碎石墊層上基本無回淤，滿足設(shè)計要求。該防淤減淤綜合治理方案可以在類似工程中以及開口式施工區(qū)域使用。

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程由東人工島、西人工島和沉管隧道三大部分組成，其中隧道部分由33節(jié)預(yù)制沉管組成，全長5 664 m，跨越伶仃西和銅鼓主航道，單節(jié)標(biāo)準(zhǔn)沉管長180 m，重量約75 000 t，最大水下埋置深度達(dá)到46 m，是迄今為止世界上規(guī)模最大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)深埋沉管海底隧道。

島隧結(jié)合部位于東人工島島頭，是E33沉管安裝的位置，與東人工島現(xiàn)澆暗埋段連接，從而實(shí)現(xiàn)島隧轉(zhuǎn)換。由于該水域施工界面狹窄，海流情況復(fù)雜，作業(yè)周期長，成為港珠澳大橋沉管安裝施工中最為復(fù)雜和最為關(guān)鍵的部分之一。

2 東人工島島頭情況

在東人工島鋼圓筒拆除后，為了減小潮流對島頭區(qū)沉管安裝施工的影響，在島頭開敞水域呈“V”字形安裝21塊擋浪塊形成導(dǎo)流堤，北側(cè)導(dǎo)流堤長72 m，以直線布置，與E33沉管軸線夾角27°，后進(jìn)行適當(dāng)加長；南側(cè)導(dǎo)流堤長102 m，以折線布置，近鋼圓筒段長18 m，與E33沉管軸線夾角35°剩余84 m段與E33沉管軸線平行。

導(dǎo)流堤采用方塊重力式結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)塊體尺寸為 4．0 m×6．0 m×6．0 m，南堤拐角處塊體加強(qiáng)為5．0 m×6．0 m×6．0 m。塊體安裝底標(biāo)高為-5．0 m，堤頂標(biāo)高為+1．0 m。導(dǎo)流堤平面布置方式如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流堤及E33碎石墊層分區(qū)示意圖Fig.1 Zoning diagram of diversion dike and E33 gravel cushion

根據(jù)數(shù)學(xué)模型試驗研究成果，在東島島頭采用導(dǎo)流堤掩護(hù)方案后，島頭E33外側(cè)存在明顯的繞流區(qū)。增加導(dǎo)流堤后，對現(xiàn)場進(jìn)行回淤監(jiān)測和流場觀測，發(fā)現(xiàn)島頭區(qū)域水流動力條件變差，容易發(fā)生基床落淤，回淤強(qiáng)度超過1 cm/d。

東人工島島頭內(nèi)的陸上人工碎石墊層整平在島內(nèi)回水后水下放置時間較長，約為半年，筒內(nèi)挖沙及大圓筒切割后可能帶來基床回淤影響；潛水水下整平作業(yè)約為20 d，按照實(shí)測的回淤強(qiáng)度計算，其碎石墊層上的回淤厚度將超限。

3 碎石基床減淤清淤綜合治理措施

3.1 E33基礎(chǔ)設(shè)計

E33沉管東側(cè)長約45 m位于人工島內(nèi)，其余位于島外，受島頭鋼圓筒影響，碎石基床采用陸上預(yù)鋪、人工潛水鋪設(shè)和整平船鋪設(shè)相結(jié)合的施工方式。E33沉管干施工的為A區(qū)、人工潛水整平區(qū)域為B區(qū)、其余采用整平船整平區(qū)域為C區(qū)，施工效果圖見圖1。

3.2 基床防淤措施

1）A區(qū)措施

干施工段基礎(chǔ)在海底暴露時間較長，干施工段采用防淤蓋板法進(jìn)行防淤[1]。防淤蓋板在安裝前3 d進(jìn)行拆除。為了便于鋼蓋板拆除方便和保證鋼蓋板結(jié)構(gòu)安全，項目部不間斷進(jìn)行防淤蓋板清淤施工，清淤設(shè)備采用吸沙泵，潛水員水下配合清淤。防淤蓋板設(shè)置見圖2。吸沙泵型號：4SPA-100、176 m3/h、揚(yáng)程18～24 m、功率11 kW。

圖2 吸沙泵布置位置圖Fig.2 Location map of sand suction pump

2）B區(qū)措施

受導(dǎo)流堤的影響E33沉管碎石基床落淤強(qiáng)度增大，根據(jù)綜合治理分析在B區(qū)采用防淤屏進(jìn)行防淤。防淤屏位置圖見圖3。

圖3 防淤屏位置圖Fig.3 Location map of anti-silting screen

防淤屏兩端固定在最西側(cè)第2個擋流塊上。在防淤屏外側(cè)原泥面拋設(shè)2口8tHY-17錨。提前將最西側(cè)的2塊擋流塊采用鋼絲繩、圓管連接在一起。

4 防淤屏設(shè)計

4.1 防淤屏結(jié)構(gòu)

防淤屏主要由浮體、裙體、配重三部分組成。浮體為水上主體：由聚苯乙烯泡沫用耐油塑料膜密封，包裹在PVC雙面涂覆布中，浮子的間距形成柔性段保證防淤屏的可折疊性和乘波性[2]。裙體為水中主體：采用長絲機(jī)織土工布加肋組成，是截淤的主要部分。配重：采用不同直徑的鏈條組成，在裙體下方，防止防淤屏底部隨流產(chǎn)生過大漂移[3]。防淤屏設(shè)計圖見圖4。

圖4 防淤屏設(shè)計圖Fig.4 The design drawing of anti-silting screen

4.2 防淤屏設(shè)置

將浮體以下5 m的裙體連接高強(qiáng)度繩網(wǎng)，在繩網(wǎng)的下方連接長絲機(jī)織土工布及加強(qiáng)帶，在最下方采用錨鏈。考慮渾水帶分布可能不規(guī)律情況，同時制作5 m長的土工布作為備案，替代高強(qiáng)度繩網(wǎng)。在基槽底部放置一定的配重混凝土塊，與防淤屏連接，減少裙體較大漂移量[4]。

為了防止防淤屏裙體底部剮蹭基床，導(dǎo)致防淤屏破壞，裙體設(shè)計長度為14 m；同時為了防止防淤屏底部配重剮蹭邊坡，在邊坡位置適當(dāng)縮短裙體長度；防淤屏總迎流投影面積約為2 000 m2。

4.3 防淤屏優(yōu)化

第一階段回淤監(jiān)測之后，開展了優(yōu)化防淤屏設(shè)計，減小防淤屏底部的水體交換的研究；即在防淤屏底部增加裙體，預(yù)計增加裙體超過600 m2。

在防淤屏底部增加裙體后，防淤屏內(nèi)側(cè)濁度降低明顯，同時有效避免了高潮期內(nèi)側(cè)濁度大于外側(cè)的情況。

5 防淤屏實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析

5.1 試驗時間

本次防淤屏試驗時間為2016年7月15日—7月29日，陰歷時間為六月十二—六月廿六。觀測時段覆蓋大、中、小潮期。

5.2 濁度測量

水密度、濁度觀測采用溫鹽深濁度計，儀器參數(shù)如表1。

表1 濁度計參數(shù)表Table 1 Turbidimeter parameter table

5.3 回淤盒監(jiān)測

在E33沉管干施工第3條壟（A區(qū)）、人工整平區(qū)域（B區(qū)）和沉管尾端設(shè)置3處回淤盒安放處，每處各并列放置3個回淤盒。按照監(jiān)控指令取放回淤盒，各安裝處回淤盒取3次，每次從各個點(diǎn)取出1個回淤盒。每次提取回淤盒前應(yīng)封閉盒蓋，記錄準(zhǔn)確取盒時間，取盒后應(yīng)進(jìn)行淤積厚度、粒度等分析，并保留樣品。

5.4 多波束掃測

采用多波束測深系統(tǒng)分別于防淤屏安裝前后每日對E32、E33沉管區(qū)域進(jìn)行掃測，分析防淤屏安裝前后基槽日均回淤量[5]。

5.5 數(shù)據(jù)分析

5.5.1 濁度分析

7月19日—29日每天進(jìn)行東島島頭段海水密度、濁度觀測6次，觀測時間分別為高潮High Tide（H1）、低潮 Low Tide（L1）、次高潮（H2）、次低潮（L2）、落潮 Ebb Tide（ET）、漲潮 Flood Tide（FT）。

從水下15 m的濁度平均情況看，防淤屏內(nèi)側(cè)（ZD2）濁度是外側(cè)的78%；其中16個測次顯示防淤屏內(nèi)側(cè)濁度比外側(cè)高，主要集中在高潮期間；其他測次均為防淤屏內(nèi)側(cè)濁度低于外側(cè)。

從潮汐對應(yīng)的濁度數(shù)據(jù)分析，除了次高潮期其余時間ZD2的15 m層平均濁度均小于ZD1；次高潮期間ZD1、ZD2濁度整體相差不大，如圖5所示。

圖5 東人工島島頭段增加防淤屏后濁度折減率Fig.5 The turbidity reduction rate of the head area of east artificial island after adding the anti-silting screen

從水下15 m的平均含沙量看，防淤屏內(nèi)側(cè)含沙量（ZD2）是外側(cè)（ZD1）的62%。

5.5.2 回淤盒數(shù)據(jù)分析

1）A區(qū)回淤盒

安裝防淤屏之前，在A區(qū)共放置回淤盒9個，回淤盒日回淤強(qiáng)度平均為0．92 cm，最大值單日回淤強(qiáng)度為1．5 cm。安裝防淤屏后，A區(qū)放置回淤盒3個，回淤盒日回淤強(qiáng)度平均值為0．61 cm，是原來回淤強(qiáng)度的66%。

2）B區(qū)回淤盒

安裝防淤屏之前，B區(qū)回淤盒日回淤強(qiáng)度平均為1．25 cm，最大值單日回淤強(qiáng)度為1．5 cm。安裝防淤屏后，B區(qū)回淤盒日回淤強(qiáng)度平均值為0．54 cm，最大值單日回淤強(qiáng)度為0．57 cm。日均回淤強(qiáng)度減小到原來的43%。

5.5.3 多波束數(shù)據(jù)分析

防淤屏試驗前后（7月14日、7月31日），分別對E33進(jìn)行多波束掃測。

多波束數(shù)據(jù)顯示，增加防淤屏后，E33沉管B區(qū)、C區(qū)日均回淤量平均為0．3 cm，是原來回淤強(qiáng)度的45%[6]。

5.6 試驗小結(jié)

經(jīng)過7月15日—7月29日的現(xiàn)場防淤屏減淤試驗數(shù)據(jù)分析，初步結(jié)論如下：

A、B區(qū)回淤盒數(shù)據(jù)顯示，回淤強(qiáng)度減少明顯，是原來回淤強(qiáng)度的50%～60%左右；多波束顯示B、C區(qū)回淤強(qiáng)度減少明顯，是原來回淤強(qiáng)度的45%左右；防淤屏內(nèi)外兩側(cè)濁度差別較為明顯，內(nèi)側(cè)濁度約為外側(cè)的78%（含沙量：62%）。

綜上，安裝防淤屏后回淤強(qiáng)度和濁度減少明顯，回淤強(qiáng)度是原來的50%左右，防淤屏減淤效果較為明顯。另外，防淤屏減淤效果和潮型、潮差相關(guān)；大潮濁度絕對值大于小潮、中潮；低潮期的濁度絕對值小于高潮位的數(shù)據(jù)。

因此該防淤屏結(jié)構(gòu)滿足外海施工的要求，制作拼裝方式、安裝工藝是可行的，設(shè)計的錨系和兩端固定的錨泊系統(tǒng)基本適應(yīng)外海施工要求。

6 結(jié)語

E33沉管碎石墊層防淤減淤綜合治理方案很好地保障了E33沉管碎石墊層質(zhì)量，安裝前監(jiān)測結(jié)果顯示，碎石墊層上基本無回淤，滿足了設(shè)計要求。

2016年10月8日E33沉管完成水力壓接，完成了與東人工島暗埋段的成功對接，貫通測量結(jié)果顯示，E33沉管軸線首端偏差、相鄰沉管相對橫向、豎向偏差實(shí)現(xiàn)了“三零”的既定目標(biāo)精度。E33的精準(zhǔn)安裝再次證明綜合防淤措施是可行的、有效的。該防淤清淤綜合治理方案可以在類似工程中、開口式施工區(qū)域使用。