湄洲灣石門澳工程圍堤龍口合龍施工工藝

(中交上航局航道建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200)

湄洲灣石門澳工程位于福建莆田秀嶼區(qū)，屬?gòu)?qiáng)潮海區(qū)，以半日分潮占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，本工程海域的潮汐屬于正規(guī)半日潮。但湄洲灣潮差大，平均潮差4.60m以上，最大潮差7.0m以上。根據(jù)設(shè)計(jì)方案和工程進(jìn)度要求，綜合水文氣象等條件，對(duì)圍堤龍口的布置、堵口順序、實(shí)施方案優(yōu)化等進(jìn)行了研究。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

湄洲灣石門澳工程圍堤總長(zhǎng)7.4km，堤身為堤心石結(jié)構(gòu)，地基處理采用基槽開挖、回填砂墊層、插打塑料排水板的方式。圍墾區(qū)新建4號(hào)堤、東堤、南堤，圍墾區(qū)被9號(hào)隔堤分割成C-1和C-2兩個(gè)圍區(qū)，其中C-2圍區(qū)面積151.5萬(wàn)m2，C-2區(qū)吹填軟土標(biāo)高+10.0m(秀嶼當(dāng)?shù)乩碚摳叱?，下?，圍區(qū)原始泥面平均標(biāo)高+3.45m。所有吹填土均采用絞吸式挖泥船直接從取土區(qū)吹填至陸域。本文主要介紹C-2圍區(qū)合龍施工工藝。 圍墾區(qū)平面圖見圖1。

圖1 圍墾區(qū)平面圖

1.2 水文地質(zhì)資料

工程海域的潮汐屬于正規(guī)半日潮，設(shè)計(jì)高水位7.35m，設(shè)計(jì)低水位0.78m。

預(yù)留龍口位置上層土質(zhì)為灰色淤泥，厚度為7～12m，抗沖刷能力弱，易被潮水沖刷。

1.3 龍口地基處理

由于龍口位置淤泥層較厚，為確保合龍安全，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求做好圍堤的地基處理工作。本工程采用開挖換填中粗砂、回填中粗砂、插打塑料排水板的方式進(jìn)行地基處理，以提高軟土地基的承載力，保證圍堤穩(wěn)定，避免出現(xiàn)不均勻沉降。開挖換填中粗砂深度1m，再回填1m厚中粗砂，塑料排水板打設(shè)至-14m，然后分層回填堤心石，預(yù)壓不少于15天，分層厚度不超過1.5m，回填至+4.5m后預(yù)壓不少于30天，再沉降補(bǔ)填至+4.5m，并加強(qiáng)沉降位移觀測(cè)，最后陸續(xù)回填至+8.5m。待地基排水固結(jié)、沉降穩(wěn)定后進(jìn)行圍堤龍口的加高合龍。南堤往東堤的銜接貫通采用拋砂封堵、分幅施工進(jìn)行，施工步驟與東堤一致。

2 龍口合龍施工工藝

2.1 總體方案

圍堤的合龍方案，分五個(gè)步驟，兩次合龍。

a.選取龍口位置。根據(jù)水文地形資料分析，東堤地勢(shì)低，設(shè)置石料主堤龍口在東堤EK0+630～EK0+830處。

b.預(yù)留拋砂龍口。南堤拋砂墊層施工時(shí)，樁號(hào)SK0+050～SK0+130處暫時(shí)不拋，預(yù)留拋砂龍口。

c.干地施工過水?dāng)嗝?。陸上推進(jìn)東堤拋石，先進(jìn)尺至南堤與東堤銜接處，再開挖樁號(hào)EK0+630～EK0+830處低潮干地施工，形成過水?dāng)嗝?。過水?dāng)嗝娼Y(jié)構(gòu)為砂面標(biāo)高3.0m，覆蓋一層無紡布，上拋50cm塊石護(hù)底，防止沖刷，塊石頂標(biāo)高3.5m，并做好塊石棱體施工。

d.合龍預(yù)留拋砂龍口。過水?dāng)嗝嫱瓿珊?，拋砂合龍南堤樁?hào)SK0+050～SK0+130處的龍口，塘內(nèi)海水從過水?dāng)嗝娉鋈?，即第一次合龍。按設(shè)計(jì)半幅施工南堤樁號(hào)SK0+050～SK0+130處的各個(gè)工序。

e.合龍東堤龍口。最后合龍東堤樁號(hào)EK0+630～EK0+830處過水?dāng)嗝妫吹诙魏淆?，完成圍堤合龍?/p>

實(shí)施該方法的前提條件為整個(gè)施工區(qū)域低潮時(shí)為全露灘的原始地面；并且圍堤設(shè)計(jì)砂墊層寬度超過60m，具備半幅砂面堆高擋水，另外半幅正常施工的條件。

2.2 龍口構(gòu)筑和防護(hù)

2.2.1 龍口構(gòu)筑

東堤龍口段的堤心石回填作為護(hù)底施工，護(hù)底寬度大于龍口寬度，在露出灘面時(shí)進(jìn)行，堤頭采用拋大塊石保護(hù)，表面采用大塊石護(hù)底，石料石質(zhì)新鮮堅(jiān)硬、無風(fēng)化、不含泥，拋石料盡量級(jí)配連續(xù)。石料采用挖掘機(jī)進(jìn)行整平，表面基本平整，標(biāo)高+3.5m?？p隙交錯(cuò)咬緊，挖掘機(jī)來回行走壓實(shí)。龍口縱剖圖、平面布置見圖2、圖3。

圖2 東堤龍口縱剖面圖 (單位：m)

圖3 東堤、南堤龍口平面示意

2.2.2 龍口防護(hù)

龍口形成后至合龍前以及堵口進(jìn)占時(shí)，采取拋石加固的措施對(duì)龍口兩側(cè)和堤頭進(jìn)行防護(hù)，以防止龍口水流、立軸漩渦及堤身滲流對(duì)堤頭造成破壞。

根據(jù)潮汐表高低潮規(guī)律，每天在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視檢查，出現(xiàn)不良情況立即進(jìn)行補(bǔ)拋塊石等方式處理。

適當(dāng)放緩堤頭坡度，盡量不要形成陡坡，以改善龍口水流態(tài)勢(shì)，加強(qiáng)堤頭兩側(cè)的防護(hù)。

2.3 合龍時(shí)間

南堤缺口拋砂于2014年5月14—16日進(jìn)行，之后進(jìn)行該段各個(gè)分項(xiàng)施工，做好與東堤龍口處的銜接。在南堤堤心石拋填沉降穩(wěn)定后，于6月7—8日小潮汛期采取龍口兩端陸上拋填石塊的方式進(jìn)行東堤龍口合龍。

2.4 龍口水力計(jì)算及合龍

2.4.1 水力計(jì)算

2.4.1.1 水量平衡計(jì)算

龍口水力計(jì)算采用圍區(qū)進(jìn)(出)水量平衡原理，見式(1)。

|Q0±(Qs+Qf+Qp)|×Δt=W1-W2

(1)

式中Q0——計(jì)算時(shí)段內(nèi)內(nèi)陸流域來水平均流量，m3/s；

Qs——計(jì)算時(shí)段內(nèi)水閘泄水平均流量，m3/s；

Qf——計(jì)算時(shí)段內(nèi)龍口溢流平均流量，m3/s；

Qp——計(jì)算時(shí)段內(nèi)截流堤堆石體滲流平均流量，m3/s；

Δt——計(jì)算時(shí)段,s；

W1——計(jì)算時(shí)段末圍區(qū)容量，m3；

W2——計(jì)算時(shí)段初圍區(qū)容量，m3。

由式(1)可知，龍口水力計(jì)算需針對(duì)潮位過程曲線以及圍區(qū)庫(kù)容變化曲線的變化規(guī)律，在不同口門尺寸和底檻高程條件下計(jì)算流速的等值曲線圖。

2.4.1.2 流速過程線計(jì)算

當(dāng)龍口口門兩側(cè)邊壁對(duì)口門流量影響不大時(shí), 根據(jù)寬頂堰流理論，龍口頂部流速與庫(kù)區(qū)內(nèi)外水位差關(guān)系見式(2)、式(3)(兩式為庫(kù)外高于庫(kù)內(nèi)情況, 庫(kù)內(nèi)高于庫(kù)外本方案不作考慮)：

(2)

(3)

式中v自由出流——自由出流情況下龍口頂部流速,m3/s；

v淹沒出流——淹沒出流情況下龍口頂部流速,m3/s；

m——流量系數(shù)，取0.354～0.385；

g——重力加速度，m/s2；

α——流量分布修正系數(shù)，取1.19～1.10；

φ——流速系數(shù)，取0.92～0.96；

H外——庫(kù)外水位，m；

H口門——口門底檻高程，m；

H內(nèi)——庫(kù)內(nèi)水位，m；

Z——庫(kù)內(nèi)外水位差，m。

2.4.1.3 圍區(qū)東堤龍口漲潮流速計(jì)算

根據(jù)水量平衡原理及流速公式，計(jì)算C-2圍區(qū)東堤龍口的水位過程線，再根據(jù)內(nèi)外水位過程線，求得流速過程線，然后假設(shè)東堤龍口不同口門尺寸和底檻高程，得到流速最大值。

根據(jù)相關(guān)資料和類似工程經(jīng)驗(yàn)，為提高龍口合龍安全系數(shù)，本工程龍口流速控制值取4m/s。流速是合龍過程中最重要的控制因素，由于漲潮流速大于落潮流速，本方案僅計(jì)算漲潮流速，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同口門尺寸漲潮最大流速 單位：m/s

根據(jù)表1可知在口門寬度在125～150m，底檻高程在+3.75～+4.35m時(shí)，最大流速可控制在4m/s以下，用平立堵交叉的方式對(duì)龍口進(jìn)行合龍。繪出龍口最大流速的等值曲線，見圖4，根據(jù)圖4分析得到合龍過程線。

圖4 龍口合龍過程線

2.4.2 東堤龍口封堵

在南堤貫通與東堤銜接后，進(jìn)行東堤龍口的封堵。東堤龍口采用低潮平堵，立堵進(jìn)占，平立堵結(jié)合的方式進(jìn)行。龍口封堵施工步驟如下。

2.4.2.1 龍口口門進(jìn)占縮小

采用平立堵進(jìn)占法分兩期進(jìn)行填筑縮小龍口，利用退潮間歇拋石逐步進(jìn)占，合龍過程中控制最大流速為4m/s，平立堵施工示意見圖5。

從龍口(B=200m，h=3.5m)開始?jí)菏?，先平堵到h=4.10m(完成①)，再立堵到B=125m(完成②)，在這段過程中最大流速不超過4.0m/s，過此點(diǎn)后平堵到4.5m(完成③)，此時(shí)已高于潮位，繼續(xù)進(jìn)行推進(jìn)至標(biāo)高+5.5m，再立堵至B=50m直至完成合龍。在h=4.5m后，最大流速逐漸減小至4.0m/s以下，最后平堵到標(biāo)高+5.5m堤身基本出水后，抓緊時(shí)間進(jìn)行龍口段抬高至標(biāo)高+8.0m(合龍期最高潮位6.0m)，確保安全，至此龍口合龍。合龍后做好堤身各部位檢查。圖5僅做平立堵步驟示意圖，圖中②和③、③和④在施工過程中根據(jù)實(shí)際情況是同步施工的。

2.4.2.2 龍口堤頭防護(hù)

龍口寬度由原200m逐漸縮小后直至截流前，該位置是水流進(jìn)出的唯一通道，因此該龍口位置必須在原拋石護(hù)底基礎(chǔ)上采用部分大塊石(不小于150kg)進(jìn)行口門兩側(cè)堤頭一定范圍的拋填保護(hù)。

圖5 龍口平立堵示意 (單位：m)

2.5 施工強(qiáng)度及機(jī)械配置

2.5.1 施工強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)預(yù)留龍口尺寸，完成整個(gè)合龍預(yù)計(jì)需要石料約8400m3，總體施工進(jìn)尺見表2，龍口卸料強(qiáng)度計(jì)算見表3。

表2 龍口進(jìn)尺方量計(jì)算

表3 龍口卸料強(qiáng)度計(jì)算

表2、表3計(jì)算結(jié)果顯示，單車從料場(chǎng)裝料、龍口卸料整平到回料場(chǎng)裝料總需時(shí)約為84min，按6月7日潮期7h計(jì)算，則該段時(shí)間內(nèi)可填料約4625m3，滿足壓縮龍口至125m需要4200m3石料的要求，在6月8日，運(yùn)輸強(qiáng)度也滿足余下4200m3石料的填筑要求。

2.5.2 機(jī)械配置

根據(jù)6月7日堵口時(shí)拋石用量和拋填強(qiáng)度計(jì)算，充分考慮機(jī)械意外故障率，龍口東堤頭、南堤頭各配置2100m3自卸汽車17輛備用3輛，共37輛； 南、北兩側(cè)堤頭各配置PC200型挖掘機(jī)1臺(tái)備用1臺(tái)，共4臺(tái)，南、北兩側(cè)堤頭各配置裝載機(jī)1輛備用1輛，共4輛。在合龍過程中，上述機(jī)械配置滿足施工要求，做到了有備無患。

3 合龍過程中應(yīng)注意的問題

根據(jù)本工程地質(zhì)情況以及各堤回填堤心石過程中的沉降位移觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在東堤合龍過程中可能發(fā)生的最大風(fēng)險(xiǎn)是拋填加載過程中出現(xiàn)異常沉降，按施工技術(shù)要求及同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，在龍口合龍過程中應(yīng)注意以下問題：

a.在龍口合龍推進(jìn)過程中項(xiàng)目部負(fù)責(zé)人全程指揮。

b.必須做好人力、物力、機(jī)械的統(tǒng)一調(diào)度安排。

c.龍口合龍前現(xiàn)場(chǎng)提前進(jìn)行備料。

d.延長(zhǎng)龍口處外海側(cè)護(hù)底的長(zhǎng)度，從堤軸線往外72m到塊石棱體位置，護(hù)底盡量用大塊石(不小于150kg)壓緊壓實(shí)，作為圍堤壓載。

e.在龍口構(gòu)筑完成、護(hù)底做好之后加強(qiáng)該段圍堤的沉降位移觀測(cè)。在實(shí)際施工過程中，圍堤沉降位移觀測(cè)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)控制數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

如果采取水陸結(jié)合，從東堤、南堤兩側(cè)同時(shí)推進(jìn)合龍，需預(yù)留的龍口寬度相應(yīng)增加，地基處理只能等到低潮露灘時(shí)進(jìn)行，施工進(jìn)度不滿足要求，且容易造成沖刷無法保證龍口處地基處理的施工質(zhì)量，且水上施工，施工成本相應(yīng)增加。而本工程先選取南堤作為圍區(qū)進(jìn)出水口，低潮時(shí)按設(shè)計(jì)要求的工序先在東堤形成龍口斷面，再利用東堤龍口作為圍區(qū)進(jìn)出水口，然后進(jìn)行南堤推進(jìn)合龍，最后推進(jìn)東堤合龍。此施工方法既分散了水流，減小了單一口門承受過大的壓力，又保證了圍堤施工質(zhì)量，且避免水上施工，施工成本沒有增加，施工難度降低，提高了合龍安全性，此施工方法經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行，值得推廣應(yīng)用。