杭州灣大潮差深水圍堤龍口合龍施工技術(shù)

譚必五 ，王鵬 ，王劍春 ，邵海兵

（1.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

圈圍成陸工程中最核心及最關(guān)鍵的是完成袋裝砂合龍。經(jīng)多年圈圍工程實(shí)踐，龍口合龍從設(shè)計(jì)到施工均已形成較為成熟的成套技術(shù)[1-3]。尤其是近年來，超大單圍區(qū)、深槽大龍口合龍[4]，大面積多庫區(qū)多龍口同步合龍[5]，為圍堤工程合龍技術(shù)的進(jìn)一步提煉和升華總結(jié)了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

本文以杭州灣地區(qū)大潮差深水圍填海項(xiàng)目龍口合龍為例，結(jié)合自然工況，圍繞大潮差深水圍區(qū)的龍口護(hù)底結(jié)構(gòu)、合龍技術(shù)準(zhǔn)備、拋石截流與土方閉氣等施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，供參考借鑒。

1 工程概況

濱海綜合會(huì)展中心等圍填海項(xiàng)目位于杭州灣北岸，金山城市沙灘與龍泉港出海閘之間。圍堤總長度4 820 m，為典型的袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)。圈圍面積約257.73萬m2（3 866畝），圍內(nèi)成陸土方約1 700萬m3，圈圍最大水深達(dá)11 m。以往圈圍工程龍口位置及尺寸的選擇需結(jié)合地質(zhì)、潮汐、施工組織等并根據(jù)數(shù)模驗(yàn)算后確定。但本工程順堤中段海底存在一根待廢棄的排海管道，在廢棄前不能在其上部進(jìn)行任何施工作業(yè)。在滿足數(shù)模的前提下，將排海管兩側(cè)共400 m范圍作為龍口的選址位置。工程總體平面布置見圖1。

圖1 工程總體平面布置圖Fig.1 General layout of the project

杭州灣為強(qiáng)潮海灣，最大潮差6.56 m，平均潮差4.07 m，冬季合龍期最大潮差5.76 m。該區(qū)域季風(fēng)氣候明顯，夏季以東及東南風(fēng)為主，冬季以西北風(fēng)為主。圍堤灘面集中在-6 m（吳淞基面，下同），地質(zhì)條件差，抗沖刷能力差。

綜合自然、地質(zhì)、施工條件，合龍選擇在冬季最為安全。

2 龍口護(hù)底及合龍技術(shù)準(zhǔn)備

2.1 龍口護(hù)底保護(hù)

針對大潮差、大深水、軟堤基以及有特殊施工要求的圈圍工程的龍口護(hù)底，需綜合考慮龍口抗沖刷能力、堤基穩(wěn)定、合龍工作量、口門預(yù)留持續(xù)時(shí)間等多重因素，選擇一種最合理、最安全的護(hù)底結(jié)構(gòu)。結(jié)合數(shù)模及穩(wěn)定驗(yàn)算，工程中提出如下龍口護(hù)底設(shè)計(jì)優(yōu)化思路，結(jié)構(gòu)斷面圖見圖2。

圖2 龍口護(hù)底結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.2 Cross-section drawing of bottom protection structure of closure gap

1）在-始灘面鋪設(shè)一層砂肋+聯(lián)鎖片混合軟體排，堤身部分為砂肋排，余排為聯(lián)鎖片排，排布材料選用380 g/m2復(fù)合土工織物，排體間搭接寬度為5 m，形成對-始灘面的有效防護(hù)。

2）為減少合龍期閉氣棱體土方工作量，同時(shí)降低在軟基上快速加載堤身土方引起的滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)驗(yàn)算，龍口底檻構(gòu)筑時(shí)從-6 m抬高至-3 m。采用6層230 g/m2機(jī)織布+加筋帶的通長袋體結(jié)構(gòu)。

3）傳統(tǒng)圈圍工程從龍口構(gòu)筑至合龍閉氣時(shí)間跨度短，而本工程需持續(xù)4個(gè)月。為增強(qiáng)對已構(gòu)筑袋體的有效保護(hù)，-3 m通長砂袋上及余排范圍內(nèi)再增加鋪設(shè)1層全聯(lián)鎖片軟體排。

4）由于2018年1—7月排海管仍未廢棄，400 m龍口仍不能全面進(jìn)行護(hù)底及底檻構(gòu)筑，為防止龍口兩側(cè)裹頭構(gòu)筑過程中繞堤流、漲落潮往復(fù)流引起灘面沖刷，在構(gòu)筑裹頭時(shí)，僅在龍口兩端完成超前護(hù)底混合排各50 m，并壓載1層通長砂袋。

2.2 合龍技術(shù)準(zhǔn)備工作

合龍前1個(gè)月內(nèi)要充分掌握相關(guān)參數(shù)，做足技術(shù)準(zhǔn)備工作，確保合龍萬無一失。主要的技術(shù)準(zhǔn)備工作包括：1）固定頻率對龍口灘面實(shí)施沖淤監(jiān)測，定期對龍口護(hù)底排進(jìn)行聲吶掃測，制定應(yīng)急措施避免龍口沖刷；2）對龍口實(shí)施流速、流向水文測驗(yàn)，驗(yàn)算同等邊界條件下數(shù)模計(jì)算結(jié)果，及時(shí)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算參數(shù)修正，以更好指導(dǎo)龍口合龍施工；3）進(jìn)行潮位校核，并結(jié)合合龍當(dāng)月預(yù)報(bào)潮位進(jìn)行偏差計(jì)算，得到工程區(qū)合龍期間準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)潮位，以便施工過程中進(jìn)行施工標(biāo)高控制。

3 龍口拋石截流

3.1 拋石截流堤標(biāo)高確定

本工程龍口口門寬，口門底檻高程低，合龍外棱體土方量大，直接采用土方截流閉氣工藝合龍風(fēng)險(xiǎn)極高。因此，考慮在龍口外棱體土方閉氣前，先在外棱體外側(cè)構(gòu)筑一道拋石截流堤，形成一道人工屏障，減小風(fēng)浪、波浪直接對袋裝砂棱體造成破壞。同時(shí)還能延緩漲落潮某個(gè)時(shí)段的口門過流流速，使每日可作業(yè)時(shí)間延長，為合龍創(chuàng)造有利條件。

要確保任何時(shí)段拋石堤頂不再過流，降低臨時(shí)拋石堤被越堤流削頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。需充分考慮截流堤頂標(biāo)高，參考公式如下：

式中：H為拋石截流堤施工頂標(biāo)高；hc為合龍期最大潮位推算的對應(yīng)理論標(biāo)高；hb為平均波浪標(biāo)高，本工程以合龍期1月份平均波高0.65 m考慮；hy為當(dāng)遇到大風(fēng)天氣，風(fēng)向與漲潮基本同向時(shí)的水位雍高值；hcj為拋石截流期間的沉降值。

根據(jù)合龍當(dāng)月預(yù)報(bào)潮并結(jié)合驗(yàn)潮偏差參數(shù)修正，本工程龍口合龍期間，現(xiàn)場最高水位出現(xiàn)在2019年1月22日，達(dá)到4.53 m。查閱歷史氣象資料，多年1月份平均波高0.65 m，再適當(dāng)考慮現(xiàn)場波浪高、風(fēng)向帶來的水位雍高及拋石工后沉降的影響，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測量后，最終本工程拋石截流堤頂控制標(biāo)高定為+6.0 m。

3.2 拋石截流施工

經(jīng)數(shù)模計(jì)算得到的龍口平堵拋石截流至任何高程流速不大于3 m/s的口門寬度為300 m。利用合龍保護(hù)期將400 m口門立堵收縮至300 m，同時(shí)在300 m口門兩側(cè)裹頭位置分別構(gòu)筑1座鎖壩，控制標(biāo)高+6.0 m，將外棱體與外側(cè)臨時(shí)拋石堤連接，以避免拋石截流后其余堤段的串溝水流涌向龍口，對龍口造成沖刷。

300m臨時(shí)拋石截流堤頂寬1m，頂高程+5.0m，兩側(cè)坡比1頤1.5，采用200~400 kg級配塊石，計(jì)算得到的斷面約為3.15萬m3，考慮施工風(fēng)險(xiǎn)按1.3~1.5系數(shù)進(jìn)行備料，最終確定以4.5萬m3塊石進(jìn)行備料?？紤]工程中大潮差、大深水，為防止風(fēng)浪水流對堤頂造成破壞，截流堤最上一層準(zhǔn)備1 m見方的網(wǎng)兜石進(jìn)行壓頂，壓頂后標(biāo)高+6.0 m，形成對截流堤的有效防護(hù)。

綜合300 m口門寬度、水流條件、船舶布置、拋石需求量等，拋石截流選擇每日高平潮前1 h開始進(jìn)行，300 m龍口等間距同時(shí)布置7艘拋石船舶，分4個(gè)高平潮至低平潮時(shí)段分批次進(jìn)行拋石截流，最后進(jìn)行網(wǎng)兜石壓頂，共計(jì)耗時(shí)3 d完成施工。

龍口口門及拋石截流示意圖見圖3。

圖3 龍口口門及拋石截流示意圖Fig.3 Sketch map for closure gap gate and riprap closure

4 龍口土方閉氣斷流

4.1 合龍期施工時(shí)段選擇

一般拋石截流后，龍口的過流流速明顯減小，利用一個(gè)中小潮汛期持續(xù)實(shí)施土方閉氣。但由于本工程屬于大潮差深水龍口，拋石截流完成后，圍外側(cè)漲水速度快，內(nèi)外側(cè)形成一定水位差，最大達(dá)到2 m左右，水流透過拋石堤縫隙快速向圍內(nèi)匯集，龍口內(nèi)側(cè)流速大增，漲潮時(shí)局部時(shí)段內(nèi)側(cè)流速超過3 m/s，無法實(shí)現(xiàn)期望的每日24 h持續(xù)施工作業(yè)。拋石截流前后圍內(nèi)側(cè)高潮位水流見圖4。

圖4 拋石截流前后圍內(nèi)側(cè)高潮位水流Fig.4 High tidal level inner flow before and after riprap closure

根據(jù)圖5，拋石截流后對圍內(nèi)、圍外側(cè)持續(xù)進(jìn)行水位監(jiān)測，同時(shí)對水流情況進(jìn)行同步跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)龍口位置最大水流集中在高平潮前后3~4 h內(nèi)，當(dāng)圍外側(cè)水位超過圍內(nèi)側(cè)水位0.7 m時(shí)，臨時(shí)拋石堤內(nèi)側(cè)龍口口門流速較大，最大超過3 m/s。其余時(shí)段，當(dāng)外側(cè)與內(nèi)側(cè)相差不大或內(nèi)側(cè)比外側(cè)高時(shí)，口門流速較小。因此，外棱體土方閉氣選擇在小潮汛每日高平潮2 h后開始，每日可作業(yè)14 h。

圖5 圍內(nèi)外側(cè)水位及水位差分析圖Fig.5 Analysis diagram of the inner and outer water level and the water level difference

4.2 外棱體閉氣斷水合龍

根據(jù)陳德春等對水力要素隨口門變化規(guī)律研究，當(dāng)口門寬度不變而抬高底檻高程，進(jìn)出水流逐漸增大，到一定高程達(dá)到峰值，繼續(xù)抬高則最大流速降低，出水后變?yōu)?；當(dāng)?shù)讬懜叱滩蛔兌鴫嚎s口門寬度，則最大流速逐漸增大，到達(dá)某一寬度時(shí)達(dá)到最大，再壓縮口門，此時(shí)最大進(jìn)流流速幾乎不變，出口流速稍有減小。

依據(jù)前述研究成果并結(jié)合本工程數(shù)模計(jì)算，工程中先進(jìn)行3層通長袋平堵抬高至+0.0 m，同步跟進(jìn)口門立堵收縮，立堵過程中在外側(cè)拋石截流堤與立堵外棱體間間隔30~40 m增設(shè)鎖壩，減緩龍口過流流速，最后口門收縮至100 m后選擇一個(gè)低潮至高潮時(shí)段一次性完成土方閉氣。

本工程300m口門外棱體從-3m加載至+6.0m，還需完成3層共計(jì)3 m厚通長砂袋，以及6 m厚外棱體砂袋，土方量約15萬m3，工程量是常規(guī)圍堤閉氣土方量的數(shù)倍。以往龍口合龍需要在龍口兩側(cè)構(gòu)筑砂庫，同時(shí)外側(cè)配備足夠數(shù)量砂船。按照2倍合龍土方量進(jìn)行準(zhǔn)備，本工程共計(jì)需準(zhǔn)備30萬m3。另外還要配備多達(dá)數(shù)十臺(tái)泥漿泵組及多艘吹砂船。而隨著設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，現(xiàn)場僅配備3艘高功率海吹船、2臺(tái)大型灘地泵進(jìn)行充灌砂施工，利用多艘船載可達(dá)約5 000 m3的海運(yùn)砂駁進(jìn)行循環(huán)供砂，日均產(chǎn)量高達(dá)1.8萬m3/d左右（日均工作時(shí)間14 h）。工程于2018年12月27日開始土方合龍施工，2019年1月8日順利完成龍口合龍任務(wù)。

5 結(jié)語

龍口合龍是圈圍工程的核心，而在實(shí)施過程中龍口護(hù)底的構(gòu)筑形式及保護(hù)措施十分關(guān)鍵。在大潮差深水圍堤龍口合龍中，拋石截流是確保順利合龍最為關(guān)鍵的一環(huán)。而隨著技術(shù)及設(shè)備不斷革新，選用高效的施工船機(jī)設(shè)備，不僅減少了設(shè)備數(shù)量及相關(guān)措施投入，而且施工效率也大為提高。文章通過大潮差深水圍堤護(hù)底結(jié)構(gòu)、拋石截流、土方合龍閉氣等施工技術(shù)進(jìn)行闡述與總結(jié)，可為業(yè)界類似項(xiàng)目提供借鑒與參考。