兩級(jí)箱涵式泄水口在吹填工程中的應(yīng)用

張哲 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所

吹填軟泥中余水的排出是水運(yùn)工程界普遍關(guān)注的問題。在吹填造陸項(xiàng)目中通常需要設(shè)置泄水口排出吹填區(qū)內(nèi)的余水，泄水口結(jié)構(gòu)型式有溢流堰式、箱涵式等。溢流堰式泄水口具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但堤身頂部因開口而不能通車、過人，且泥沙流失率較大，控制泄水位需要在堰口位置加土工織物袋裝砂等墊高，增加了工程環(huán)節(jié)。箱涵式泄水口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、泥沙流失較小，因堤身頂部沒有缺口形成，因此可以滿足堤頂通車需求。

當(dāng)在深水區(qū)吹填時(shí)，往往吹填區(qū)外部圍堰建設(shè)高度很大。若采用傳統(tǒng)形式的箱涵式泄水口，當(dāng)箱涵安設(shè)在圍堰低位置處，隨著吹填泥面高程的增加，埋沒箱涵后將無法正常排出吹填區(qū)內(nèi)的余水。若箱涵設(shè)置在堤身高位置處，吹填初期的余水將無法排出，形成較大水頭對(duì)堤身穩(wěn)定帶來影響。

根據(jù)上述特點(diǎn)本文設(shè)計(jì)了適用于深水斜坡堤的兩級(jí)箱涵式泄水口，由箱涵、排水管兩部分組成。箱涵由角鋼和側(cè)板焊接構(gòu)成，設(shè)置有閘板槽和閘板，閘板位于閘板槽內(nèi)，構(gòu)成閘板式調(diào)控結(jié)構(gòu)。箱涵和排水管安放在深水斜坡堤堤身上，箱涵與排水管通過焊接相互連接在一起，組成適用于深水斜坡堤的泄水結(jié)構(gòu)。吹填區(qū)內(nèi)余水進(jìn)入排水管的水位借助箱涵進(jìn)行調(diào)節(jié)，吹填區(qū)內(nèi)的余水達(dá)到箱涵進(jìn)水口處時(shí)，在重力作用下流入箱涵底部，并從設(shè)置在箱涵底部的排水管排出。第一級(jí)箱涵式泄水口可以拆卸，當(dāng)泥面高度超過第一級(jí)箱涵式泄水口排水高度極限時(shí)，將其拆除并封堵堤身缺口，并在堤身較高高程處布置第二級(jí)箱涵式泄水口，由此排出高吹填處的余水。箱涵可以根據(jù)吹填的進(jìn)度，不斷調(diào)節(jié)排水的高程，這樣可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣，既節(jié)約工程造價(jià)又能保證深水斜坡堤的安全穩(wěn)定。

1.實(shí)例應(yīng)用

1.1 工程簡(jiǎn)介

我國(guó)北方某港為滿足發(fā)展需要于2016年在港區(qū)內(nèi)某海域進(jìn)行了吹填造地作業(yè)。該工程成陸面積約85萬m2，原泥面平均標(biāo)高-3m，設(shè)計(jì)吹填標(biāo)高+10m，工程所需吹填工程量約1100萬m3。

1.2 工程水文氣象條件

本工程海域設(shè)計(jì)高水位3.58m，設(shè)計(jì)低水位0.54m，極端高水位5.14m，極端低水位-1.30m。風(fēng)況以風(fēng)浪為主，涌浪為輔，常浪向?yàn)镋NE向，頻率為16.22%；次常浪向E向，頻率14.54%；強(qiáng)浪向ENE向，H4%＞2.0波高頻率為0.94%，次強(qiáng)浪向WSW向，H4%＞2.0波高頻率為0.33%，實(shí)測(cè)最大H1/10波高3.07 m，對(duì)應(yīng)最大波高3.6 m，波向ENE向。潮流在漲潮潮段平均流速在0.35～0.57m/s，落潮潮段平均流速在0.41～0.53m/s。本海區(qū)每年12月上旬出現(xiàn)海冰，翌年2月下旬終冰，冰期約90天，其中初冰期約18天，盛冰期約55天，融冰期約18天左右。本海區(qū)灘寬水淺，河道溝汊多，盛冰期可形成15～25cm厚的固定冰區(qū)，由于面積大，冰層厚，冰質(zhì)硬，對(duì)海上建筑物會(huì)產(chǎn)生一定的破壞力。

1.3 工程地質(zhì)條件

本項(xiàng)目地處濱海地帶，地形極平坦，普遍鹽漬化或沼澤化。堆積物以濱海相褐灰色淤泥質(zhì)黏土和粉細(xì)砂為主，質(zhì)軟、抗沖性能差，在潮汐作用下，形成了寬闊平坦的海灘?？辈祜@示表層為粉土及淤泥質(zhì)土，土質(zhì)較軟。根據(jù)場(chǎng)地地基土物理力學(xué)性質(zhì)、埋藏條件、成因時(shí)代、巖性成分及其結(jié)構(gòu)構(gòu)造等，將場(chǎng)地勘探深度內(nèi)巖土體劃分為3個(gè)工程地質(zhì)層：第四系全新統(tǒng)海相沉積層、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積層以及第四系上更新統(tǒng)沖積層。依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），勘察區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。

1.4 圍堰構(gòu)造

本工程圍堰全長(zhǎng)1053m，第一級(jí)堤頂高程為+6.0m，頂寬9m，第二級(jí)圍堰頂高程為+11.0m，頂寬5m。采用重力斜坡式結(jié)構(gòu)形式，充砂袋堤心，內(nèi)外側(cè)均設(shè)有肩臺(tái)，第一級(jí)肩臺(tái)高程為+0.5m，寬度為6m，第二級(jí)肩臺(tái)高程為+2.5m，寬度為5m。第二級(jí)肩臺(tái)以下坡度為1：2，第二級(jí)肩臺(tái)以上坡度為1：1.5。堤身底部鋪設(shè) 1m厚中粗砂墊層作為橫向排水通道，采用B型塑料排水板作為豎向排水通道，排水板間距1m，呈正方形布置。堤身內(nèi)外兩側(cè)鋪設(shè)600mm厚度的60～100kg塊石進(jìn)行防護(hù)，堤身與塊石護(hù)面之間鋪設(shè)300mm厚度的二片石墊層。堤身外側(cè)堤腳鋪設(shè)厚600mm，長(zhǎng)5m的60～100kg塊石護(hù)底。

由上述基本信息可知，本工程吹填厚度達(dá)13m，圍堰高為14m，屬深水斜坡堤形式。由于堤高水深，若吹填過程中余水不能及時(shí)排出在影響區(qū)內(nèi)納泥效果的同時(shí)還會(huì)增加堤身所承受的水壓，帶來安全隱患。根據(jù)建設(shè)單位要求，施工作業(yè)期間圍堰頂端應(yīng)能保證通車。結(jié)合本文前面所述，本工程適用兩級(jí)箱涵式泄水口，如圖1所示。

1.5 泄水口布置

泄水口平面位置選擇應(yīng)根據(jù)吹填區(qū)地形、排泥管線的布置等因素確定。為有利于吹填土沉淀，設(shè)計(jì)中將泄水口布設(shè)在吹填區(qū)的死角。

為充分結(jié)合堤身結(jié)構(gòu)，將第一級(jí)箱涵式泄水口放置在圍堰第一級(jí)肩臺(tái)上，即高程+0.5m處，第二級(jí)箱涵式泄水口放置在圍堰第二級(jí)肩臺(tái)上，即高程+2.5m處。第一級(jí)箱涵式泄水口設(shè)計(jì)為可拆卸的結(jié)構(gòu)，當(dāng)吹填區(qū)內(nèi)泥面低于第一級(jí)箱涵頂部位置時(shí)，余水可以通過箱涵的開口將吹填區(qū)內(nèi)的余水收集至箱涵內(nèi)通過箱涵底部的排水管將余水排出。隨著吹填泥面的上升，第一級(jí)箱涵已不再適用，將第一級(jí)箱涵式泄水口拆除并封堵第一級(jí)泄水口所在位置的堤身缺口。在堤身上部第二級(jí)肩臺(tái)上安設(shè)第二級(jí)箱涵式泄水口，安設(shè)完成后，后續(xù)吹填產(chǎn)生的余水可以通過第二級(jí)泄水口排出。本工程經(jīng)計(jì)算排水管的直徑700mm，長(zhǎng)度為40m，由兩根長(zhǎng)度為20m的鋼管焊接而成，根據(jù)排水需求計(jì)算求得需要13根排水管。

圖1 兩級(jí)箱涵式泄水口

為確保排水管安放穩(wěn)定，在箱涵、排水管的安放位置先鋪設(shè)碎石層，然后在碎石上部鋪設(shè)土工織物倒濾層，土工織物倒濾層采用規(guī)格為400g/m2無紡短纖土工布，最后在400g/m2無紡短纖土工布上部安放排水管。為確保排水管穩(wěn)定，在水流作用下不發(fā)生顫動(dòng)，在排水管的四周均勻鋪設(shè)袋裝碎石，為防止碎石刺破上部袋裝砂堤身在碎石上部鋪設(shè)500g/m2高強(qiáng)長(zhǎng)絲機(jī)織土工布，并在吹填側(cè)安置箱涵。

2.工程效果

工程進(jìn)展過程中，在吹填泥面高程未淹沒第一級(jí)箱涵時(shí)，吹填區(qū)內(nèi)的余水順利的由第一級(jí)箱涵式泄水口排出，排水過程中未出現(xiàn)因泥沙淤堵排水管而停工的情況。當(dāng)吹填泥面逐漸淹沒第一級(jí)箱涵時(shí)，用吊車將第一級(jí)箱涵吊出，并在堤身的第二級(jí)肩臺(tái)處安設(shè)了第二級(jí)箱涵式泄水口，直至吹填結(jié)束?？傮w來講，箱涵可以根據(jù)吹填區(qū)內(nèi)泥面的變化，通過箱涵的閘板不斷調(diào)節(jié)排水的高程，可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣，可以簡(jiǎn)化施工環(huán)節(jié)、節(jié)約人力，效益顯著，驗(yàn)證了兩級(jí)箱涵式泄水口在深水斜坡堤上的適用性。

3.結(jié)論

經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，兩級(jí)箱涵式泄水口具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）箱涵可以根據(jù)吹填區(qū)內(nèi)泥面的變化，通過箱涵的閘板不斷調(diào)節(jié)排水的高程，可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣。

（2）當(dāng)泥面高度超過第一級(jí)箱涵式泄水口排水高度極限時(shí)，將第一級(jí)箱涵式泄水口拆除，用于建設(shè)第二級(jí)箱涵式泄水口，節(jié)約造價(jià)。

（3）采用箱涵式泄水口無需在堤身開口，可以保證堤頂通車的需求，給工程帶來極大便利。

（4）分兩次逐步排出吹填區(qū)內(nèi)軟土表面的余水，可減少吹填區(qū)內(nèi)余水對(duì)堤身穩(wěn)定性的不利影響。

（5）所用材料主要為有鋼板、鋼管等，方便尋得，且可以回收利用，經(jīng)濟(jì)節(jié)約。