大潮差下圈圍工程龍口拋石截流的實(shí)踐分析

闞興輝，王劍春

（上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136）

引 言

1 龍口保護(hù)

1.1 龍口護(hù)底結(jié)構(gòu)

以往工程實(shí)踐表明，在大潮差海域中實(shí)施拋石截流，當(dāng)截流流量、落差、龍口流速均較大時(shí)，如保護(hù)措施不當(dāng)，會(huì)因?yàn)┟婧４部箾_刷能力小，受潮水沖刷和水流影響形成沖刷破壞，嚴(yán)重的還會(huì)造成護(hù)底結(jié)構(gòu)破壞甚至導(dǎo)致圍堤失穩(wěn)坍塌等，危及施工作業(yè)人員安全，延長(zhǎng)龍口合龍的整體施工時(shí)間。

根據(jù)工程區(qū)域水流數(shù)模分析成果及灘地土層特性分析，本工程龍口護(hù)底結(jié)構(gòu)采取抗沖材料進(jìn)行覆蓋保護(hù)。為保證排體鋪設(shè)后的抗掀動(dòng)穩(wěn)定效果及與后續(xù)堤身加載材料的良好接合性，原灘面為一層混合軟體排（排體兩端為混凝土聯(lián)鎖排，中間為砂肋軟體排）。上部再構(gòu)筑通長(zhǎng)袋裝砂，形成整體穩(wěn)定性較好的圍堤堤基結(jié)構(gòu)。

1.2 堤頭保護(hù)

拋石截流施工正式開(kāi)始前，需要對(duì)龍口兩側(cè)的圍堤端頭進(jìn)行防護(hù)，防止進(jìn)出龍口水流反復(fù)沖刷造成堤頭破壞。首先，對(duì)龍口兩側(cè)袋裝砂圍堤放緩坡施工，改善龍口兩側(cè)堤頭的水流態(tài)勢(shì)[1]；其次，對(duì)堤頭兩側(cè)的堤坡進(jìn)行防護(hù)，龍口兩側(cè)圍堤袋裝砂結(jié)構(gòu)選用抗沖刷能力更強(qiáng)的復(fù)合布作為充灌袋材料，增強(qiáng)堤頭的抗沖刷能力。

2 增強(qiáng)拋投截流物的穩(wěn)定性

從式（1）可以看出，增強(qiáng)拋投截流物抗沖穩(wěn)定性[2]需要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行著手。

2.1 預(yù)平拋墊底

拋投材料確定后，材料容重γ和直徑D即確定，龍口合龍前，龍口水深H也已確定，如若將基面粗糙程度從△=0增加到△=D，則抗沖刷系數(shù)K也由0.65增大為1。實(shí)際拋投過(guò)程中提高基面糙值的方法就是在截流正式開(kāi)始前采用大粒徑的塊石進(jìn)行預(yù)拋墊底。此時(shí)，要求拋投塊石需全線均勻拋灑，避免在局部堤段過(guò)度集中形成雍包，影響龍口過(guò)水水流。

平拋墊底高程的確定需兼顧增強(qiáng)截流塊體抗沖穩(wěn)定性和便于施工組織安排兩方面的要求。通過(guò)室內(nèi)數(shù)模計(jì)算試驗(yàn)，比較了在龍口束窄至300 m口門(mén)寬度下預(yù)平拋墊底至不同高程下的龍口流速情況。

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表1 300 m寬口門(mén)墊底至不同高程下的龍口流速

通過(guò)表1可以看出，隨著拋石高程的抬高，龍口處過(guò)水的最大流速逐漸增大，拋填至-1.0 m以下時(shí)，流速均不超過(guò)3.0 m/s，處于相對(duì)安全的流速范圍內(nèi)。平拋墊底還需考慮拋石材料組織上的相關(guān)問(wèn)題，盡可能一次性拋石到所需高程。通過(guò)斷面計(jì)算，比較了預(yù)平拋墊底至不同高程所需的工程量，見(jiàn)表2。

綜合考慮龍口口門(mén)寬度、水流條件、船舶作業(yè)半徑等，300 m的龍口口門(mén)上最大可以等間距布置7艘1 000 m3拋石船舶進(jìn)行預(yù)拋墊底，一批次可完成約0.7萬(wàn)m3石料拋投。結(jié)合表2，選擇預(yù)拋墊底至-2.5 m高程。

表2 300 m寬口門(mén)墊底至不同高程所需的拋石量

2.2增大拋投物容重增強(qiáng)穩(wěn)定性

從式（1）可以看出，增大拋投物容重能夠增強(qiáng)拋石截流堤的整體抗沖刷穩(wěn)定性。

1）拋投物重量增加，塊體通過(guò)自身重量抵消水流抗沖流速；

2）在拋投物容重保持不變的情況下，容重增加后，體積將會(huì)減小，水流流速會(huì)呈現(xiàn)表層流速大于底層流速的特征，這也為拋投物的穩(wěn)定創(chuàng)造了有利條件。

3 拋投截流物的選擇

3.1 拋投截流材料

與混凝土體相比，塊石容重較大，一般可達(dá)2.7 t/m3以上，而混凝土只有2.4 t/m3左右，故在相同的龍口流速中更能保持穩(wěn)定。這也可以從下面的簡(jiǎn)單比例關(guān)系中得到一些基本概念（假定兩者穩(wěn)定系數(shù)大體相同）[3]：

式中：γs、γc分別表示塊石、混凝土的容重；Dc、Ds分別表示混凝土、塊石的化引球徑。

經(jīng)計(jì)算推導(dǎo)，在選擇截流拋投材料時(shí)，同樣大小的水流流速下，1 t重的塊石相當(dāng)于1.82 t重的混凝土塊體。因此，在拋投截流材料的選擇上宜優(yōu)先選擇塊石。

3.2 截流中前期拋投塊體粒徑選擇

采用適當(dāng)?shù)男×讲牧蠏佂?，是為了使拋填材料入水后，不至于立即停留在坡面上，而是沿著重力與水流對(duì)拋投料推力的合力方向到達(dá)拋投基面。同時(shí)，絕大部分拋投材料到達(dá)海床后，在水平方向的滾動(dòng)距離不會(huì)超出拋石圍堤輪廓范圍，圍堤可以形成穩(wěn)定的坡度。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)[4]表明，當(dāng)大小粒徑的塊體能夠相互包裹填充空隙形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)它們的內(nèi)摩擦角均小于塊體尺寸較均勻的內(nèi)摩擦角。塊徑相差大的混合料拋投入水后，細(xì)粒料會(huì)流失，塊徑過(guò)大的塊石在坡面嵌填形成不穩(wěn)定坡面。而粒徑相近的塊體由于形成的坡面平整，孔隙率高，拋石堤的透水率大，更有利于拋投塊體在水流作用下，盡快移動(dòng)至更穩(wěn)定位置，有利于邊坡穩(wěn)定。

因此，拋石截流中前期，在水深深、流速小的情況下，拋投料的塊徑應(yīng)盡量均勻。采用的合理粒徑應(yīng)能夠在重力及水流沖擊力作用下推動(dòng)，以避免嵌鎖在坡面中上部，并能盡快移位至更穩(wěn)定位置，又不致流失。建議按修正后的伊茲巴斯公式計(jì)算：

式中：v為龍口流速，m/s；γm、γ分別為塊石及水的容重，kN/m3；de為拋投料等值粒徑，m；ΔPi為塊石粒徑di的重量占比；K為系數(shù)，單個(gè)塊體拋投為0.85，群體拋投混合料為0.92，群體拋投均勻料為1.05[3]。

由式（2）可以計(jì)算出本項(xiàng)目拋石截流中前期的拋投料等值粒徑為0.1～0.4 m，控制0.2～0.3 m的塊石含量應(yīng)大于50 %。

3.3 截流后期拋投塊體粒徑選擇

在龍口水力條件進(jìn)入最不利區(qū)段后，允許拋投物少量流失和不允許拋投物流失，對(duì)塊體重量的差別影響很大。ICOLD統(tǒng)計(jì)資料[3]可供參考。

實(shí)踐表明，在水流流速較大時(shí)拋投的塊體更容易流失，但只要這些塊體未超出拋石截流堤設(shè)計(jì)范圍邊線，就會(huì)造成壅水，減小后續(xù)拋投時(shí)的水流流速，從而有利于后續(xù)拋投石塊的穩(wěn)定。如果不允許拋投塊體流失，則會(huì)導(dǎo)致拋投的單個(gè)塊體重量增加。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，本工程截流過(guò)程中的最大水位落差達(dá)2 m，根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)數(shù)值，在進(jìn)入截流最困難區(qū)段，即現(xiàn)場(chǎng)水位落差、水流流速較大的情況下宜選用大重量塊石進(jìn)行截流，考慮到單純使用大粒徑塊石運(yùn)輸不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)進(jìn)入截流困難區(qū)段后，拋石堤頂寬度收縮變窄，大粒徑塊石拋投后受水流沖擊易滾落影響拋投效果?，F(xiàn)場(chǎng)采取尼龍網(wǎng)兜石代替大粒徑塊石進(jìn)行困難區(qū)段的拋投。尼龍網(wǎng)兜石由于級(jí)配均勻，塊石間相互嵌擠緊密，同時(shí)較大的接觸表面積也使其與先前構(gòu)筑的拋石堤能夠更好的接合，整體性較好，能夠起到很好的截流擋水效果。

表3 所需塊石單個(gè)重量（γs=2.7t/m3）

4 運(yùn)用圍堤寬度效應(yīng)降低截流難度

在大潮差、大流量龍口合龍時(shí)，減輕合龍難度比較常見(jiàn)的方式是采用較寬的拋石截流堤進(jìn)行合龍。較寬的拋石寬度使流經(jīng)龍口的水流落差分散，由于拋石圍堤寬度增加，沿程阻力變大，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)龍口的水流流量減少，在截流時(shí)減輕了施工難度，對(duì)截流材料的流失起到了很好的抑制作用。但龍口拋石截流的圍堤堤頂寬度也需要進(jìn)行控制，因?yàn)轫攲捲綄?，相?yīng)要求拋投的石料越多，施工成本越大，而且不一定能達(dá)到預(yù)期的減速效果。本項(xiàng)目拋石截流圍堤設(shè)計(jì)頂寬6 m（同非龍口段拋石堤堤頂寬度相同）。在實(shí)際施工過(guò)程中，由于圍堤內(nèi)外側(cè)水位落差較大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)水位監(jiān)測(cè)最大落差接近2 m，拋石截流堤堤頂按照6 m寬度施工時(shí)出現(xiàn)了局部堤段被水流沖開(kāi)的情況。

圖1 圍內(nèi)圍外側(cè)水位差值

根據(jù)肖煥雄教授等[3]關(guān)于圍堤龍口水流特性的研究成果，當(dāng)龍口綜合糙率，過(guò)水流量及底寬一定時(shí)，圍堤頂寬α與行近水頭H0之比呈現(xiàn)出三種情況：

1）α/H0≤2～3時(shí)，水面線呈單降，僅有一次跌水，圍堤中心處水深hc大于臨界水深hk，此種流態(tài)與頂寬不足的寬頂堰流態(tài)類似；

2）當(dāng)α/H0＞2～3時(shí)，水面線有2次跌落，且當(dāng)α/H0較小時(shí)，圍堤中心處水深hc較單降水面線時(shí)的hc有所降低，但仍大于臨界水深hk，且（hc-hk）/hk隨α/H0的增加而增加。堤頂寬度改變后的水面線形態(tài)[5]見(jiàn)圖2。

圖2 堤頂寬度改變后的水面線形態(tài)

根據(jù)理論模擬計(jì)算推擬，不同圍堤頂寬對(duì)應(yīng)的最大流速Vmax計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，最大流速變化趨勢(shì)如圖3所示。

表4 最大流速計(jì)算

圖3 最大流速變化趨勢(shì)

從上述圖表能夠看出，隨著拋石截流圍堤頂寬逐漸增大，最大流速逐漸減小，在頂寬＜9 m時(shí)，流速減小最快；當(dāng)圍堤寬度增加到10 m之后流速雖繼續(xù)減小，但減小的趨勢(shì)放緩，最后流速趨于穩(wěn)定。由此可以得出，拋石截流圍堤寬度增加到一定程度后，再增加圍堤寬度對(duì)降低水流流速的影響幾乎很小。因此，在拋石截流實(shí)施之前需先確定合適的堤頂寬度。

5 鎖壩的合理運(yùn)用

拋石截流拋投材料是否穩(wěn)定主要取決于龍口流速大小，如能減小截流過(guò)程中的過(guò)流流速，則會(huì)大大降低龍口截流的施工難度。根據(jù)本工程現(xiàn)場(chǎng)水文測(cè)驗(yàn)分析，漲落潮水流基本平行于圍堤軸線。拋石截流圍堤拋投出水形成淹沒(méi)流后，由于此時(shí)僅有龍口口門(mén)處可以過(guò)水，在無(wú)法改變龍口過(guò)水?dāng)嗝娉叽绲那闆r下，龍口兩側(cè)外海側(cè)水流通過(guò)口門(mén)快速向圍內(nèi)匯集，形成較大的穿溝流速。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)通過(guò)在外側(cè)拋石截流堤與袋裝砂棱體之間構(gòu)筑鎖壩阻斷由龍口兩側(cè)匯入的穿溝水流，減小單位時(shí)間龍口過(guò)水量，從而降低龍口流速。

圖4 龍口形成及兩側(cè)鎖壩示意

6 結(jié) 語(yǔ)

濱海綜合會(huì)展中心等圍填海項(xiàng)目拋石截流開(kāi)始前首先構(gòu)筑護(hù)底結(jié)構(gòu)及袋裝砂堤頭裹頭防護(hù)以保護(hù)龍口，通過(guò)精確的水文預(yù)報(bào)選擇有利天氣進(jìn)行施工。按照設(shè)計(jì)計(jì)算方量并考慮一定的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)安排運(yùn)輸船舶進(jìn)行備料。綜合考慮口門(mén)寬度、水流條件、拋石需求量等因素，300 m龍口等間距布置7艘船舶，分6個(gè)批次選擇高平潮前1 h的流速較小時(shí)段進(jìn)行拋投，第一批次7艘船舶平拋墊底至-2.5 m高程，增大原始灘面粗糙度以增強(qiáng)后續(xù)拋投塊體的抗沖穩(wěn)定性；隨后 4個(gè)批次拋投等值粒徑為 0.1～0.4 m的混合料直至達(dá)到計(jì)算頂寬；進(jìn)入龍口水力條件最不利階段后，采用網(wǎng)兜石壓頂，確保圍堤整體擋水效果。期間拋石圍堤每推進(jìn)50 m構(gòu)筑一道鎖壩降低龍口流速，減小截流難度。項(xiàng)目歷時(shí)3天完成約4萬(wàn)m3拋石，順利實(shí)現(xiàn)龍口截流。