大型圈圍工程單龍口構筑及合龍施工方法研究

于濤 白海鵬 袁晨晨

摘要： 大型圈圍工程采用單倉圈圍方案和單龍口合龍方式時，工程投入少、施工效率高、經濟效益好，但目前關于此類設計施工的理論研究和工程實例卻不多見。在系統(tǒng)總結上海南匯東灘N1庫區(qū)消納工程渣土應急圈圍工程單倉圈圍設計和單龍口合龍實踐經驗的基礎上，深入論述了布設位置、底坎高程、布置形式等單龍口設計的關鍵技術要點，對比分析了單倉圈圍工程單龍口合龍的施工效率、經濟效益及對施工工況的適用性，并通過龍口口門附近流場的數(shù)值模擬和水力參數(shù)分析，設計了龍口的構筑和防護方案，總結形成了適用于大型圈圍工程單龍口合龍的施工工藝方法，以期為類似工程提供借鑒。

關 鍵 詞： 圈圍工程; 單倉圈圍; 龍口構筑; 合龍施工

中圖法分類號： ?U655

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.025

0 引 言

隨著中國經濟社會的飛速發(fā)展，沿海地區(qū)的土地資源日漸短缺[1-2]，所以圍海造陸工程大量興建[3-5]。圈圍工程施工的關鍵在于龍口的合龍。以往大型圈圍工程通常采用建設圍梗[6-7]、分割圍區(qū)[8-9]、設置多龍口進行合龍的分倉圈圍方式，但已不能滿足沿海城市快速有效獲取土地資源的迫切要求[10]。特別是當圈圍工程的單體圈圍面積巨大時，以往方法的施工量會更大[11-12]、施工工期會更長、工程投入也會更多[13-14]。大型圈圍工程若采用單倉圈圍的方案，設置單龍口進行合龍，是最為快速、經濟、有效的施工方式，也具有較好的推廣應用價值和前景[15-17]。但是，單倉單龍口合龍方式會使龍口處的匯水量集中，進出口門水流的沖刷力增強，極大增加了龍口構筑、保護及合龍的難度。而且圈圍工程外側通常為開闊水域，施工區(qū)域氣象、潮汐、風浪以及地質等條件非常復雜，施工作業(yè)天數(shù)少。另外，選擇單倉單龍口合龍方式，也會使施工工作量集中，作業(yè)內容增多，施工強度加大[6，18]。所以，大型圈圍工程選擇單倉圈圍方案和單龍口合龍方式時，綜合分析確定合理的龍口構筑和保護方案，創(chuàng)新開發(fā)科學的單龍口合龍施工工藝，就顯得尤為重要。但是，目前關于此方面的理論研究和工程實例較少?；谏鲜隹紤]，本文在系統(tǒng)總結浦東新區(qū)南匯東灘N1庫區(qū)消納工程渣土應急圈圍工程單倉圈圍設計和單龍口合龍實踐經驗的基礎上，深入論述了單龍口設計的關鍵技術要點，對比分析了單倉圈圍工程單龍口合龍的施工效率、經濟效益及對施工工況的適用性，并通過龍口口門附近流場的數(shù)值模擬和水力參數(shù)分析，設計了龍口的構筑和防護方案，總結形成了適用于大型圈圍工程單龍口合龍的施工工藝方法。

1 工程概況

南匯東灘N1庫區(qū)應急圈圍工程位于上海市浦東機場外側已經建成的灘涂促淤圈圍工程與大治河延伸段之間。該工程的圈圍面積約為14.67 km2，由北堤、東堤、南堤3條圈圍大堤構成，其中北堤長2 250 m，東堤長5 455 m，南堤長3 508 m，圈圍大堤總長11 213 m，如圖1所示。圍內成陸設計回填高程4.5 m，消納工程渣土總方量為3 900萬m3。

工程所屬區(qū)域潮汐為非正規(guī)半日淺海潮，潮流的流向均為往復流，并與沿岸岸線平行，單潮平均周期為12 h 25 min，潮波以前進波為主。多年統(tǒng)計資料表明，該型潮波的潮差較大，平均潮差可達5.92 m。圈圍工程區(qū)域處于長江入海口，入?？谕獬绷骶哂行D流的性質，入海口內潮流由于受到河岸的約束，呈現(xiàn)為往復流的性質。進入口門之前的潮流流速與外海潮流流速基本一致，進入口門之后的潮流流速與潮位存在相位差。工程所在的南槽水域水流流速較大，最大流速為2.88 m/s。

圈圍工程位于長江口，波浪以風浪為主，盛行浪向與盛行風向頗為一致，龍口所在的東堤在原促淤堤內側，兩堤中心線距離遠大于半個波長，堤前灘地底高程在1.0～2.0 m之間，高于多年平均低潮位（0.77 m）和200 a一遇低潮位（-1.03 m），主堤堤前平均波高約為2.13～2.22 m，波周期約為7.41～7.56 s。

圈圍工程位于長江三角洲的東南端，長江河口口門段南側灘涂，面臨東海，水域開闊，擬建場地屬于河口、砂嘴、砂島近潮坪地貌類型。在勘察所揭露的深度范圍內，地基土上部主要為軟流塑狀的黏性土和松散～稍密狀的粉性砂土，下部為中密～密實狀的粉土、粉砂，土層分布尚穩(wěn)定，屬第四紀全新世Q4以來的濱?！涌谙?、濱?！珳\海、濱?！訚上喑练e層。中下部為河口～湖沼、河口～濱海相沉積層（Q4）。

2 單龍口設計技術要點

2.1 龍口布設位置

根據以往類似工程的施工經驗，龍口位置的確定要依據以下3個原則進行：① 應盡量布設在兩側一定范圍內的護底結構有較好抗沖能力的堤段，有利于龍口在保護期和合龍期的安全穩(wěn)定;② 應盡量布設在灘面地勢相對較低的位置，這有利于水流進出和龍口規(guī)模的控制;③ 應盡量避讓周邊已有或擬建的構筑物，可避免龍口所在位置普遍較大的水流對地形造成的沖刷破壞以及合龍期大量施工作業(yè)對船舶通行的影響。由于工程采用先促淤再圈圍施工的方案，所以圈圍大堤外側已建有促淤壩，而且一期促淤工程已經實施完成。促淤壩壩頂高程3.7 m，內外側均采用拋石和混凝土聯(lián)鎖塊軟體排進行護底防護，防護寬度分別為70 m和55 m。促淤壩設有一納潮口，納潮口現(xiàn)狀寬度為2 200 m，底坎高程為1.0 m。根據龍口布置原則和納潮口區(qū)域地形護底條件，選擇在外側促淤堤納潮口段布設圈圍大堤龍口。

2.2 龍口底坎高程

圈圍大堤龍口底坎高程的確定，需要根據圈圍大堤軸線處的現(xiàn)狀灘面地形、多年平均低潮位及已有建筑物等條件綜合分析考慮。根據該工程外圍已建促淤壩納潮口附近的地形測量資料可知，圈圍大堤堤線灘面高程在0～1.0 m之間，圈圍大堤堤線內側現(xiàn)狀灘面高程已經基本高于0.5 m，僅局部區(qū)域（擬布設龍口的位置處）還低于0.5 m，0.5 m等值線距離圈圍大堤中心線最遠約為200 m，圈圍大堤外側與促淤壩之間的底坎高程也低于0.5 m。另外，通過潮位分析報告可知，距離N1庫區(qū)最近的中浚站觀測到的多年平均低潮位為0.77 m。綜合以上因素考慮，擬定原促淤壩納潮口底坎高程維持1.0 m不變，圈圍大堤龍口段底坎高程可取為 0.5 m，這不僅便于龍口所在位置圈圍大堤堤身的軟體排結構施工，也能夠有效加大堤身所在位置的水深，有利于堤身段龍口的保護。

2.3 龍口布置形式

圈圍工程經常采用的圈圍方式有分倉圈圍和單倉圈圍2種，為了科學合理地選取圈圍工程的圈圍方式，以及在選定圈圍方式后確定合理的龍口規(guī)模，依托該工程的實際情況，分別對分倉圈圍和單倉圈圍方案進行了對比研究。

（1） 分倉圈圍。

分倉圈圍采用的方式是在圈圍所形成的庫區(qū)中設置若干條橫向分布的分隔堤，分隔堤數(shù)量的多少主要由總圈圍面積或庫容來確定[19]。由于該工程屬于超常規(guī)庫容圈圍工程，故在庫區(qū)中間位置設置一條橫向分隔堤，將圈圍圍區(qū)分隔為2個面積大致相等的分圍區(qū)，每個分圍區(qū)的面積約為7.33 km2，使得分圍區(qū)面積為常規(guī)圍區(qū)面積。分倉圈圍的特點是能夠減小單體圈圍庫容，有效增加龍口數(shù)量，從而避免了因圈圍庫容過大而造成的龍口規(guī)模過大、進出口門的水量增加、龍口保護期防護成本增加和龍口合龍難度增大。依據該工程圈圍大堤的設計標準，分倉圈圍方案所采用的分隔堤長約3 km，頂高程為5.5 m，兩側邊坡坡比1 ∶2。擬定每個分圍區(qū)均設置一個龍口，2個龍口寬度相等，龍口寬度依次假定為400，500，600 m，并依此計算分圍區(qū)龍口口門處的極值流速，計算結果列于表1。分析表1中的流速計算結果發(fā)現(xiàn)，分圍區(qū)龍口口門處的漲落急最大流速為3.61 m/s。又根據對龍口結構設計方案、施工組織設計方案和工程具體情況的綜合分析發(fā)現(xiàn)，保護期龍口處極值流速不宜超過3.50 m/s，故擬定將保護期龍口處極值流速（3.49 m/s）作為控制流速，由此計算得出龍口寬度為500 m，并以此作為分倉圈圍方案保護期龍口寬度。

（2） 單倉圈圍。

采用單倉圈圍方案時，圈圍面積14.67 km2，擬設置一個龍口，為超常規(guī)圈圍庫容。如果采用分倉圈圍方案中分圍區(qū)龍口口門處的漲落急最大流速（3.61 m/s）作為控制流速，則龍口在保護期內的寬度將達到800 m及以上，這對龍口的保護及后期收縮合龍非常不利，故此方案不可取。為了適當提高龍口口門處的控制流速，并以此來有效減小龍口寬度，要通過試算的方式來選定符合工程實際情況的單龍口寬度及所對應的龍口口門處的極值流速值。因此，在保證龍口外側促淤壩納潮口處的底坎高程均為1.0 m的條件下，初步擬定龍口寬度為800，700，600，500，400 m等5種工況，并計算了保護期內各寬度時龍口口門處的漲落急最大流速，計算結果列于表2。分析表2中的計算結果發(fā)現(xiàn)，相同工況下龍口口門處的漲急流速均高于落急流速，故應選取漲急流速作為控制流速。又通過對龍口結構設計方案、施工組織設計方案和工程具體情況的綜合分析發(fā)現(xiàn)，保護期龍口處極值流速不宜超過4.0 m/s。綜合以上考慮，擬定將保護期龍口處極值流速（4.0 m/s）作為控制流速進行龍口規(guī)模設計。分析表2中漲急流速分布可知，只有在龍口寬度不小于600 m時，龍口口門處的極值流速才會低于龍口控制流速（4.0 m/s）。因此，從保護期龍口安全、節(jié)省工程投資等方面考慮，確定單倉圈圍保護期龍口寬度為600 m。

（3） 圈圍方案適用性評價。

分倉圈圍和單倉圈圍各有優(yōu)點，要依據具體工程的實際情況來選定。對比分倉圈圍方案和單倉圈圍方案發(fā)現(xiàn)，分倉圈圍的圍區(qū)為常規(guī)庫容，圍區(qū)龍口的保護可按常規(guī)設置，相應保護結構費用降低。如果選用分倉圈圍方案，則分圍區(qū)共有2個龍口，為滿足龍口構筑、防護和合龍施工要求，共需設置4座泥庫。該工程中分圍區(qū)龍口構筑、防護費用估算值約為4萬元/m，設置4座泥庫的費用合計約7 000萬元，所增加的3 km長分隔堤的建設費用約為4 000萬元，加上拋石截流及土方閉氣等，總費用約1.7億元。而單倉圈圍方案中設置的單龍口，其構筑、防護費用約為9萬元/m，2座泥庫費用約3 600萬元，加上拋石截流及土方閉氣等，總費用約1.0億元。故此，該工程選用了單倉圈圍和設置單個龍口的圈圍方案。

3 單龍口的構筑及防護

由于南匯東灘N1庫區(qū)消納工程渣土應急圈圍工程的圈圍面積為14.67 km2，單龍口長度為600 m，保護期龍口口門處極值流速按照4.0 m/s控制，所以常規(guī)圈圍工程案例中采用的龍口構筑和防護方法已不適用。因此，通過水動力數(shù)學模型對龍口口門附近平面二維流場進行了模擬，得到了漲落急流工況下的流場內水力參數(shù)及其分布情況，并據此進行了龍口的構筑和防護設計[20-22]。

在龍口水力計算過程中，設計潮型的選擇十分重要。針對該工程，采用典型年的枯季大潮潮型作為規(guī)模計算潮型，該潮型為近年來非汛期發(fā)生過的較大潮差潮型，該潮型下施工區(qū)域內低潮位為0.09 m，高潮位為4.72 m，漲潮潮差4.63 m，比非汛期10 a一遇潮差還大0.13 m，如圖2所示。

圖3是漲落急流情況下的流場水力參數(shù)分布情況。由圖3可知，保護期計算潮型條件下，龍口附近最大流速主要呈帶狀分布在促淤壩納潮口段，該區(qū)域最大流速可達3.95 m/s，圈圍大堤龍口段最大流速在2.50 m/s以下，促淤壩龍口段與圈圍大堤龍口段之間區(qū)域最大流速在3.50 m/s以下，圈圍大堤龍口段大堤堤腳邊線以內保護范圍最大流速一般在2.50 m/s以下，但在龍口內側泥庫拐角處最大流速可達3.00 m/s。根據上述分析所得到的龍口附近最大流速分布情況，最終確定促淤壩龍口段底坎保護按照4.00 m/s流速控制，圈圍大堤與促淤壩之間區(qū)域和圈圍大堤龍口段底坎按照3.50 m/s流速控制，圈圍大堤以內至大堤范圍按照2.50～3.00 m/s流速控制。

依據前文數(shù)值模擬計算給出的各項水力參數(shù)，選取相應性能指標的各類防護排體進行了龍口的構筑和防護設計，龍口的平面布置及各種排體的組合結構如圖4～5所示。

由圖4和圖5可知：在進行龍口構筑時，要先在龍口段灘面上鋪設1層沙肋軟體排，來防止水流對龍口段現(xiàn)狀灘面的沖刷;然后鋪設1層混凝土聯(lián)鎖塊軟體排進行整體壓護，用以抵抗水流進出龍口造成的沖擊破壞;再鋪設2層通長充泥管袋，2層充泥管袋之間布設土工格柵作為加筋材料。在龍口護底結構實施完工后，利用單重2.5 t以上的網兜石籠進行壓排鎮(zhèn)腳，用以防止護底結構內外兩側邊緣處被水流淘腳破壞。龍口兩側戧堤設置成緩坡形式，戧堤堤頭處出露的通長充泥管袋利用沙肋軟體排進行護面防護。龍口兩側堤頭的內側為受潮落潮水流沖刷嚴重的位置，用斜向C25混凝土聯(lián)鎖塊軟體排防護。為了增加自身的抗沖性能，龍口戧堤堤頭內外兩側出露的充泥管袋形成的坡面之上，用1層380 g/m2的復合土工織布進行護面防護[23-24]。

4 單龍口合龍施工工藝

根據潮汐表預測的最小潮汛時間作為龍口合龍時間，龍口合龍施工采用立堵進占、平堵截流相結合的施工方法，如圖6所示。具體實施方法如下：

（1） 利用布置在龍口兩側的兩個泥庫所配置的泥漿泵組灌注土工布袋兩端下料進占戧堤，依據泥漿泵組的灌袋強度分別向龍口中心線推進一定寬度，高程為工程區(qū)多年平均高潮位;

（2） 兩側繼續(xù)分若干次立堵進占，直至將龍口寬度縮窄至略大于保護期龍口處極值流速所對應的龍口寬度，立堵高程仍為工程區(qū)多年平均高潮位;

（3） 將龍口內已經立堵的部位，繼續(xù)分次立堵加高至全線圍堤充泥管袋外棱體高程（實測非汛期歷史最高潮位）;

（4） 采用平堵法快速逐層抬高，各層袋基本保持同步抬升，直至將龍口平堵至工程區(qū)多年平均高潮位所對應的高程，實現(xiàn)龍口斷流;

（5） 龍口斷流后立即將外棱體平堵加高至全線圍堤充泥管袋外棱體高程（實測非汛期歷史最高潮位）;

（6） 外棱體合龍后，及時進行吹填堤心砂閉氣和內棱體施工。

5 結 論

本文在系統(tǒng)總結南匯東灘N1庫區(qū)消納工程渣土應急圈圍工程單倉圈圍設計和單龍口合龍實踐經驗的基礎上，深入論述了單龍口設計的關鍵技術要點，對比分析了單倉和分倉圈圍方案的適用性，設計了龍口的構筑和防護方案，并總結形成了適用于大型圈圍工程單龍口合龍的施工工藝方法。研究結果表明：大型圈圍工程單龍口的布設位置、底坎高程、布置形式要依據圍區(qū)潮流、地形、地質等條件綜合選定;大型圈圍工程選擇單倉單龍口圈圍方案，能夠極大削減施工工作量、施工工期和工程投入，也能夠有效提高施工的安全性;單倉單龍口構筑時運用多種排體逐層鋪設，施工操作方便，投資較少且安全可靠，縮短了龍口保護施工工期，也極大提高了龍口保護結構抵抗水流沖刷破壞的能力;單龍口采用先立堵進占縮口、后平堵截流合龍的施工方法，施工作業(yè)時間短而集中，能夠有效避免惡劣水文氣象條件下施工機械調配、施工材料運輸?shù)纫蛩貙こ虒嵤┻M度的影響，也能夠使得龍口在保護期內過流均勻、不出現(xiàn)水流集中沖刷龍口護底結構的現(xiàn)象。

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（編輯：胡旭東）

引用本文：

于濤，白海鵬，袁晨晨.大型圈圍工程單龍口構筑及合龍施工方法研究

[J].人民長江，2021，52（8）：166-170，178.

Closing construction of single closure gap in large-scale reclamation project

YU Tao，BAI Haipeng，YUAN Chenchen

（ Nanjing Changjiang Waterway Engineering Bureau，Nanjing 210098，China ）

Abstract：

When a large-scale reclamation project adopts the single warehouse enclosure scheme and the single closure gap method，it has advantages of low investment high efficiency and good economic benefit.However，the theoretical research and engineering examples of this design and construction are rare.On the basis of systematically summarizing the practical experience of single enclosure gap design and closing construction for reclamation project of slag soil landfill in N1 reservoir area of Nanhui Dongtan，the key technical points of single closure gap design such as layout position，bottom elevation and layout form were discussed.The construction efficiency，economic benefit and applicability to construction conditions of the project were compared and analyzed.Based on the numerical simulation and hydraulic parameters analysis of the flow field near the entrance of closure gap，the construction and protection scheme of the closure was determined，and the construction technology method suitable for single closure gap of large-scale reclamation project was summarized，providing reference for similar projects.

Key words：

reclamation project;single warehouse enclosure;closure gap building;closure gap construction