拋石平堵龍口合龍施工關(guān)鍵技術(shù)分析

黃 偉

(長江河湖建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430010)

1 概 述

長江澄通河段通洲沙西水道長沙河—福山塘段邊灘綜合整治工程，位于張家港市樂余鎮(zhèn)和南豐鎮(zhèn)，包括南岸邊灘綜合整治工程圍區(qū)Ⅵ和南岸邊灘綜合整治工程圍區(qū)Ⅶ。南岸邊灘綜合整治工程圍區(qū)Ⅶ上起七干河，下至福山塘，岸線全長3024m，圍堤總長度5147m，最大水深約11m,岸線調(diào)整后形成陸域面積約3676畝。其中長江澄通河段通洲沙西水道長沙河—福山塘段邊灘綜合整治工程Ⅲ標(biāo)圍堤樁號(hào)為Ⅶ0+000～Ⅶ2+821；隔堤長710m。龍口位置中心樁號(hào)Ⅶ1+350。工程總體布置見圖1。

圖1 工程地理位置示意圖

長江澄通河段為潮汐河口，傳統(tǒng)陸路龍口封堵技術(shù)不適用于此項(xiàng)目，為了如期完成該工程，項(xiàng)目部和公司工程部在確定施工方案時(shí)充分考慮自然條件，制定了開底駁、甲板駁拋石平堵龍口合龍技術(shù)方案，形成了拋石平堵龍口合龍施工方法。

2 龍口工程設(shè)計(jì)

2.1 龍口布置

龍口一般排列在平直的岸線上，地質(zhì)條件較好，地形平緩，水域相對(duì)較深。平直的岸線和平緩的地形可以保證水順利流入龍口入口，避免了因入口流態(tài)紊亂而造成的關(guān)閉龍口困難；地層承載力高、抗沖刷能力強(qiáng)，有利于龍口堤防基礎(chǔ)的穩(wěn)定和龍口堤防的抗沖刷防護(hù)。龍口水深應(yīng)適度,太深底部保護(hù)的龍口量太大,太淺水流的緩沖效果不明顯。綜合上述分析結(jié)合地形地質(zhì)條件，龍口中心線布置在樁號(hào)Ⅶ1+350處。

2.2 龍口水力學(xué)演算

為了采取措施保證龍口合龍的順利運(yùn)行，有必要驗(yàn)證龍口合龍寬度，了解龍口合龍過程中閘門水力指標(biāo)的變化情況。

2.2.1 演算推理

在龍口河截流過程中，龍口流量和河堤水量隨入口內(nèi)外潮位變化和龍口河底高程提高而隨時(shí)間變化。忽略通過護(hù)堤及其地基的滲流量，假定護(hù)堤內(nèi)水量的變化等于進(jìn)出龍口的水量,根據(jù)水量平衡原理，在一定時(shí)期內(nèi)，龍口流量與護(hù)堤內(nèi)水量變化的關(guān)系如下：

(Q1+Q2)Δt/2=V2-V1

式中Q1——計(jì)算時(shí)段開始的龍口流量；

Q2——計(jì)算時(shí)段截止終了的龍口流量；

V2——計(jì)算時(shí)段起始的圍堤內(nèi)水量；

V1——計(jì)算時(shí)段終了截止的圍堤內(nèi)水量；

Δt=0.1h。

2.2.2 龍口泄水量計(jì)算

根據(jù)護(hù)堤內(nèi)外水位，按寬頂堰流量計(jì)算龍口在以下兩種情況下的流量:

a.H外>h內(nèi)，圍堤進(jìn)水，落差Z=H外-h內(nèi)。自由流

淹沒流Q=VB(h內(nèi)

當(dāng)Z≥1/3(H外-h口門)時(shí)為自由流，反之為淹沒流。

b.H外

自由流

淹沒流Q=VB(h外

當(dāng)Z≥1/3(H內(nèi)-h口門)時(shí)為自由流，反之為淹沒流。

式中H外——某時(shí)刻口門外潮位高程，m；

h內(nèi)——某時(shí)刻口門內(nèi)水位高程，m；

h口門——口門底檻高程，m；

m——流量系數(shù)，取0.36；

φ——流速系數(shù)，取0.9；

B——龍口平均過水?dāng)嗝鎸挾龋琺。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

影響截流難度的關(guān)鍵因素是設(shè)計(jì)潮汐過程線對(duì)應(yīng)的截流時(shí)間的選擇、龍口的寬度和下墊面高程。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，選擇了前半個(gè)落潮期開始截流，有效地降低了龍口的截流難度，大大減少了保護(hù)工程量。不同龍口寬度時(shí)龍口在設(shè)計(jì)潮型下的流速記錄見表1。

表1 龍口流速記錄

2.3 設(shè)計(jì)龍口寬度

龍口寬度受龍口水力參數(shù)、圍墾面積等因素的影響。龍口寬度對(duì)龍口截流及后期高度影響較大，工程量大，龍口寬度小，斷面流速增大，沖刷影響大，增加了龍口河底護(hù)岸工程的難度和工程量,一般控制龍口最大流速不超過3.0m/s。綜合上述分析結(jié)合地形地質(zhì)條件，龍口置在樁號(hào)Ⅶ1+315～Ⅶ1+385處，口門底寬100m，護(hù)底垂直水流方向?qū)?80m。圖2為龍口布置斷面。

圖2 龍口布置斷面

2.4 龍口工程設(shè)計(jì)

a.龍口合龍棱體。在設(shè)計(jì)潮位線的最高潮位上加0.5m。確定了棱體頂高度。閉合棱體是用拋石做的。上游坡度比為1 ∶3.0，下游坡度比為1 ∶2.5。

b.龍口護(hù)底。為了減少龍口河在封堵過程中對(duì)地基的侵蝕，降低封堵過程中的水深和封堵難度，必須在封堵外堤前采取封堵底部的防護(hù)措施。在底部防護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，在0.5m厚的砂層上鋪設(shè)300g/m2編織物，在砂層上壓入30cm@50cm裝砂管袋，形成龍口前圍區(qū)排水通道。

龍口圍堤放坡，坡比為1 ∶3，坡面鋪設(shè)230g/m2防老化編織布。

2.5 合龍時(shí)間選擇

合龍工程主要受潮汐影響，潮差愈小，龍口水力條件愈好,合龍開始時(shí)間選擇在高平潮時(shí)段較為理想。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃馁Y料綜合考慮上述因素，在龍口3月份高潮位較低、潮差較小的情況下進(jìn)行了龍口的封閉試驗(yàn)。截流標(biāo)準(zhǔn)在3月份采用了10%設(shè)計(jì)潮位線。潮水位過程線見圖3，特征值見表2。

圖3 設(shè)計(jì)潮水位過程線

表2 10%設(shè)計(jì)潮水位過程特征值 (單位：m)

3 龍口拋石截流

3.1 開底駁選擇

龍口寬度、龍口水深是選擇龍口合龍開底駁主要影響因素。

沿江、沿海圍區(qū)造地項(xiàng)目龍口布置一般在200m以內(nèi)，開底駁船長控制在60m以內(nèi)；龍口水深一般在3～5m之間，開底駁船深控制在2m以內(nèi)，滿載吃水控制在1.5m以內(nèi)；300m3開底駁尺寸為55m×7.5m×1.8 m，500m3開底駁尺寸為60m×8 m×2.1 m。根據(jù)龍口寬度、龍口水深限制因素300～500m3開底駁能滿足龍口合龍要求。

3.2 塊石料徑選擇

準(zhǔn)確拋投塊石至水下灘面，并形成一定自然坡比棱體斷面是龍口合龍的關(guān)鍵。在水深、水流速度確定情況下，塊石重量尺寸是主要影響因素。龍口水深取4m；塊石流距控制在2m以內(nèi)；龍口水流速度3m/s。在龍口合龍前選擇不同尺寸塊石進(jìn)行拋投實(shí)驗(yàn)(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3)，根據(jù)塊石漂距實(shí)驗(yàn)，選擇150～200kg塊石。

表3 塊石漂距

3.3 塊石備料

為保證封堵順利進(jìn)行，必須進(jìn)行塊石備料。根據(jù)施工強(qiáng)度，考慮備用78400m3塊石，基本滿足開底駁龍口塊石拋填需求。

為保障堤心石拋填的工程質(zhì)量，石料要求堅(jiān)硬無風(fēng)化，拋填塊石重量在150～200kg之間。

3.4 水流流速監(jiān)測及船定位

加強(qiáng)龍口水流監(jiān)測，觀測漲落潮時(shí)水流速。堤身沉降觀測和記錄要詳細(xì)。

龍口合龍時(shí)龍口位置水流流速較高，龍口合龍施工強(qiáng)度大，為保證龍口順利合龍，必須準(zhǔn)備定位船輔助定位，采用2000t方駁作為定位船。定位船平行于龍口棱體軸線布置，用四根錨呈八字錨固在龍口位置， 2根錨錨固在龍口內(nèi)100m灘地上，2根錨錨固在龍口外150m水中，拋錨后要進(jìn)行穩(wěn)定測試，保證不走錨。定位船上配備2臺(tái)GPS，船頭、船尾各布置一臺(tái)，用于平面定位；布置測深儀一臺(tái)，用于高程測量。定位船定位見圖4。

圖4 定位船定位示意圖

3.5 龍口合龍施工

龍口拋石截流棱體分兩階段實(shí)施，開底駁滿載吃水深度在1.0～1.5m之間，因此在龍口截流棱體抬升到距離水面1.5m左右時(shí)必須改用拋石船繼續(xù)完成一次性斷流拋石。

3.5.1 第一階段開底駁龍口合龍施工

第一階段龍口整個(gè)堤身范圍通長拋石棱體抬高至距水面1.0～1.5m之間，采用開底駁施工。將開底駁裝滿塊石后拋錨等待。待天氣、水文條件達(dá)到龍口合龍要求時(shí)開始施工。施工時(shí)安排每條開底駁每個(gè)高平潮只進(jìn)行一次拋石施工。

開始施工前定位船放內(nèi)錨、收外錨，定位船停船在龍口外80m處；開底駁自航行至施工區(qū)域，在拖輪輔助下靠泊定位船，開底駁、定位船用纜繩綁牢；定位船在拖輪輔助下收內(nèi)錨、放外錨，GPS定位停錨至指定拋投位置；開底駁拋投塊石。定位船上GPS、測深儀時(shí)時(shí)檢測，根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整下次定位船位置。

施工中隨時(shí)測量水下棱體變化，隨時(shí)做出施工調(diào)整，待水下棱體整體距離水面1.5m時(shí)，開底駁龍口合龍拋石施工完畢，改用甲板駁拋石船繼續(xù)施工。開底駁龍口合龍拋石見圖5。

圖5 開底駁龍口合龍拋石

3.5.2 第二階段甲板駁拋石船龍口合龍施工

第二階段一次性斷流加高到龍口棱體出水，采用甲板駁拋石船施工。甲板駁拋石船滿載塊石在現(xiàn)場拋錨等待。開底駁完成預(yù)定拋投施工后在下個(gè)高平潮進(jìn)入龍口合龍施工，完成龍口棱體出水，斷流。

甲板駁拋石船靠泊定位船，在拖輪輔助下到達(dá)指定拋投位置；甲板駁拋石船自帶反鏟挖掘機(jī)，反鏟挖掘機(jī)開始拋石施工。龍口棱體出水，完成龍口截流；在低平潮時(shí)人工觀測棱體滲水情況，隨時(shí)補(bǔ)拋塊石。防止出現(xiàn)險(xiǎn)情；當(dāng)龍口棱體基本穩(wěn)定后，乘低平潮時(shí)水上挖機(jī)整理塊石，龍口棱體成型。甲板駁龍口合龍拋石見圖6。

圖6 甲板駁龍口合龍拋石

4 龍口閉氣斷流

龍口拋石完成截流后，鋪筑一層碎石袋，鋪設(shè)完畢后從龍口兩側(cè)兩個(gè)作業(yè)面相向階梯式推進(jìn)內(nèi)棱體及閉氣土方，防止下一潮大汛對(duì)龍口的沖刷，確保龍口段的安全。

5 結(jié) 語

通洲沙西水道長沙河—福山塘段邊灘整治工程Ⅲ標(biāo)施工，對(duì)傳統(tǒng)龍口合龍工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用開底駁拋石平堵龍口合龍技術(shù)，縮短了龍口封堵的時(shí)間，為今后類似工程提供了施工經(jīng)驗(yàn)。