簡(jiǎn)析吹填區(qū)采用泄水口結(jié)合排水明渠的施工方法

王 崗

（中交天航南方交通建設(shè)有限公司，廣東深圳 518040）

1 工程概況

某工程吹填區(qū)高程4.9 m，吹填總方量335萬(wàn)m3，采用2 艘3 500 m3/h 絞吸挖泥船將臨時(shí)拋泥區(qū)內(nèi)的疏浚土轉(zhuǎn)吹至本工程，平均吹距5.0 km。疏浚土拋至臨時(shí)拋泥區(qū)考慮20 %的流失[1]，共需疏浚土約420 萬(wàn)m3。通過(guò)在場(chǎng)地四周布置圍堰容納吹填土，其中南段圍堰利用現(xiàn)有工程滿(mǎn)足吹填需求。另外共需建設(shè)圍堰2 441 m，隔堰680 m，高程均為5.6 m，設(shè)計(jì)平面見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置示意

2 吹填區(qū)排水設(shè)計(jì)思路

本工程降水主要集中在4～9 月，約占年降水總量的92 %。降水強(qiáng)度≥10 mm 的天數(shù)為32 天；降水強(qiáng)度≥25 mm 的天數(shù)為15 天；降水強(qiáng)度≥50 mm的天數(shù)為6 天；一日最大降水量225.2 mm。設(shè)計(jì)高水位2.14 m，極端高水位3.57 m。設(shè)計(jì)吹填高程4.9 m，設(shè)計(jì)圍堰頂高程5.6 m。

考慮本工程吹填尾水通過(guò)排水明渠排水至內(nèi)灣。為滿(mǎn)足吹填排水及環(huán)保要求，采用泄水口+排水明渠排水施工方案[2-4]：在場(chǎng)地東南角設(shè)置排水口，在一期工程?hào)|側(cè)設(shè)置排水明渠，排水明渠長(zhǎng)2 km、底寬6 m、深度2 m，吹填水經(jīng)沉淀后通過(guò)排水口和排水明渠排入內(nèi)灣，詳見(jiàn)圖2。

圖2 施工平面布置示意

3 排水設(shè)計(jì)

3.1 泄水口設(shè)計(jì)

主泄水口與排水明渠相接，按3 500 m3/h 和4 500 m3/h 絞吸挖泥船各一艘進(jìn)行泄水流量設(shè)計(jì)，同時(shí)為保證吹填進(jìn)度，防止吹填土質(zhì)中含較多中粗砂影響施工，兩艘絞吸挖泥船均采用4 500 m3/h 型號(hào)?？紤]吹填區(qū)泄水過(guò)程中壅水高度及泄水口材料，根據(jù)規(guī)范[5]采用埋管薄壁堰式泄水口，四面過(guò)水增大泄水周長(zhǎng)、降低壅水高度（0.3 m 以下），防止閘箱口水流流速過(guò)大產(chǎn)生抽吸力造成吹填土流失。8 個(gè)閘箱內(nèi)周控制在1.0 m 以上，四面過(guò)水周長(zhǎng)32 m，泄水管道采用8 根φ800 mm 鋼管，通過(guò)計(jì)算，確定薄壁堰式排水閘壅水高度驗(yàn)算泄水口設(shè)計(jì)參數(shù)。按下列公式計(jì)算出壅水高度為21.26 cm（見(jiàn)表2），符合要求。

表2 薄壁堰式排水閘壅水高度驗(yàn)算

式中：

Qx為通過(guò)薄壁堰排出的流量（m3/s）；

m2為薄壁堰流量系數(shù)，可按表1 確定；

表1 薄壁堰流量系數(shù)m2 取值

g為重力加速度（m/s2）；

b為薄壁堰寬度（m）；

H為溢流水頭（m）；

K為修正系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取1.0-1.3；

Q為疏浚設(shè)備排人吹填區(qū)的泥漿總流量（m3/s）；

ρ為吹填泥漿濃度（%）。

3.2 排水明渠設(shè)計(jì)

排水明渠設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約2 km，明渠排水設(shè)置一定水力坡降，使排水不易受高潮倒灌影響，排水渠設(shè)計(jì)底高程及頂高程根據(jù)計(jì)算確定；吹填區(qū)泄水口泄水時(shí)，需要壅高泄水，壅水后的高度是否會(huì)對(duì)圍堰安全造成影響或?qū)е侣绦枰?jì)算確定；管口高程與排水明渠正常排水過(guò)程中的水面高差需保證泄水口能夠順暢泄水且不至使得吹填區(qū)壅水高度進(jìn)一步增長(zhǎng)而影響圍堰安全或造成漫堤。泄水構(gòu)筑物的設(shè)置還應(yīng)保證強(qiáng)降水過(guò)程中的泄水通暢。

為保證高潮泄水不漫渠，渠頂高程需達(dá)到4.0 m以上；考慮本工程設(shè)計(jì)吹填高程為4.9 m，采用閘箱式泄水口一般情況下泄水入口與出口需要1.0 m能量轉(zhuǎn)換高度，則泄水出口管底高程需要在3.9 m以下；排水明渠排水過(guò)程壅水高度根據(jù)明渠濕周、坡降確定，且流速不能過(guò)大，宜為順坡緩流，故根據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)及明渠形式，壅水高度在0.5～0.9 m 為宜，初步取0.7 m；排水渠出口底高程應(yīng)取較低值而增加坡降，保證排水通暢，而又不宜取過(guò)低，否則增加耗材、形成急流，且受潮水影響下尾端部分潮水上漲而達(dá)不到預(yù)設(shè)的排水效果，造成浪費(fèi)[6-7]。

綜上，初步取首端渠底高程3.2（3.9-0.7）m以下，整段設(shè)置1.0 m 高差形成坡降，則出口底高程2.2（3.2-1.0）m 以下，再綜合考慮本工程潮位情況、泄水口出水口處渠首端回旋壅水、明渠彎道損失等確定：矩形排水明渠出口底高程取2.0 m，首端底高程取3.0 m，坡降1/2000，底寬6 m，渠頂高程4.5 m（較4.0 m 高程富裕0.5 m）。同時(shí)針對(duì)不受潮水影響時(shí)正常泄水及暴雨泄洪工況以及受潮水影響時(shí)明渠泄水工況進(jìn)行驗(yàn)算如下[8]：

1）正常吹填泄水

兩艘絞吸船吹填，清水流量約20 000m3/h，明渠長(zhǎng)度較長(zhǎng)，正常水深按照矩形明渠恒定均勻流計(jì)算（明渠均勻流形成需要有一定條件：一是水流應(yīng)為恒定流；二是流量沿程不變，即無(wú)支流的匯入或分出；三是渠道必須是長(zhǎng)而直的棱柱體順坡明渠，粗糙系數(shù)沿程不變；四是渠道中無(wú)閘、壩或跌水等建筑物的局部干擾）。渠內(nèi)正常水深0.76 m。在明渠出口段，若不受潮水影響，出口即為跌水建筑物，正常泄水應(yīng)按明渠恒定非均勻流進(jìn)行驗(yàn)算。采用臨界水深進(jìn)行計(jì)算。臨界水深為0.45 m，正常水深為0.76 m，該明渠屬緩坡明渠。當(dāng)緩坡渠道末端自由跌落時(shí)，自由跌落是水跌的一個(gè)特例，相當(dāng)于下游堤坡變成鉛錘跌坎時(shí)的情況，水流以水舌形式自由瀉落（圖3）。因上游渠道底坡為緩坡，緩坡渠道中的均勻流為緩流，其正常水深大于臨界水深，取端自由瀉落時(shí)，水面必為下降曲線(xiàn)，其極限可以降至臨界水深，所以在坎緣上水深必為臨界水深。但事實(shí)并不如此，臨界水深發(fā)生在坎緣上游lk處。這是因?yàn)樽杂傻鋵偌弊兞鳎R界水深的公式是假設(shè)水流為漸變流情況下推導(dǎo)的，沒(méi)有考慮流線(xiàn)彎曲影響的緣故。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果 lk=（3～4）hk，hc=（0.67～0.73）hk。但在推算跌坎上游水面曲線(xiàn)時(shí)，因lk與渠道水面曲線(xiàn)長(zhǎng)度相比，其值可以忽略不計(jì)，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍假設(shè)坎緣處的水深為臨界水深。

圖3 水跌示意

明渠恒定非均勻漸變流水面曲線(xiàn)的計(jì)算，采用簡(jiǎn)明實(shí)用的逐段試算法，這種方法不受明渠形式的限制，對(duì)棱柱體及非棱柱體明渠均可適用。逐段試算法計(jì)算水面曲線(xiàn)（圖4、圖5），即先把明渠劃分為若干流段，然后對(duì)每一流段應(yīng)用差分方程，由流段的已知斷面求未知斷面，然后逐段推算。

圖4 矩形排水明渠跌水曲線(xiàn)

圖5 不受潮水影響時(shí)吹填排水示意

2）正常吹填加罕見(jiàn)瞬時(shí)暴雨泄洪

假設(shè)瞬時(shí)暴雨使得吹填區(qū)液面增高120 mm，根據(jù)計(jì)算，施工泄水口泄水流量達(dá)40 000 m3/h。此時(shí)渠內(nèi)水深1.20 m，滿(mǎn)足排水流量要求。

3）受大潮影響時(shí)明渠排水曲線(xiàn)的變化遇見(jiàn)罕見(jiàn)大潮時(shí)，明渠水流與大潮面形成a1 型壅水曲線(xiàn)（圖6），在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)明渠內(nèi)水位將雍高，施工時(shí)注意關(guān)注排水明渠泄水情況，必要時(shí)控制流量吹填或暫停施工。

圖6 受大潮影響時(shí)吹填排水示意

4 施工過(guò)程控制要點(diǎn)

4.1 吹填圍堰形成

由于吹填高程、排水渠壅水高度、泄水口入口與出口水位差的疊加關(guān)系，在圍堰未一次成型到頂前不具備吹填條件，而圍堰形成又需使用吹填土。因此，開(kāi)工前探明吹填區(qū)表層粉細(xì)砂層分布情況，盡可能使用吹填區(qū)范圍內(nèi)表層的粉細(xì)砂進(jìn)行圍堰沙袋的充填。若吹填區(qū)內(nèi)粉細(xì)砂含量不足，需考慮業(yè)主協(xié)調(diào)預(yù)借一期吹填砂進(jìn)行砂帶充填，以確保砂袋形成進(jìn)度。

4.2 泄水口施工

圍堰下有埋管的泄水口，泄水管道一般采用先挖開(kāi)圍堰再埋管的方法進(jìn)行埋設(shè)。在掩埋過(guò)程中，極易因土顆粒與管道底面接觸不緊密而使得吹填過(guò)程中泄水管道底部發(fā)生滲水，從而危及泄水口處圍堰安全。為了確保泄水口埋設(shè)嚴(yán)密不至于發(fā)生滲水事故，一般可采取簡(jiǎn)易措施進(jìn)行防護(hù)。主要方法為預(yù)先挖取附近塑性較強(qiáng)的軟土或淤泥包鋪設(shè)與管道底部，確保做好管道底部與圍堰之間的密封，防止?jié)B透[2]。

隔堰設(shè)置50 m長(zhǎng)的高程降低至5.0 m 作為溢流堰式泄水口，用于泄出吹填西分區(qū)的吹填尾水，按1 艘4 500 m3/h 絞吸挖泥船泄水流量計(jì)算。

4.3 吹填順序[9]

由于吹填區(qū)面積過(guò)小，從圍堰安全角度考慮，吹填西分區(qū)適宜只安排1 艘大型絞吸船吹填，分區(qū)吹填順序上，西分區(qū)應(yīng)先于東分區(qū)完成。為加快吹填進(jìn)度，吹填西分區(qū)完成后，兩條絞吸船同時(shí)進(jìn)行東分區(qū)吹填。

4.3 管線(xiàn)布設(shè)

遵照合理選線(xiàn)、減少干擾、盡量順直、短吹距、管口遠(yuǎn)離泄水口原則，過(guò)程中保持與一期場(chǎng)平工程的密切溝通，確定下埋段或露出段等，避免互相干擾。

4.4 生產(chǎn)能力測(cè)算

根據(jù)設(shè)計(jì)吹填土質(zhì)情況及構(gòu)成比例、考慮中粗砂等難吹土質(zhì)占比較大的可能性，平均吹距5.0 km，3 500 m3/h 絞吸挖泥船估算生產(chǎn)率1 100 m3/h，時(shí)利率按75 %計(jì)，日產(chǎn)量約2.0 萬(wàn)m3；4 500 m3/h 絞吸挖泥船估算生產(chǎn)率1 950 m3/h，時(shí)利率按75 %計(jì)，日產(chǎn)量約3.5 萬(wàn)m3。

5 結(jié)語(yǔ)

1）采用泄水口+排水明渠排水施工方案，可有效解決吹填工程因環(huán)保要求而吹填尾水無(wú)法直排入河的問(wèn)題。

2）本文闡述泄水口+排水明渠設(shè)計(jì)、施工總體思路，即通過(guò)對(duì)泄水口、排水渠進(jìn)行相應(yīng)的水力計(jì)算以確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)及施工注意要點(diǎn)。水力計(jì)算中主要對(duì)泄水口水力特點(diǎn)、明渠均勻流水力特點(diǎn)及明渠后端非均勻漸變流水力特點(diǎn)進(jìn)行推算，另外還涉及到泄水口出水管口處渠首端部局部回旋壅水、彎道渠流水力計(jì)算等過(guò)程還需要詳細(xì)的計(jì)算驗(yàn)證，以達(dá)到精確確定設(shè)計(jì)參數(shù)、節(jié)省材料、經(jīng)濟(jì)合理施工的目的。

3）采用埋管薄壁堰式泄水口，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且通過(guò)四面過(guò)水能夠較大加長(zhǎng)泄水口過(guò)水周長(zhǎng)，降低壅水高度、水流流速，從而降低泄水口處水流對(duì)周邊吹填水土的抽吸力以降低流失，確保施工環(huán)保。