水下土方疏浚吹填施工技術(shù)研究

南鐵雷

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

1 施工安排及部署

引江濟(jì)淮工程J002-1（河渠）標(biāo)段7.5m 高程以下部位為疏浚和吹填工程。水下土方開(kāi)挖主要使用絞吸式、斗輪式兩種類(lèi)型挖泥船進(jìn)行施工，水中障礙物拆除水位變幅區(qū)或橋下無(wú)法使用絞吸式挖泥船（斗輪式挖泥船）的部位使用反鏟式挖泥船配合泥駁進(jìn)行施工，拆除的障礙物通過(guò)泥駁運(yùn)至老河道排泥區(qū)或碼頭，再?gòu)拇a頭采用挖掘機(jī)配合自卸車(chē)運(yùn)至排泥區(qū)。

水下疏浚遵循“近土遠(yuǎn)調(diào)、遠(yuǎn)土近調(diào)”的施工原則，分塊、分段、分層、分條開(kāi)挖。選用500m3/h 斗輪式挖泥船（絞吸式挖泥船），采用扇形橫挖法施工，開(kāi)挖寬度為35m 左右；計(jì)劃投入2 個(gè)河道疏挖施工隊(duì)，各配備2 艘挖泥船及配套設(shè)備，包括錨艇、拖輪、油駁、交通艇等輔助船舶和排泥管等配套設(shè)施。對(duì)于排距大于3km 的部位，采用接力泵接力的方式進(jìn)行疏浚施工。

排泥場(chǎng)退水設(shè)施采取豎井退水方案。泄水口以確保排泥區(qū)的退水需要，1 號(hào)排泥區(qū)泄水口設(shè)置≥2 個(gè)，其他小型排泥區(qū)設(shè)置1 個(gè)。泄水口前安裝布置攔污網(wǎng)，以確保漂浮物攔阻。泄水口通過(guò)排泥場(chǎng)外退水溝或附近排澇干溝排水至河道。排泥場(chǎng)區(qū)外圍，平行于圍堰外邊線6～8m 位置挖截水（滲）溝，滿(mǎn)足圍堰滲水截留需要。

2 排泥場(chǎng)平衡及規(guī)劃

2.1 排泥場(chǎng)需求容量計(jì)算

排泥場(chǎng)需求容量根據(jù)《疏浚與吹填工程技術(shù)規(guī)范》（SL 17—2014）中相關(guān)計(jì)算公式及不同土質(zhì)情況相關(guān)參數(shù)的取值進(jìn)行計(jì)算，即水下排泥容量，如式（1）所示。

式中：Vp——排泥區(qū)容量，m3；K′——排泥不均勻系數(shù)，可根據(jù)排泥方式、設(shè)備性能、土質(zhì)、水流速度等確定，取值范圍為1.05～1.20；Vw——設(shè)計(jì)疏浚土方量，m3；Ks——土的松散系數(shù)，宜通過(guò)試驗(yàn)確定，無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)參考《疏浚與吹填工程技術(shù)規(guī)范》（SL 17—2014）規(guī)范P19～P20 頁(yè)細(xì)粒土、粗粒土松散系數(shù)表3.3.4-1-2 選取[1]。

本項(xiàng)目水下土方設(shè)計(jì)開(kāi)挖量約600 萬(wàn)m3，轉(zhuǎn)換成虛方為600×1.1×1.15=759 萬(wàn)m3，即排泥場(chǎng)總需求容量為759 萬(wàn)m3。

2.2 排泥場(chǎng)圍堰施工

本工程排泥場(chǎng)圍堰均為筑土圍堰，堰頂設(shè)計(jì)寬度3m，圍堰底部高程約9m，頂部高程12m，充填高程為11.0m，內(nèi)外側(cè)邊坡均為1:3；圍堰填筑壓實(shí)度≥91%。圍堰施工流程如下：定位測(cè)量→清表→挖運(yùn)及鋪筑→分層壓實(shí)→邊坡防護(hù)。

3 排泥場(chǎng)退水系統(tǒng)

3.1 退水口位置選擇

退水口位置的選擇遵循“利于沉淀、吹填平整及分布均勻、余水含泥少”的原則，根據(jù)吹填區(qū)地形條件、吹填管及排水通道布置位置等綜合考慮，將退水口布設(shè)在遠(yuǎn)離排泥管線出口處或吹填區(qū)的死角位置。

3.2 退水井結(jié)構(gòu)選型

退水系統(tǒng)由退水豎井結(jié)合退水管道、消力池、退水明渠組成。退水井是退水系統(tǒng)的關(guān)鍵，是系統(tǒng)安全正常運(yùn)行、回水泥漿濃度有效控制的關(guān)鍵。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累，針對(duì)排泥場(chǎng)容量大、回水流量大、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，選用可自由調(diào)節(jié)排泥場(chǎng)水位的混凝土豎井結(jié)構(gòu)。

3.3 退水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 退水流量計(jì)算

退水口水力計(jì)算：本工程擬投入4 艘出泥量為500m3/h 的絞吸式、斗輪式挖泥船施工，根據(jù)施工強(qiáng)度分析，JHGT-1 排泥場(chǎng)布置2 艘、JHGT-2-1、JHGT-2-2和JHGT-2-3 排泥場(chǎng)各1 艘，挖泥船出泥量為500m3/h（為挖泥船清水流量的10%），考慮設(shè)備利用率，設(shè)計(jì)出泥量乘0.85 的系數(shù)為實(shí)際出泥量；挖泥船施工日有效時(shí)間按20d 選取，退水流量的系數(shù)可為20/24≈0.833。

（1）排水流量確定。

根據(jù)河道疏浚水下方的土方平衡，PN-1 排泥場(chǎng)最大的退水流量即2 艘挖泥船向該排泥區(qū)進(jìn)行吹填。則按此最大退水流量為：Q最大退水=（5150×2）÷3600×0.85×0.833=2.03m3/s。

（2）計(jì)算堰寬。

退水豎井可在泄水口位置通過(guò)調(diào)整擋水板來(lái)控制泄水流量和水位大小，泄水流態(tài)按照薄壁堰流考慮。根據(jù)疏浚吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS 181-5—2012），堰頂過(guò)水寬度可按式（2）計(jì)算：

式中：b——溢流堰的寬度，m；P——泥漿濃度，%；Q——泥漿總流量，m3/s；H——溢流水頭；K——修正系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取1.1～1.3；本標(biāo)段取1.2；m1——溢流堰流量系數(shù)，根據(jù)規(guī)范表10.9.3-1 確定，取0.43；g——重力加速度[2]。

經(jīng)計(jì)算，堰寬b=2.57m，則單邊井寬為L(zhǎng)=2.57÷4=0.64m，考慮退水管管徑，單邊井寬取1.5m。

（3）退水涵管管徑計(jì)算。

JHGT-1 排泥場(chǎng)在靠近排泥場(chǎng)的東北角和東南角分別設(shè)置一個(gè)退水口，最大退水流量為2.03m3/s。退水涵管與豎井使用混凝土澆筑為一體，根據(jù)鋼筋混凝土圓管水力學(xué)計(jì)算公式，計(jì)算公式如式（3）所示。

其中：V——流速，m/s；D——管徑，m；i——水力坡降，取3.3%；n——粗糙系數(shù)，取0.013；Q——流量，m3/s，2.03m3/s；A——水 流 斷 面，m2；R——水 力 半 徑，m；P——濕周，m[2]。

經(jīng)計(jì)算，D=0.75m，綜合考慮雨季施工、水流條件及其他因素影響，管道直徑取值按D=1.2m 確定。

（4）退水明渠。

退水明渠采用現(xiàn)有河道、溝渠，將原有溝渠的坡面及溝底進(jìn)行清理，通過(guò)新建建筑物將余水排至派河；劉夾河涵設(shè)計(jì)排澇流量為7.39m3/s，走馬溝排水涵設(shè)計(jì)流量為10m3/s，均大于2.03m3/s，過(guò)流斷面滿(mǎn)足要求。

3.3.2 退水豎井設(shè)計(jì)

退水豎井的作用是保證泄水口尾水含泥量不大于3%。退水井主要結(jié)構(gòu)如下。

（1）退水豎井井柱及底板均為C20 混凝土結(jié)構(gòu)。

（2）立柱內(nèi)布設(shè)10 根φ14mm 的螺紋鋼和φ8mm的圓鋼箍筋與基座相連，與基座澆筑成一體。

（3）立柱頂高程同排泥場(chǎng)圍堰頂高程平齊。立柱兩側(cè)預(yù)留凹型擋板槽，用于加放擋板。相鄰立柱之間加設(shè)鋼筋混凝土連系梁，用于增加立柱的側(cè)壓力。連系梁從立柱頂端開(kāi)始設(shè)置，每1.5m 加設(shè)一道。連系梁的斷面尺寸為0.1m×0.15m。

（4）擋板采用槽鋼，用于插入相鄰立柱的凹槽中，采用增減槽鋼來(lái)調(diào)節(jié)泄流量及排泥場(chǎng)內(nèi)水位，加放閘板的高度每次不大于30cm。

（5）退水涵管采用2000mm×φ1200mm 的混凝土預(yù)制管若干節(jié)，接頭采用承插聯(lián)接，穿過(guò)排泥場(chǎng)圍堰堰體，排至現(xiàn)有渠道。

4 水下土方疏浚

水下土方疏浚主要施工工序如下：測(cè)量定位、放樣→施工標(biāo)志設(shè)立→水上、水下障礙物拆除及清理→觀測(cè)水尺設(shè)立→排泥管架設(shè)→挖泥船施工→疏浚和吹填工程→排泥場(chǎng)沖填及泄水工程→質(zhì)量檢查和驗(yàn)收。

4.1 水上、水下障礙物拆除及清理

根據(jù)本工程實(shí)際情況，水上、水下障礙物主要為碼頭、邊坡砌石、磚頭瓦塊、小型建筑物、樹(shù)枝以及建筑垃圾和生活垃圾等河道障礙物，障礙物清理采用反鏟式挖泥船，挖泥船配備2m3長(zhǎng)臂挖掘機(jī)配合150m3泥駁拉運(yùn)至老河道排泥場(chǎng)（裁彎取直段充填區(qū)）或拉運(yùn)至碼頭，通過(guò)岸上反鏟配合自卸汽車(chē)?yán)\(yùn)至排泥場(chǎng)。

4.2 排泥管線架設(shè)

輸泥管由浮管、潛管、岸管組成，管徑為650mm；水上浮管的安裝采取浮筒，浮筒采取拋錨固定。安裝時(shí)先連接水中浮管和挖泥船，然后再進(jìn)行水中浮筒安裝，安裝完成后，與岸上的管線連接為一體，浮筒利用拋錨進(jìn)行固定，施工時(shí)需要防止錨纜埋死。岸管采取人工直接安裝，為了保證施工時(shí)圍堰的安全，岸管出泥管口位置應(yīng)當(dāng)距離圍堰坡腳大于2m，出泥口最低點(diǎn)距離排泥面應(yīng)大于0.5m。排泥管的安裝必須牢固可靠；水中與地面排泥管相接部位必須用柔性接頭連接。排泥管布置必須平順，避免打彎。輸泥管主管路沿新堤堤頂?shù)缆繁乘畟?cè)路肩處鋪設(shè)，支管過(guò)堤防時(shí)利用鋼管上部覆土措施。

4.3 挖泥船施工

水下疏浚按照“近土遠(yuǎn)調(diào)、遠(yuǎn)土近調(diào)”的原則，分區(qū)、分塊、分層、分條開(kāi)挖。本工程選用規(guī)格500m3/h 的斗輪式、絞吸式挖泥船，以定位樁為中心，絞刀橫向移動(dòng)，擺動(dòng)挖泥，橫移錨錨纜拋在開(kāi)開(kāi)挖邊線以外，錨定方向與船身夾角應(yīng)當(dāng)大于45°，以不背不吊為原則。土料通過(guò)排泥管線吹填到吹填區(qū)。

4.3.1 疏浚開(kāi)挖的分區(qū)、分條與分層

（1）當(dāng)挖槽區(qū)域?qū)挾瘸^(guò)挖泥船單幅挖寬時(shí)，可分條開(kāi)挖，鋼樁固定施工的最大挖寬一般為挖泥船投影范圍的1.1～1.2 倍或按照左右擺幅80°確定。

（2）當(dāng)挖槽區(qū)域長(zhǎng)度超過(guò)管線伸展長(zhǎng)度，需進(jìn)行分段開(kāi)挖。

（3）分層施工需按照設(shè)備性能、開(kāi)挖總厚度、泥層土質(zhì)等因素，分層開(kāi)挖時(shí)采用“上層厚、下層薄”的原則，大于3m 小于5m 的段落，第一層3m，第二層2m，大于3m 小于6m 的，第一層3.5m，第二層2.5m。由于施工區(qū)受水位影響，考慮挖泥效率，先疏浚水位合適的區(qū)域，然后，根據(jù)水位的變化，選擇合適的區(qū)域，假如水位不能滿(mǎn)足挖泥船的施工水深條件，側(cè)開(kāi)槽進(jìn)入施工區(qū)。

（4）分條之間需搭接大于1.5 倍泥層厚的寬度。絞吸式挖泥船絞刀的選型需要根據(jù)泥層土質(zhì)確定，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，確定最優(yōu)開(kāi)挖厚度、橫向移動(dòng)速度和向前移動(dòng)距離，以確保較好的工效及施工質(zhì)量。

4.3.2 疏浚施工方法

挖泥船操作時(shí)以單根鋼樁為主樁和步進(jìn)樁，瞄準(zhǔn)開(kāi)挖區(qū)中心位置插入河道底部，用作橫向移動(dòng)的中心，通過(guò)絞刀架前端擺動(dòng)纜收放，左右擺動(dòng)挖泥，擺動(dòng)方向與船身夾角＜45°。并用另外一個(gè)鋼樁換樁臺(tái)車(chē)保證跨步向前。下放絞刀至泥面攪動(dòng)泥層，在泥泵的作用下，泥漿通過(guò)吸泥管、排泥管到達(dá)指定排泥區(qū)。步進(jìn)樁向前移動(dòng)路徑需保持在開(kāi)挖中心線上，并且確保距離相等、跨步均勻，保證絞切路徑始終平緩向前移動(dòng)，防止漏挖或重復(fù)開(kāi)挖，其絞挖路徑為月牙形狀。

利用鋼樁固定橫向開(kāi)挖時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將中部位置分為兩層，邊線位置分為一層實(shí)施。中部位置切入分兩層實(shí)施重復(fù)開(kāi)挖率小，吸入的清水量小，高效質(zhì)量有保證。邊線部位切入按照一層實(shí)施較簡(jiǎn)單方便，但是回程途中重復(fù)開(kāi)挖和吸入清水量的情況較大。

（1）絞吸式挖船施工按分條分層法開(kāi)挖，絞吸船能適應(yīng)除風(fēng)化巖外的各類(lèi)土質(zhì)，施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工土質(zhì)的實(shí)際情況選用合適的絞刀架及絞刀齒或斗輪，并根據(jù)土質(zhì)的變化采用合理的絞刀（斗輪）轉(zhuǎn)速、泵機(jī)轉(zhuǎn)速、橫移速度等技術(shù)參數(shù)。

（2）反鏟式挖泥船施工主要用于水上水下障礙物清理，水位變幅區(qū)、橋梁下方及邊坡刷坡等部位進(jìn)行開(kāi)挖。

為了保證反鏟挖泥船疏浚施工、平板駁運(yùn)輸?shù)裙ば蜚暯佑行?，每個(gè)施工區(qū)配置1 艘抓斗式挖泥船，每艘反鏟挖泥船配2～4 艘泥駁。用平板駁將棄土運(yùn)抵拋泥區(qū)域，絞吸式挖泥船全部吹填到排泥場(chǎng)內(nèi)，對(duì)于砌石、混凝土塊及樹(shù)枝等絞吸式挖泥船無(wú)法吹填的，采用泥駁運(yùn)至碼頭，由岸上反鏟配合自卸汽車(chē)?yán)\(yùn)之排泥場(chǎng)或泥駁直接運(yùn)至老河道排泥場(chǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

引江濟(jì)淮工程J002-1 標(biāo)水下土方疏浚工程施工，通過(guò)科學(xué)合理的施工組織及制定切實(shí)可行的技術(shù)措施，各項(xiàng)建設(shè)成效得到了各方的一致肯定。在施工過(guò)程中總結(jié)的各項(xiàng)流程、關(guān)鍵技術(shù)、施工工藝等，可以為類(lèi)似項(xiàng)目施工提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。