数模法指导多港池充砂袋工艺龙口合龙

    王宇光+柳军生

    

    

    

    摘 要：本文结合临港经济区三期14区围堤及部分吹填工程的实际情况，针对港池中各龙口的合龙条件和时间的选择，龙口的宽度及合龙顺序制定最优的施工部署及优化措施，为类似工程提供借鉴和经验。

    关键词：水流物理模型 深水充砂袋工艺 多港池龙口合拢

    工程概况

    临港经济区三期14区围堤及部分吹填工程围隔堤顶标高设计为+6.0m，围合总面积约8km2 ，施工区原泥面标高为-2.1m～-3.3m。堤身主要采用充砂袋结构，共分三个围合小区，进行多个龙口合拢。

    图1 总平面布置图

    常规施工工艺弊端及各龙口施工工况分析

    充砂袋施工工艺具有就地取材、施工速度快、对软基适应能力较好、施工工艺简单、造价低等优点，在围海造陆工程应用广泛。然而对于深水作业区域的充砂袋围堤工程及其龙口施工，由于受潮流影响较大、施工作业周期性较长等特点，施工难度较大，常规设计中龙口常采用抛石方法合拢，但主要存在如下弊端：①施工条件恶劣，受潮流影响大，抛石合拢法材料损失量大，利用率低，施工危险系数高。②天津港地区淤泥质地基基础上抛石底层基础要求较高，基础工程量大，抛石成本高。③龙口段若采用抛石结构必然存在透水性大的特点，对围堤整体稳定性不利。

    结合以上问题，通过深入分析深水海域充砂袋施工的特点，对龙口施工方案进行了创新性的优化，即为充分利用充砂袋工艺进行龙口合拢，首次通过应用水流物理模型试验测试不同充填砂袋的临界稳定流速，通过二维潮流数学模型和水力学计算分析不同工况情况下合拢口的流速大小过程，在给定充填砂袋规格基础上，优化合拢口位置与大小，并推荐最佳合拢时机。在此基础上采用等同于围堤常规部位充填袋的方式进行龙口合拢，一方面极大的降低龙口合拢成本，另一方面也保证了龙口合拢的成功率。

    分析该工程的工况可以发现，该工程涨落潮过水量较大、水流速度快，合龙施工难度较大。为此，在最外侧大龙口合龙前，我们需对各龙口合龙进行合理部署安排，合理安排施工进度，制定最优的施工部署及优化措施，保证龙口顺利合龙。

    因为有渤西管线两条输油、输气管线穿越EF段龙口， EF段龙口需待BC段及GH段龙口合龙后进行。

    IF段围堤主体采用砖渣土施工，预留龙口长度70米，东二区围合面积1.8平方公里，潮汐流通水量可达近200m3/s，为减小龙口合龙压力，可以等待BC段龙口宽度缩小至一定程度，港池内潮差变小后进行最后合龙。

    BC段围堤主体为充填砂袋，龙口段充分考虑本工程施工区域的地理位置及潮位变化，根据水力计算结果先采用充砂袋立堵，将500m宽龙口缩窄至300m，然后采用抛石平堵方案，直至高潮位不过水。而在该龙口合龙前，先将IF段龙口合龙，减小围区面积，可大大减轻该龙口合龙压力。

    龙口水力计算

    堵口水力计算的内容是拟定龙口尺寸和计算龙口水力要素，一般采用水量平衡法和宽顶堰流的水力计算公式相结合得到。

    宽顶堰流的水力计算分自由出流和淹没出流， 在计算大潮条件下，计算龙口不同宽度和底高程时的龙口最大单宽流量，龙口最大落差和龙口最大流速。

    计算龙口宽度：100m、200m、300m、400m、500m。

    计算龙口底高程：-2.5m、-1.8m、-1.1m、-0.4m、+0.3m、+1.0m、+1.7m、+2.4m、+3.1m。

    典型龙口尺度条件下的潮位过程线、围区内水位过程线及龙口流速过程线见图2。

    流速是堵口过程中最重要的控制因素，不同宽度龙口流速变化规律为：当口门宽度不变而抬高底槛高程（平堵）时，无论进流与出流，最大流速开始逐渐增大，到某一高程（口门越窄，此高程越低）时达到最大值，然后随底槛（龙口堤顶）高程的抬高，最大流速逐渐减少，直至堤顶高出水面时变为零。当底槛高程不变而压缩口门宽度（即立堵）时，则最大流速逐渐增大，随着龙口底高程的抬高，龙口最大流速增幅逐渐减小，当龙口底高程在+1.0m以上时，最大流速随着龙口宽度的缩窄，变幅已较小。

    图2 典型龙口尺度条件下潮位、围区水位及龙口流速过程线

    利用充填砂袋进行平堵2层至-1.1m高程时，龙口宽度为400m时，龙口最大流速为2.06m/s，略小于砂袋的临界稳定流速2.50m/s，龙口宽度不应小于400m。

    利用充填砂袋进行平堵3层至-0.4m高程时，龙口宽度为500m时，龙口最大流速为2.37m/s，略小于砂袋的临界稳定流速2.40m/s，龙口宽度不应小于500m。因此为安全起见，采用砂袋至-1.1m高程，即平堵2层，龙口宽度取500m。

    根据《滩涂治理工程技术规范》（SL389-2008）8.6.1条，“…选择龙口尺寸的控制流速可取2m/s～4m/s。当施工条件允许时，也可适当提高控制流速”。

    该工程以4.0m/s为控制流速，砂袋平堵至-1.1m高程后，继续采用抛石平堵即可满足要求，龙口最大流速为3.87m/s。

    抛石块体重量和粒径的计算可按伊兹巴斯公式进行，计算得到堵口方案中需使用块石的最大粒径和最大重量分别为0.69m和140.9kg。

    龙口合龙施工进度安排

    合龙时机应尽可能选择在潮差小的时段进行。根据本工程施工进度安排及2012年各月份潮位预报结果，选于在2012年10月7日～10月12日间的小潮为开始合龙的时间最佳。

    10月7日前，确保BC段龙口完成充砂袋立堵将龙口缩小至300米，完成剩余段一级棱体护底压护及外侧平台抛石截流，GH段龙口砖渣及建筑混凝土废料推进缩小至30米。

    GH段龙口待BC段外围堤龙口施工抛石截流完成后，低潮位两侧采用建筑混凝土废料推进合龙。

    施工过程控制及优化措施

    1、 断面优化

    主要考虑如下因素：①堵口期施工与堤身稳定；②与常规段堤身的衔接与平滑过渡；③堤身充砂袋定位及抛石平台宽度与标高。

    一级棱体内外侧按1：5控制，抛石平台标高定于+0.0米附近，顶部二级棱体坡度外侧1：3，内侧1：2，主堤外侧平台增加抛石截流挡坝，标高+6.0米以上。

    2、施工优化措施

    底部砂被采用200g/m2编织土工布，并压上软体排，软体排采用600g/m2的长丝机织布制作，提高整体强度 ；当龙口束窄至100m内时，此时流速相当大，堤心袋体采用400g/m2的高强长丝机织土工布，以增强土工材料的强度，提高其抗冲刷的能力。现场施工图见图3。

    图3 龙口软体排及长丝机织布充填袋

    最大程度减小龙口过流流量，降低过流流速，提高充砂袋的充灌成型率。

    施工监测

    监测工作在施工期间有着极其重要的意义，特别是龙口段施工由于集中加荷速率较快，过程检测更是尤为重要。

    施工监测的主要内容包括：①地表沉降监测。②土体深层侧向位移监测。③孔隙水压力监测。④结构位移监测。

    沉降、土体侧向位移控制标准：①沉降速率：<20mm/d；②深层土体侧向位移速率：<4mm/d③结构位移速率：〈6mm/d

    监测频率：龙口合拢施工期间，每日至少观测一次，如果发现异常情况，应加大观测频率。

    结束语

    通过对该工程工况分析，对龙口水利特性计算，合理安排施工，并对施工工艺进行优化，临港经济区三期14区围堤及部分吹填工程龙口顺利合龙，实践证明通过以上施工部署及优化，有效保证了龙口合龙一次成功，同时也有效节约了施工成本，经济效益和社会效益显著，推广应用前景广阔。

    （作者单位：中交天航港湾建设工程有限公司）