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中低灘深水海域圍墾充泥管袋筑堤關(guān)鍵技術(shù)

蘇穎（安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽蚌埠233300）

沿海城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源緊缺制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間問題已日益嚴(yán)重，人類對(duì)海洋資源的開發(fā)與利用，已從陸地走向淺海，繼而逐步邁向深海區(qū)，傳統(tǒng)意義上的高灘圍墾資源急劇減少。文章主要對(duì)中低灘深水海域圍墾項(xiàng)目中充泥管袋筑堤施工技術(shù)加以論述。

圍墾；中低灘；數(shù)值模擬；吸運(yùn)吹一體化；筑堤

0　前言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國新一輪沿海開發(fā)戰(zhàn)略的啟動(dòng)與實(shí)施，沿海地區(qū)城市化、工業(yè)化和人口集聚加快，進(jìn)一步加大了對(duì)土地資源的需求。建國后全國主要河口海岸灘涂圍墾總面積累計(jì)達(dá)22361.7km2，平均每年約350～400km2。長江口區(qū)域的上海市自2008年起對(duì)中央沙、青草沙、橫沙東灘、南匯東灘以及崇明島北緣的部分高灘區(qū)域?qū)嵤┝巳?，累?jì)圍涂約98.7km2。

傳統(tǒng)意義上的高灘圍墾主要是針對(duì)平均高潮位以上區(qū)域進(jìn)行圍墾，圍墾區(qū)水動(dòng)力弱、波浪強(qiáng)度小，施工技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著高灘資源的日益減少，沿海中低灘圍墾已成為今后圍墾發(fā)展重要方向。目前，國內(nèi)中低灘圍墾筑堤施工時(shí)多選擇在低潮位時(shí)，采用人工方式鋪設(shè)、充灌充泥管袋，或者利用小型船舶展開袋體充填，作業(yè)時(shí)間受漲落潮影響明顯，施工效率低下，作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)極大。因此，研發(fā)新型中低灘深海水域圍墾筑堤施工技術(shù)，適應(yīng)高風(fēng)險(xiǎn)、高附加值的圍海造地勢(shì)在必行。

1　中低灘水域水動(dòng)力數(shù)值模擬研究

中低灘深水區(qū)徑流、潮流動(dòng)力條件復(fù)雜，泥沙活動(dòng)性強(qiáng)，一般在工程選址和施工可行性研究設(shè)計(jì)階段，均需要對(duì)工程實(shí)施前后的水流動(dòng)力條件、河床沖淤變化開展論證研究，主要研究手段包括現(xiàn)場(chǎng)水文泥沙資料分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型等。近年來隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)因速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用越來越廣泛。

對(duì)于施工中經(jīng)常遇到的圍堤局部沖刷以及龍口合龍等關(guān)鍵問題，必須開展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，以預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)、排除隱患。隨著海堤的推進(jìn)，潮流受到構(gòu)筑物的約束和控制，改變了水流的方向或流速的大小，原有的平衡狀態(tài)被破壞，會(huì)引起局部范圍的沖刷現(xiàn)象。因?yàn)闃?gòu)筑物周圍都存在復(fù)雜的旋渦及環(huán)流系統(tǒng)，這種局部的水流結(jié)構(gòu)是決定沖刷坑形態(tài)和大小的最重要因素之一，對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)要求較高。安徽水利開發(fā)股份有限公司自2003年進(jìn)入圍海造地行業(yè)起，高度重視科技創(chuàng)新工作，為達(dá)到“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，理論指導(dǎo)實(shí)踐”的目的，與河海大學(xué)、合工大及南科院等國內(nèi)知名水利科研機(jī)構(gòu)開展產(chǎn)學(xué)研合作，共同開展中低灘復(fù)雜邊界和動(dòng)力條件的潮流泥沙數(shù)值模擬方法研究，引入超松弛系數(shù)改進(jìn)了LU-SGS隱式有限體積法，提高了計(jì)算效率，基于拋物型的垂向流速分布關(guān)系實(shí)現(xiàn)了二、三維耦合求解；建立了復(fù)雜水動(dòng)力條件環(huán)境下全河段二、三維數(shù)學(xué)模型，利用實(shí)測(cè)資料研究了水沙運(yùn)移及灘槽演變規(guī)律及潮流泥沙變化規(guī)律，為指導(dǎo)長江口地區(qū)中低灘圈圍工程施工方案的制定提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2　“吸運(yùn)吹”一體化吹灌筑堤施工

研發(fā)了鋪袋船船載六通吹灌裝置及其工藝（關(guān)鍵設(shè)備——“鋪排船船載吹灌裝置”獲得實(shí)用新型專利授權(quán)，專利號(hào)：ZL201420308847.1；關(guān)鍵技術(shù)——“用鋪排船船載吹灌裝置充填充泥管袋的方法及吹灌裝置”獲得發(fā)明專利，專利號(hào)：201410257414.2），利用鋪袋船做為作業(yè)和中轉(zhuǎn)平臺(tái)，采用六通吹灌裝置控制充填速度、壓力，實(shí)現(xiàn)了深水區(qū)“吸運(yùn)吹”一體化吹灌筑壩快速施工。

2.1基本原理

利用吸砂船在指定采砂區(qū)進(jìn)行采砂，通過砂泵直接將砂輸送到運(yùn)砂船上；運(yùn)砂船到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后，逆水靠泊吹砂船，用纜繩連接穩(wěn)定，按吹砂船泥漿泵—輸泥總管—六通吹灌裝置—輸泥支管—充泥管袋的順序連接，在吹灌裝置分流出砂口設(shè)置閘閥，實(shí)現(xiàn)各充泥支管的啟閉，調(diào)節(jié)充灌壓力；利用高壓水槍在駁船倉內(nèi)造漿，啟動(dòng)泥漿泵開始袋體充灌施工；當(dāng)充泥管袋充灌達(dá)到理論計(jì)算量時(shí)停止作業(yè)，即完成單個(gè)袋體施工。逐袋逐層進(jìn)行充灌施工直至充泥管袋所形成的堤身到達(dá)設(shè)計(jì)斷面要求?！拔\(yùn)吹”一體化吹灌筑壩施工工藝流程如圖1所示。

圖1　“吸運(yùn)吹”一體化吹灌筑壩施工工藝流程圖

2.2材料來源

吸采砂直接利用長江內(nèi)砂源，施工中常與航道整治、沙洲治理和清淤護(hù)灘相結(jié)合，起到一舉兩得的功效，生態(tài)環(huán)保，符合國家大力推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)政策的方向。

2.3工藝流程

2.3.1吸砂船采砂施工

利用吸砂船在指定采砂區(qū)進(jìn)行采砂，采砂船單錨定位，運(yùn)砂船靠泊吸沙船，用纜繩連接穩(wěn)定后，吸沙船通過砂泵直接將砂輸送到駁船上，開始采砂裝運(yùn)。

2.3.2砂料運(yùn)輸

砂料主要采用駁船進(jìn)行運(yùn)輸，為了達(dá)到砂料迅速排水、單次運(yùn)輸量最大化的目的，駁船吃水保持駁船干舷15cm，運(yùn)輸駁船按照與海事等部門確定的航行線路通航行駛，并及時(shí)發(fā)布通航公告。

2.3.3吹砂船準(zhǔn)備

采用專用吹砂船施工，施工前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行定位，由艏艉六根錨進(jìn)行固定，船上配備機(jī)械化控制的泥漿泵、高壓水槍，由專業(yè)人員進(jìn)行操控。

2.3.4管線連接和布置

吹砂船靠鋪袋船停泊，吹砂船上的泥漿泵連接輸砂總管，輸砂總管連接六通吹灌裝置，從吹灌裝置分流的輸砂支管與充泥管袋的進(jìn)漿口連接。為了輸砂軟管的平面布局合理、易于實(shí)施和經(jīng)濟(jì)安全，管線布置綜合考慮船舶的總揚(yáng)程、地形地貌、排距、吹填高程、水位和潮汐變化等條件。

充泥管袋吹灌主要設(shè)備為吹砂船、輸砂管線、六通吹灌裝置、浮筒。六通吹灌閥示意圖如圖2所示，六通吹灌裝置進(jìn)行堤壩袋體、圍區(qū)吹填施工平面圖如圖3所示，剖面圖如圖4所示。

圖2　六通吹灌閥示意圖

圖3　六通吹灌裝置充填袋體示意圖

圖4　六通吹灌裝置充填堤壩袋體施工剖面圖

2.3.5吹灌施工

①管線連接檢查完畢后進(jìn)行充水實(shí)驗(yàn)，保證管線無破損、連接處不漏漿；打開六通閘閥，吹砂船利用高壓水槍進(jìn)行造漿，開始充填施工，通過閘閥啟閉對(duì)軟管出泥口的流量及壓力進(jìn)行調(diào)控。

②水下袋體施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制加載速率，給予袋體足夠的沉降固結(jié)時(shí)間。運(yùn)砂船靠駁鋪排船造漿。

③待水下堤身填筑完畢，不能滿足鋪袋船吃水深度要求后，將吹灌裝置從鋪袋船轉(zhuǎn)移至已露出的堤身處、低潮時(shí)采用人工展鋪袋體，繼續(xù)逐袋逐層進(jìn)行充泥管袋吹灌施工，直至充泥管袋所形成的海（江）堤堤身到達(dá)設(shè)計(jì)斷面要求。

3　龍口合龍

龍口合龍是圍墾項(xiàng)目施工的核心環(huán)節(jié)。圍堤龍口處水流壓縮，流速急劇增加，漲退潮時(shí)流速一般可達(dá)到或者超過5.0m/s；工程實(shí)施前，進(jìn)行龍口模型試驗(yàn)研究，研究各種工況下的水流及灘槽變化，提出龍口封堵工程措施，為龍口合龍?zhí)峁├碚撘罁?jù)。作業(yè)期間，利用鋪袋船對(duì)龍口區(qū)域鋪設(shè)軟體排進(jìn)行護(hù)底，降低過槽水流對(duì)灘面的沖刷，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)；圍區(qū)外側(cè)設(shè)置拋石棱體進(jìn)行阻水，將潮流速降低至約3.5m/s；在泥庫備砂及龍口兩側(cè)堤身達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，開始啟動(dòng)龍口合龍；采用“吸運(yùn)吹”工藝、平立堵相結(jié)合的方式將龍口或竄溝的底高程逐步抬升至平均灘面高程，而后利用一個(gè)小潮汛將堤身迅速斷水并抬高到大潮汛平均高潮位之上。

4　結(jié)語

隨著國家大力推進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，科學(xué)合理地對(duì)中低灘資源進(jìn)行圍墾開發(fā)利用，行業(yè)前景十分廣闊。近年來，在“一帶一路”宏偉構(gòu)想的部署下，我國南海及東南亞沿海國家的島嶼開發(fā)力度逐步加大，陸續(xù)進(jìn)入促淤、圈圍狀態(tài)，采用充泥管袋筑堤施工是已成為當(dāng)前主流技術(shù)，研發(fā)并掌握中低灘深水海域圍墾關(guān)鍵技術(shù)，可為國有資產(chǎn)保值增值和支撐省屬企業(yè)“走出去”打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

S277.4

B

1007-7359（2016）04-0082-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.031

蘇穎（1978-），男，安徽蚌埠人，合肥工業(yè)大學(xué)在職研究生，高級(jí)工程師，國家注冊(cè)一級(jí)建造師，國家注冊(cè)安全工程師，國家注冊(cè)造價(jià)工程師。