陳景豐，劉寶中

（中交上航局上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

高灘區(qū)域閘箱式水門沖刷防護要點

陳景豐，劉寶中

（中交上航局上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

吹填工程中排水口的布置對有效提高圍區(qū)蓄泥能力，減少泥沙流失，保證圍區(qū)泥沙的平整度以及減輕吹填尾水對周邊環(huán)境的污染等起著至關重要的作用，其布置形式是直接關系吹填工程能否順利開展的主要因素之一。文章重點結合南通通州灣港區(qū)二港池匡圍二期西區(qū)吹填工程實例，著重介紹了吹填過程中初始設計的排水口被沖刷破壞的具體原因。對特殊工況下閘箱式排水口布置施工過程中遇到的重點及難點進行了詳細分析，同時提出了具體消能防護措施，為排水口布置施工提供了寶貴經(jīng)驗。

排水口水門；主要因素；高灘

0 引言

常規(guī)吹填工程施工過程中，排水口出口位置一般通過安裝導流槽、外側坡腳處拋填塊石的方式進行消能。本工程水門布置于龍口段，此區(qū)域內(nèi)堤身寬度較大，原始灘涂地形較高，泥沙顆粒細小，分布均勻，無黏性，抗沖刷性極差。在吹填尾水的沖刷作用下，原始灘地極易發(fā)生變形，導致排水槽底部砂土流失、排體邊緣產(chǎn)生侵蝕性溝槽并不斷發(fā)展，危及堤身安全。因此在考慮堤腳處不被沖刷的同時，如何防范排水口范圍內(nèi)不被沖刷尤為重要。

1 排水口水門的作用

排水口水門是圍區(qū)吹填的主要排水設施，其作用為：排除殘留在圍區(qū)內(nèi)的大量清水，在吹填過程中調(diào)整圍區(qū)內(nèi)水位，以控制土方流失和達到吹填面的平整。排水口水門布置作為圍堤和吹填施工的輔助工程，布置的好壞與否對吹填過程中的泥沙沉淀、淤泥處理等都起著至關重要的作用。此外，水門布置時應充分考慮吹填區(qū)的平面位置、絞吸船工況特性、泥沙顆粒沉淀特性、原始灘面和潮位的相對關系等方面因素。

2 排水口的選擇

排水口的結構形式分為閘箱式、薄壁堰式和溢流式等等。本工程綜合以下4個方面的原因，采用閘箱式排水口：

1）地表層土性近砂質粉土，圍區(qū)內(nèi)泥沙不易沉淀，施工過程中極易產(chǎn)生流失；

2）圍堤施工與吹填施工交叉作業(yè)較為頻繁，為避免吹填施工對圍堤施工帶來不必要的干擾，保證圍堤外側護坡結構正常施工，導致堤頂?shù)缆繁仨毐３滞〞常?/p>

3）溢流式排水口外側消能防護日常維護費用較大；

4）施工海域潮差較大，水位變動對吹填排水影響極大。

3 閘箱式水門的工作原理

閘箱式排水口主要是由水門箱（一般為鋼制）和輸水鋼管相連而成（見圖1），水箱安置在圍區(qū)內(nèi)側設置相應閘槽，吹填施工時采用在閘槽里放置木質閘板，通過層層疊加繼而阻擋泥沙抬高水位，使吹填清水通過擋板上端溢流進閘箱，并通過輸水管排出圍區(qū)，進而達到排水效果[1]。

圖1 閘箱式水門Fig.1 Box watergate

4 閘箱式水門設置的影響因素

1）排水口的平面位置

排水口的位置選擇應根據(jù)吹填區(qū)的地形，吹填區(qū)范圍的幾何形狀，排水總流量等綜合考慮，選擇在有利于加長泥沙流程，從而有利于泥沙的沉淀，減少流失率的位置，大多選擇布置于吹填區(qū)的死角處[2]。

2）絞吸船特性

吹填施工過程中，要充分考慮絞吸船自身流速和濃度的雙重因素的影響。泥漿濃度越高其攜砂能力越差，即流速相應的就會減少，為減少泥沙流失率，可以根據(jù)現(xiàn)有沙質粒徑，庫區(qū)內(nèi)的灘面高度及絞吸船流速等，通過粗算流經(jīng)距得出吹填出口距離排水口的最小距離[3]。

3）原灘面與潮位的相對關系

為保證吹填施工中排水口的正常工作，必須充分考慮在漲潮持續(xù)時間段內(nèi)，潮汐水對排水口泄水能力的影響。防止出現(xiàn)受庫區(qū)內(nèi)外水位差的長期影響下導致排水口泄水能力大幅度下降，進而不能滿足施工排水要求的現(xiàn)象[4]。

5 本工程水門箱的實施情況

本工程曾先后2次對同一排水口采用不同形式的處理施工，由初次防護施工失敗，致使排水口堤身范圍內(nèi)出現(xiàn)大范圍的坍塌到第二次優(yōu)化設計施工，使排水口成功穩(wěn)定排水，為高灘、沙洲條件下布置閘箱式排水口施工提供了寶貴經(jīng)驗。

5.1 工程概況

本工程施工區(qū)域地表層土性近砂質粉土，土質抗沖性差，表層土對流場變化敏感，受水流作用易變形，繼而引起連鎖反應?？紤]到排水口布置區(qū)域原始灘地為+4.5~+4.8 m左右，是整個內(nèi)港池內(nèi)灘地最高區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)有的情況推測，排水口一旦開始發(fā)揮排水功能，吹填尾水勢必會造成堤身外側區(qū)域灘地沖刷，最終形成水槽。為減小該水槽對龍口段堤身帶來不確定沖刷影響，現(xiàn)于排水管南北兩側構筑丁壩，使吹填尾水限流歸槽。此外在兩丁壩之間區(qū)域水槽內(nèi)布置一系列消能設施，使排出的吹填尾水逐步消能，從而盡可能減少吹填尾水對外側灘地的不確定沖刷破壞，進而使出口水流在指定的區(qū)域內(nèi)做到“遠離堤身、定向流動，逐步消能”。

5.2 初始排水口設計施工

1）限流歸槽

為防止吹填尾水四處擴散，對龍口周邊灘地肆意沖刷，現(xiàn)通過在排水口兩側構筑袋裝砂丁壩（見圖2），使吹填尾水限流歸槽，即出口水流沿著指定方向定向匯入外海，以此盡可能限定末端水流對堤腳及龍口位置的沖刷破壞范圍。

2）水槽護底

圖2 丁壩構筑施工Fig.2 Build construction of the spur

為防止吹填尾水直接對護底軟體排進行沖刷破壞，由此引起護底排體下方泥沙浮動形成底部泥沙流失，導致水槽發(fā)生坍塌，在排體上方進行袋裝砂壓載，以此盡可能保護護底軟體排和底部灘地。此外，水槽內(nèi)袋裝砂施工過程中要遵循逐步降低的原則，即自排水口出口至水槽末端，袋體標高逐級降低（見圖3），以此達到平順降低水頭的目的。

圖3 水槽成梯次結構進行泄水Fig.3 Water tank is discharging in echelon structure

3）水槽內(nèi)消能措施

水槽內(nèi)通過構筑橫壩（見圖4），水流經(jīng)過橫壩產(chǎn)生水躍，水躍將泄水建筑物泄出的急流轉變?yōu)榫徚?，以消除動能的方式進行消能。此水躍消能主要靠水躍產(chǎn)生的表面旋滾及旋滾與底流間的強烈紊動、剪切和摻混作用，繼而降低水流流速。

圖4 隔壩施工Fig.4 Build construction of separate dam

本工程通過構筑一系列袋裝砂橫壩，將水槽逐步分割成若干個封閉區(qū)域，水流經(jīng)過隔壩，動能減少，勢能增加，使得水流盡可能以溢流方式進入下一個區(qū)域，最終經(jīng)過多區(qū)域的消能，極大地降低防護邊緣的水流流速。

5.3 排水口破壞形式及原因

1）水槽內(nèi)側過水不均勻

由于水槽內(nèi)側標高局部存在不平整，導致過水斷面不均勻（見圖5），過水斷面減小使水流流速增大，末端的跌落水更為明顯，此跌落水特別集中于對外側排邊沖刷。排體一旦發(fā)生破壞直接導致排體下方灘地泥沙流失，即局部出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)坍塌，在此種粉細砂的地質條件下很快就會出現(xiàn)大范圍的坍塌，長此以往直接沿著過水處慢慢逼至堤身，進而危及堤身安全。

圖5 水槽內(nèi)水流過水不均勻Fig.5 Water uneven flow in the water tank

2）水槽池內(nèi)側袋體缺少防護

前期水槽內(nèi)側兩丁壩之間全部采用袋裝砂壓載防護即水流全部從袋裝砂上過水，長此以往袋裝砂逐漸變?yōu)樗柡蜖顟B(tài)，此狀態(tài)下袋體抗沖刷能力差，受水流縱向剪切力直接導致袋體被撕壞，內(nèi)部結構發(fā)生坍塌破壞。

3）水槽末端不易防護

西區(qū)設計預留龍口周邊平均灘地為+4.5~+4.8 m左右，排體外側的灘地多為粉土，土質抗沖性極差，受水流作用易變形。在周期性漲落潮影響下，龍口外側局部灘地被大量沖刷，地形、地貌也產(chǎn)生巨大變化形成溝槽。由于排水口布置在龍口端部區(qū)域，同時排水過程中持續(xù)對末端灘地進行沖刷（特別是低平潮時段，水位差最多時為4 m），逐步形成了與龍口溝槽相連通向外海的水槽。防護區(qū)域外水流沖刷的無序性和溝槽的擺動性，極大程度的增加了施工難度。

5.4 二次優(yōu)化設計施工

在考慮現(xiàn)場工況特點的情況下，我們采取了一定的措施進行相應的初次設計施工，但現(xiàn)場復雜多變的外部條件導致的失敗，對我們防護方案和工藝提出了進一步的要求。經(jīng)過充分分析和探討，我們重點對以下幾方面進行了調(diào)整和優(yōu)化。

1）水槽內(nèi)側加固施工

考慮袋裝砂在水流剪切力作用下，初期形成水飽和狀態(tài)，長時間維持在此狀態(tài)下極易被拉壞，進而導致水槽主體產(chǎn)生破壞。為了避免上述現(xiàn)象發(fā)生，與此同時加固水槽整體結構的穩(wěn)定性，在內(nèi)部袋裝砂結構施工完成后，袋體上方鋪設軟體排及復合土工布（圖6），同時為防止再次出現(xiàn)水飽現(xiàn)象，水槽內(nèi)全部進行塊石壓載。

圖6 水槽內(nèi)鋪設軟體排Fig.6 Laying of soft mattress in water tank

2）排水口末端處理

排水口末端直接與外海相連，其結構的穩(wěn)定性直接決定著排水口的成敗與否。首先水槽末端構筑石壩減緩水流流速，同時石壩與水槽連接處的軟體排也需通過塊石壓載，并確保軟體排底部和拋石壓載伸入深槽底部（圖7），以此避免排體下方的灘地二次沖刷形成侵蝕。塊石壓載完成后，通過挖機將區(qū)域塊石整理成具有一定坡度的斷面，層層消能，最終使吹填尾水通過石縫中滲出平緩流入下游水槽中，進而達到預期消能效果。

圖7 水槽末端防護Fig.7 Protection at the end of water tank

6 結語

排水口雖然只是疏浚吹填工程中控制尾水排放的臨時性輔助設施，卻對提高吹填區(qū)泥沙沉淀效果，減少泥漿對環(huán)境的污染等方面起直接調(diào)控作用。本工程高灘沙洲條件下，針對首次排水口處理施工中存在的不足之處進行總結，對前期出現(xiàn)容易引起的幾種不同破壞形式進行分析并提出相應措施，及時調(diào)整施工工藝及防護措施，達到了防護效果，希望能為類似工況水門的施工提供借鑒。

[1] 陳宜新，湯晨笛.閘箱式排水口在吹填施工中的應用[J].低碳世界，2013（10）：320-322.

CHEN Yi-xin,TANG Chen-di.Application of gate box drainage in filling projects[J].Low Carbon World,2013(10):320-322.

[2] 陳勝印，鄧志華.退水口型式在疏浚吹填工程中的選用[J].江西水利科技，2008，34（S1）：67-69.

CHEN Sheng-yin,DENG Zhi-hua.Selection of the type of reces原sion in dredging and filling projects[J].Jiangxi Hydraulic Science and Technology,2008,34(S1):67-69.

[3] 呂艷.圍區(qū)吹填施工中排水水門的設置[J].華東科技，2016（4）：176.

L譈Yan.Setting of drainage water gate in filling construction[J]. East China Science and Technology,2016(4):176.

[4] 張少強.吹填造陸工程排水新工藝的研究與應用[J].山東交通科技，2015（2）：79-80.

ZHANG Shao-qiang.Research and application of new drainage technology of land reclamation project[J].Shandong Traffic Science and Technology,2015(2):79-80.

Key points of scour protection of box watergate at high beach

CHEN Jing-feng,LIU Bao-zhong
（SDC Shanghai Communications Construction Contracting Co.,Ltd.,Shanghai 200136,China）

The layout of drainage gate in reclamation project plays very important role in improving the capacity of mud accumulation in the surrounding area,reducing the loss of sediment,ensuring the smoothness of the sediment in the surrounding area and reducing the pollution of the surrounding environment by blowing off the tail water.The layout form is one of the main factors that directly affect the smooth development of the project.Taking the reclamation project at the west of the phase II inning project in Tongzhou Bay basin 2,Nantong as an example,we introduced the specific reason of the drainage outlet of initial design was destroyed by scouring during reclamation,analyzed the key points and difficulties encountered during the construction of the gate-type drainage outlets under the special conditions,and put forward the definite energy dissipation protection measures,which provide valuable experience for the drainage outlet arrangement.

watergate at drainage outlet;major factor;high beach

U657.3

B

2095-7874（2017）04-0081-04

10.7640/zggwjs201704018

2017-02-27

2017-03-14

陳景豐（1988— ），男，河北省人，助理工程師，水利水電工程專業(yè)。E-mail：282482034@qq.com