結(jié)合數(shù)模計(jì)算的多龍口同步合龍關(guān)鍵技術(shù)

劉若元，張劍

1 概述

1.1 平面布置

橫沙東灘圈圍八期工程圍區(qū)面積約42 km2，工程平面位置見(jiàn)圖1[1]。為減小每個(gè)龍口漲落潮過(guò)水量，在圍區(qū)內(nèi)先期建成5條頂寬為6 m的簡(jiǎn)易隔堤，將圍區(qū)分為6個(gè)小圍區(qū)，為盡可能降低合龍綜合成本，5條隔堤均為臨時(shí)充灌袋裝砂結(jié)構(gòu)，防滲性能和堤身穩(wěn)定較差，無(wú)法承受單一龍口合龍所造成的內(nèi)外水位差影響。

為了確保合龍能夠成功，考慮1—5號(hào)圍區(qū)同步合龍，5個(gè)圍區(qū)總面積約36 km2，圍堤長(zhǎng)度為17 868m。

1.2 斷面設(shè)計(jì)

圍堤采用袋裝砂斜坡堤結(jié)構(gòu)，軟體排護(hù)底，拋石鎮(zhèn)腳，外護(hù)坡主要為灌砌塊石、柵欄板[2-3]。為在合龍期間保護(hù)袋裝砂堤身，減小長(zhǎng)江口風(fēng)浪對(duì)龍口袋裝砂堤身的沖擊破壞，拋石鎮(zhèn)腳先期施工形成臨時(shí)拋石壩形式，同時(shí)可利用拋石壩形成的龍口雍水和阻流效果，減緩龍口內(nèi)側(cè)水流流速。合龍并完成護(hù)面保護(hù)后，再理平形成拋石鎮(zhèn)腳。圍堤斷面見(jiàn)圖2。

圖1 橫沙八期工程平面布置圖Fig.1 Layout plan of Hengsha phase VIIIproject

圖2 圍堤斷面示意圖Fig.2 Cofferdam cross section draw ing

2 選擇多龍口同步合龍的必要性

1）選擇多個(gè)龍口

由于圈圍面積大，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，如選擇單龍口合龍，庫(kù)內(nèi)流量大，漲落潮流速快，龍口寬度至少需2.2 km。合龍工程量巨大，護(hù)底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需增強(qiáng)，且當(dāng)龍口逐漸縮小后，高流速作用下，無(wú)法采用普通拋石壩阻流方案，合龍期間需組織大量的人員、船舶、材料，增加了管理難度且合龍時(shí)間長(zhǎng)，合龍難度高。

2）選擇同步合龍

由于已建成的1—5號(hào)隔堤主要作為前期材料運(yùn)輸臨時(shí)便道，斷面較小，如各圍區(qū)分時(shí)段先后合龍，已合龍和未合龍的相鄰圍區(qū)之間將存在較大的水位差，隔堤防滲性能無(wú)法滿足要求，勢(shì)必造成隔堤坍塌。

3）經(jīng)濟(jì)因素

如同步合龍方案成立，各圍區(qū)之間可維持較小的水位差，則隔堤防滲要求降低，可不對(duì)隔堤進(jìn)行加寬加固，工程造價(jià)相對(duì)降低。

基于上述施工技術(shù)及經(jīng)濟(jì)因素的考慮，采用多龍口同步合龍方案成為必然。

3 多龍口同步合龍技術(shù)

3.1 龍口布置

1）龍口位置宜選擇在潮汐動(dòng)力相對(duì)較弱處，以減輕堵口和閉氣的難度。

2）龍口位置應(yīng)選擇在地質(zhì)條件比較好的堤段，以利于龍口保護(hù)和合龍。

3）盡量選擇在灘面地勢(shì)相對(duì)較低位置，以有利于水流進(jìn)出并控制龍口規(guī)模。

根據(jù)上述龍口布置原則，各龍口位置及寬度見(jiàn)表1。

表1 龍口位置及寬度Table1 Position and w idth of closure gap

3.2 結(jié)合數(shù)模計(jì)算擬定龍口合龍各階段節(jié)點(diǎn)目標(biāo)

根據(jù)工程總體推進(jìn)情況并結(jié)合2016年12月下旬和2017年1月上旬的氣象、潮位信息，總體上1—5號(hào)龍口需經(jīng)歷12月底的大汛，然后在1月初的小汛進(jìn)行拋石截流，因此12月底大汛前的龍口寬度、拋石標(biāo)高、截流前可收縮的寬度等均需要數(shù)模計(jì)算指導(dǎo)施工。

3.2.1 確定拋石壩打底高程

按照1—5號(hào)龍口設(shè)計(jì)寬度，選取不同的底標(biāo)高進(jìn)行大潮汛龍口最大流速的數(shù)模計(jì)算。大潮汛各龍口最大流速見(jiàn)表2。

表2 大潮汛各龍口最大流速表Table 2 M aximum flow velocity ofeach closure gap in case of spring tide

通過(guò)表2分析，維持設(shè)計(jì)龍口寬度，各龍口拋石底標(biāo)高控制在0.0 m或+2.0 m底標(biāo)高，龍口流速均不超過(guò)3.0 m/s，相對(duì)較為安全；而結(jié)合各龍口現(xiàn)狀灘面標(biāo)高，0.0 m的拋投標(biāo)高控制極難，+2.0 m標(biāo)高又容易造成較大的跌水沖擊，對(duì)龍口護(hù)底排體的保護(hù)不利。最終權(quán)衡利弊后，決定龍口拋石打底標(biāo)高控制在+1.0 m，一方面對(duì)護(hù)底排體形成壓載保護(hù)，另一方面為1月初小汛拋石截流做基礎(chǔ)，減小截流拋石量。

3.2.2 確定前期（大潮汛前）龍口最大收縮幅度

從收縮后龍口大潮汛最大流速可以看出，在保持龍口底高程不變并且保證龍口在收縮后能承受大潮襲擊的情況下，各龍口最多可以收縮100m。見(jiàn)表3。

表3 龍口收縮后大潮時(shí)龍口最大流速統(tǒng)計(jì)Table3 M aximum flow velocity of closure gap in case of spring tideafter the closure gap shrunk

3.2.3 驗(yàn)證龍口底高程抬至+1.0m后龍口安全性（已局部縮窄）

龍口拋石底高程抬升至+1.0m后將經(jīng)歷12月31日的大潮作用，故需對(duì)抬升后的龍口在大潮作用下的安全性進(jìn)行論證。其中4號(hào)龍口最大流速超過(guò)3.0m/s安全流速，其他龍口均不超過(guò)安全流速。見(jiàn)表4。

表4 大潮期間龍口最大流速統(tǒng)計(jì)（已局部縮窄）Table4 M aximum flow velocity of closure gap during spring tide(localshrinkage)

3.2.4 確定大潮汛后龍口收縮幅度（后期縮窄）

在經(jīng)過(guò)12月31日的大潮后立即進(jìn)行龍口收縮，初擬龍口收縮一半，收縮后的龍口要經(jīng)歷中小潮作用，選取2017年1月4日的中潮，分析收縮后龍口在經(jīng)受中潮作用時(shí)的安全性。其中4號(hào)龍口最大流速為3.07m/s，超過(guò)3.0 m/s安全流速，其他龍口均不超過(guò)安全流速。見(jiàn)表5。

表5 2017年1月4日中潮期間最大流速統(tǒng)計(jì)Table 5 M aximum flow velocity duringmoderate tide on January 4,2017

綜合上述數(shù)模計(jì)算成果，結(jié)合大汛、小汛施工組織安排，龍口拋石及收縮寬度總體原則如下：

1）龍口拋石護(hù)底施工階段，臨時(shí)拋石壩頂標(biāo)高施工必須嚴(yán)格按照+1.0m標(biāo)高控制，時(shí)間安排在12月底前，確保龍口安全度過(guò)12月底大汛。

2）龍口拋石壩及棱體土方縮窄寬度及縮窄時(shí)間：12月底大汛前，龍口維持設(shè)計(jì)寬度不變；1月1日起，視天氣情況，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)龍口可縮窄一半，4號(hào)龍口兩側(cè)可各縮窄50 m（共100m），為合龍做準(zhǔn)備。

3.3 護(hù)底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及龍口保護(hù)期監(jiān)測(cè)

3.3.1 護(hù)底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

龍口構(gòu)筑時(shí)，護(hù)底采用了雙層軟體排護(hù)底結(jié)構(gòu)[4-6]。底層鋪設(shè)砂肋軟體排，上層鋪設(shè)混凝土聯(lián)鎖片軟體排，2層軟體排搭接位置錯(cuò)縫鋪設(shè)，以增加龍口段護(hù)底的抗沖刷保護(hù)，確保龍口安全，見(jiàn)圖3。

圖3 雙層軟體排護(hù)底結(jié)構(gòu)Fig.3 Double-layer soft body mattress bottom protection structure

3.3.2 龍口保護(hù)期監(jiān)測(cè)

1）旁掃聲納進(jìn)行排體檢測(cè)

每隔7 d進(jìn)行1次旁掃，旁掃進(jìn)行水下排體檢測(cè)時(shí)，測(cè)線平行于軟體排邊位置，通過(guò)掃測(cè)圖片直觀檢測(cè)相鄰排體搭接及平整度，見(jiàn)圖4。

圖4 旁掃聲納檢測(cè)軟體排Fig.4 Inspection of soft body mattress by side scan sonar

2）龍口斷面水深測(cè)量

在龍口保護(hù)期期間，每隔3~5 d進(jìn)行1次龍口固定斷面監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)情況來(lái)查看護(hù)底排體范圍內(nèi)和排體內(nèi)外側(cè)原泥面沖刷情況，并有針對(duì)性的采取預(yù)防或補(bǔ)救措施。

根據(jù)龍口監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)向設(shè)計(jì)反饋，如果通過(guò)計(jì)算，可能影響拋石壩甚至圍堤的穩(wěn)定，可對(duì)沖刷部位采取拋填石塊、充填砂袋或補(bǔ)填散砂等措施。

3.4 合龍施工前需要滿足的其他施工條件

1）袋裝砂堤身施工

除龍口外，圍堤全線以外棱體達(dá)到+5.5 m以上高程，內(nèi)棱體達(dá)到+3.8 m、堤心砂達(dá)到+3.0 m以上。

2）外側(cè)臨時(shí)拋石壩

除龍口外，全線標(biāo)高達(dá)到+5.0m。

3）隔堤需要滿足合龍后大堤防滲穩(wěn)定要求

由于1—5號(hào)圍區(qū)先行合龍，6號(hào)圍區(qū)2個(gè)月后合龍。5號(hào)隔堤兩側(cè)存在較大水位差，原防滲能力無(wú)法滿足要求，需要在5號(hào)隔堤西側(cè)進(jìn)行傍寬處理，增加滲流滲徑，提高防滲透性。

4）臨時(shí)排水口

各圍區(qū)臨時(shí)排水口需要全部安裝完成，滿足合龍后排水要求。

5）儲(chǔ)砂備砂

各龍口設(shè)置砂庫(kù)，儲(chǔ)存的砂量須滿足合龍外棱體斷流用砂，至少為用砂量的2倍以上。

3.5 合龍施工流程

根據(jù)數(shù)模計(jì)算指導(dǎo)意見(jiàn)，將合龍施工流程分為3個(gè)階段，各階段任務(wù)詳見(jiàn)表6。

3.6 合龍過(guò)程中的必備措施

1）砂庫(kù)、鎖壩布置

砂庫(kù)布置在龍口兩側(cè)，為加大儲(chǔ)砂量，在布置龍口砂庫(kù)的同時(shí)，加高圍堤內(nèi)外棱體，形成堤心砂備砂區(qū)。同時(shí)，因?yàn)閽伿瘔螢橥杆Y(jié)構(gòu)，為防止龍口收縮過(guò)程中，漲潮流通過(guò)拋石壩從拋石壩和外棱體間涌入，增大過(guò)水量和龍口流速，需要在龍口兩側(cè)外棱體與臨時(shí)拋石壩間各布置1組鎖壩，鎖壩采用單棱體袋裝砂結(jié)構(gòu)，標(biāo)高+5.0m，頂寬5 m，在合龍土方收縮過(guò)程中，隨著砂袋推進(jìn)，每推進(jìn)1個(gè)砂袋長(zhǎng)度，加設(shè)1道鎖壩，見(jiàn)圖5。

表6 龍口合龍各階段任務(wù)劃分表Table6 Task division ateach closing stage of closure gap

圖5 砂庫(kù)、鎖壩平面布置圖Fig.5 Sand bin and closure dam layoutp lan

2）尼龍網(wǎng)兜石的應(yīng)用

拋石合龍時(shí)，選用的塊石規(guī)格應(yīng)為50~500 kg級(jí)配良好的亂石，減少透水量；同時(shí)采用尼龍網(wǎng)兜石作為備用拋石方案，每個(gè)圍區(qū)提前組織1 000 m3尼龍網(wǎng)兜石現(xiàn)場(chǎng)待命，一旦出現(xiàn)流速過(guò)快造成拋石無(wú)法合龍時(shí)，立即將備用尼龍網(wǎng)兜石進(jìn)行拋投，確保拋石合龍順利完成，尼龍網(wǎng)兜石在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

超大圍區(qū)多龍口同步合龍技術(shù)在國(guó)內(nèi)屬首次應(yīng)用，數(shù)模計(jì)算在橫沙八期多龍口同步合龍方案編制中起到了正確的指導(dǎo)作用，同時(shí)在龍口合龍中的相關(guān)施工工藝和技術(shù)也獲得成功，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)的成功使用，也為類(lèi)似超大圍區(qū)工程的合龍?zhí)峁┝藢氋F的經(jīng)驗(yàn)，在縮短工期、降低施工成本、確保合龍成功率等方面均將發(fā)揮較大作用，具有良好的推廣前景。

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[1]中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.橫沙東灘圈圍八期工程施工圖說(shuō)明及施工技術(shù)要求[R].2016.CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.Construction drawing description and construction technical requirement of Hengsha East Shoal Reclamation Project(Phase VIII)[R].2016.

[2]GB 50286—2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50286—2013,Code for design of levee project[S].

[3] SL 260—2014，堤防工程施工規(guī)范[S].SL 260—2014,Specification for levee project construction[S].

[4]SL/T 225—98，水利水電工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S].SL/T 225—98,Standard for applications of geosynthetics in hydraulic and hydro-power engineering[S].

[5]DG/TJ 08-90—2014，水利工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].DG/TJ 08-90—2014,Inspection and assessment standard for construction quqlity of hydraulic engineering[S].

[6] SL 197—2013，水利水電工程測(cè)量規(guī)范[S].SL197—2013,Code for surveying of waterresources and hydropower engineering[S].