复杂边界环境下大型围垦工程堵口技术的实施——从玉环县漩门三期围垦工程为例

金 毅,李洪林

(1.温州市瓯江口新区开发建设管理委员会,浙江 温州 325026;2.中国水利水电第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概况

漩门三期围垦工程位于浙江省玉环县东北的漩门湾,紧靠玉环县珠港镇,东濒东海。围垦工程从坎门的半边山经目鱼屿和冲坦岛至干江的木杓头建设围堤,围涂面积0.453万hm2(6.795万亩),主体工程由海堤和排涝闸组成,龙口设在珠港海堤Z0+020～Z1+520m。

该工程海堤为土石坝,采用悬浮式爆炸挤淤法进行基础置换处理,最大置换深度27.4m。围垦工程规模大,海堤堤身高(达14m,涂面以上),工程区域施工期潮差6m多,龙口口门水流条件复杂,龙口合龙是该工程成败的关键环节。本文通过对漩门三期围垦工程海堤龙口的设计和施工总结,探讨在复杂边界环境下大型围垦工程的堵口合龙技术,为今后类似工程的施工提供参考与借鉴。

漩门湾三面面临陆地,面向外海的口门较窄,呈口袋状,属典型的海湾型围海工程。海堤设计挡潮标准为50 a一遇 (允许部分越浪)。海堤总长5 352m,分3段:坎门海堤,从半边山经鸟笼屿至目鱼屿,长325 m,涂面高程-2.5～1.0m(1985国家高程基准,下同);珠港海堤,位于目鱼屿与冲坦屿之间,长4 077 m,涂面高程-4.2～-3.0m;干江海堤,从冲坦屿至木杓头南侧,堤长950m,涂面高程0.0～-3.5m。工程设排涝闸2座,分别布置在目鱼屿和冲坦屿上,每闸为5孔×8m。

海堤除坎门堤直接坐落在岩基外,珠港堤和干江堤基础为淤泥质软土地基,软土地基采用爆炸挤淤置换法处理。其中,珠港海堤最大置换深度27.4 m,干江海堤最大置换深度23.5m。因置换深度大,部分堤身设计采用“悬浮式”结构,利用控制加载爆炸挤淤置换法进行施工。

围区控制集水面积130 km2。流域多年平均风速5.3 m/s,最大风速40.0 m/s。多年平均降水量 1 421mm,其中最大年为2 004.2 mm,最小年为889.5mm。形成该地区洪涝灾害的主要暴雨为台风雨,在台风活动过程中常伴随狂风、暴雨、巨浪和风暴潮。

工程所处海域为浅海弱潮流区,属正规半日潮型,1 d呈2高2低,多年平均涨潮历时为6.32 h,落潮历时6.10 h。海堤未施工前,工程海域大潮平均流速小于0.5m/s的占94.4%,大潮最大涨、落潮流速分别为0.88,1.03m/s。

工程附近实测年最高潮位5.34m,实测年最低潮位-3.66m,多年平均年最高潮位3.88m,多年平均低潮位-1.90m,平均潮差4.06m,最大潮差7.02m。海堤在设计高潮位5.34m和平均高潮位2.14m时,50 a一遇最大设计波要素见表1。

根据设计要求,该工程龙口设在珠港堤Z0+020～Z1+520m,即从坎门堤和干江堤两端分别向中间推进,当推进到一定位置时,坎门一侧停止爆炸推进,并将其挖除至一定高程形成度汛龙口。同时,从干江侧继续推进爆炸基础处理,待条件具备后再进行龙口段堤身合龙。

表1 50 a一遇塘前设计波要素表

2 龙口水力要素研究

海堤在合龙前,先委托河海大学对龙口水力要素进行模拟试验。根据试验成果[1].,漩门三期围垦工程龙口设计潮型分析成果见表2。根据试验成果,按非汛期10 a一遇高潮位3.99m作为该工程龙口设计控制潮型。不同工况下的堵口水力要素见表3～7。

表2 龙口设计潮型表

表3 龙口平堵顶高程2.0 m状态下水力要素表 (闸孔全开)

表4 龙口平堵顶高程1.0m状态下水力要素表 (闸孔全开)

表5 龙口平堵顶高程0.0 m状态下水力要素表 (闸孔全开)

表6 龙口平堵顶高程-1.0m状态下水力要素表 (闸孔全开)

表7 龙口平堵顶高程-2.0m状态下水力要素表 (闸孔全开)

3 龙口设计

根据原设计,龙口宽度1500m、底槛高程为-3.5m,布置在珠港海堤Z0+020～Z1+520m,采用置换龙口,即该段海堤爆炸基础处理后,将龙口底槛以上的抛石挖除,保护后形成龙口度汛。

在实际施工中,因原置换龙口开挖高程低,加上爆炸后两侧淤泥包的影响,置换龙口施工难度和风险很大。根据河海大学对龙口进行模拟模型试验的成果,设计将龙口方案进行了调整,即将原1500m宽的珠港置换龙口底高程抬高,其中1200m(Z0+020～Z1+220m)抬高到-1.0m,300m(Z1+220～Z1+520m)抬高到-3.0m。同时,在坎门海堤岩石基础上增设坎门龙口,坎门龙口宽约250m,平均底坎高程-1.0m。

合龙期间,全面开启2座排涝闸泄流,并利用开挖形成的坎门龙口过流。

4 龙口形成及合龙过程

玉环漩门三期工程海堤龙口按以下步骤逐步形成及合龙:

第1步,干江海堤和坎门海堤基础处理完成,珠港海堤完成Z4+077～Z2+520m、Z0+000～Z1+520m段基础处理,珠港海堤中间缺口缩至1000m(见图1)。

图1 干江和坎门堤基础处理完成图(珠港堤中间缺口缩至1000m)

第2步,珠港海堤置换龙口开始开挖,珠港海堤干江侧爆炸基础继续推进。干江侧基础继续推进500m,置换龙口开挖完成,其中Z0+020～Z1+220m段开挖至-1.0m高程,Z1+220～Z1+520m开挖至-3.0m高程 (见图2)。

图2 置换龙口开挖完成图 (干江侧继续推进500m)

第3步,珠港海堤干江侧基础继续推进,开挖坎门龙 口和架设施工便桥,并完成珠港海堤基础合龙(见图3)。

图3 干江侧继续推进基础合龙图

第4步,将珠港置换龙口-3.0m高程部分先采用平堵法回填至-1.0m高程,然后将1 500m置换龙口采用平堵法全部抬高至0.0m,形成最终堤身度汛龙口 (见图3)。

图4 珠港置换龙口抬高至0.0 m度汛龙口形成图

第5步,堤身合龙完成。汛期过后,从珠港堤堤身度汛龙口两端分别用进占法、立堵抛石合龙。堤身合龙后,对坎门龙口抛石立堵,拆除便桥(见图4)。

图5 堤身合龙完成图

5 基础合龙施工

玉环漩门三期工程海堤堤基最后60m(Z1+580～Z1+520m段)合龙采用特殊工艺,主要施工工艺如下:

(1)窄堤抛填,快速合龙,爆炸处理。在正常爆炸挤淤处理软基施工至Z1+580m后,堤头抛填宽度缩窄到10m,快速直接抛填至Z1+520 m,然后在堤身两侧堤设药包群进行爆炸处理。此时尽量采用大块石填筑,减少冲损。

(2)两侧拓宽,侧爆推进。爆炸施工完成后再加高堤身,并且向两侧各加宽5m,然后再进行爆炸处理。

(3)循环侧爆,完成断面。按照内外海侧加宽 (爆炸循环推进加宽)、加抛达到设计断面。

6 堤身合龙施工

堤身合龙在非汛期进行,先堵珠港堤 (软基段)置换龙口,后堵坎门堤(基岩段)龙口。主要合龙程序为:

(1)将珠港堤Z0+020～Z1+220m堤身龙口平堵至1.0m高程,再立堵将宽度由1 500m缩至500m,即堤身龙口缩至Z0+520～Z1+020m。

(2)将坎门堤龙口由-1.0m抬高到1.0m。

(3)利用小潮汛将Z0+020～Z1+220m珠港堤身龙口500m和坎门龙口250 m一次截流封堵。截流堤采用变截面,截流堤顶高程 3.0 m,宽 14 m,内坡 1∶1.5,外坡1∶1.8,并在截流堤外海侧设2m宽的小石堤。小石堤堤顶高程4.5m。

截流材料采用大块石,单块块石在水力作用下,其抗冲稳定临界流速Vc按依兹巴士公式计算:

式中:K为稳定系数,垫层块石直径小于抛投其上块石直径时取0.8,垫层块石直径大于或等于抛投块石直径时取1.2;g为重力加速度,m/s2(取g=9.81m/s2);γs为单块石容重,kN/m3;γo为海水容重,kN/m3(取 γo=10.3 kN/m3);D为块石当量直径,m;α为抛投体垫层倾角,°;φ为堆石体休止角,°。

龙口按最大流速4.6m/s计算,合龙过程中选用800 kg以上块石进行截流。堤身合龙时,组织大量的挖装、运输设备集中抛填、抢占施工。

7 龙口度汛保护

基础合龙后,将Z1+220～Z1+520 m段堤身小龙口从-3.0m抬高到-1.0m,再将Z0+000～Z1+520m段堤身全部抬高到0.0m高程,形成度汛龙口。

堤基处理完成及时抛石护坦,以减小淤泥包的冲刷。非龙口段海堤护坡、堤脚保护结合永久工程施工,Z0+000～Z1+520m置换龙口段在堤身合龙前采用钢丝笼装大块石防护度汛。钢丝笼大块石在陆上加工、水上抛投,单个大块石钢丝笼重1 500 kg以上,以防止水流冲刷。

8 结 语

漩门三期围垦工程海堤合龙一次性成功,为整个海堤上部结构及内外侧护面工程的施工赢得了宝贵的时间,为整个海堤工程的顺利建设奠定了坚实的基础。总结该工程海堤合龙设计与施工的技术经验,主要有以下几方面:

(1)复杂边界环境下大型围垦工程堵口施工前,模拟试验非常重要。该工程合龙前,充分、全面地考虑到了各种可能出现的相关因素,并对合龙过程可能出现的各种流态进行了详尽的演算。通过模拟试验,优化了合龙方案,确保了海堤一次性合龙成功。

(2)龙口底坎顶高程越高、龙口口门宽度越大,则口门水流流速越小。故在选择合龙方案时,应采用宽而浅的口门,避免窄而深的口门。

(3)当龙口口门底坎高程较低时,先采用平堵的方法抬高底坎高程,再逐步缩小口门宽度,以待小潮时一次合龙成功。

(4)在合龙施工中,在龙口口门段底部采用大型钢筋铁丝笼装块石进行抛筑和护底,以加大堵口合龙时的抗冲能力,确保堵口段安全合龙。

(5)在堵口合龙时,宜选择在小潮段进行抢堵,快速完成堵口合龙。同时,还全面收集气象预报资料查看合龙时间内有无强风、大浪及风暴潮出现,防止龙口发生冲垮损坏。

(6)堵口工程是一个抢险工程,必须做好材料的充分准备,有足够的安全储备。堵口合龙后,仍须继续抓紧做好堤身巩固培厚,满足设计断面。软基堤段的压载需特别注意,经过一段时间大潮的实际考验,才能证明其基本上度过危险期。

[1].陈松林.漩门三期围垦堵口工程龙口水力特性研究 [R]..南京:河海大学海洋学院,2010.