结合数模计算的多龙口同步合龙关键技术

刘若元，张剑

1 概述

1.1 平面布置

横沙东滩圈围八期工程围区面积约42 km2，工程平面位置见图1[1]。为减小每个龙口涨落潮过水量，在围区内先期建成5条顶宽为6 m的简易隔堤，将围区分为6个小围区，为尽可能降低合龙综合成本，5条隔堤均为临时充灌袋装砂结构，防渗性能和堤身稳定较差，无法承受单一龙口合龙所造成的内外水位差影响。

为了确保合龙能够成功，考虑1—5号围区同步合龙，5个围区总面积约36 km2，围堤长度为17 868m。

1.2 断面设计

围堤采用袋装砂斜坡堤结构，软体排护底，抛石镇脚，外护坡主要为灌砌块石、栅栏板[2-3]。为在合龙期间保护袋装砂堤身，减小长江口风浪对龙口袋装砂堤身的冲击破坏，抛石镇脚先期施工形成临时抛石坝形式，同时可利用抛石坝形成的龙口雍水和阻流效果，减缓龙口内侧水流流速。合龙并完成护面保护后，再理平形成抛石镇脚。围堤断面见图2。

图1 横沙八期工程平面布置图Fig.1 Layout plan of Hengsha phase VIIIproject

图2 围堤断面示意图Fig.2 Cofferdam cross section draw ing

2 选择多龙口同步合龙的必要性

1）选择多个龙口

由于圈围面积大，经设计计算，如选择单龙口合龙，库内流量大，涨落潮流速快，龙口宽度至少需2.2 km。合龙工程量巨大，护底结构设计需增强，且当龙口逐渐缩小后，高流速作用下，无法采用普通抛石坝阻流方案，合龙期间需组织大量的人员、船舶、材料，增加了管理难度且合龙时间长，合龙难度高。

2）选择同步合龙

由于已建成的1—5号隔堤主要作为前期材料运输临时便道，断面较小，如各围区分时段先后合龙，已合龙和未合龙的相邻围区之间将存在较大的水位差，隔堤防渗性能无法满足要求，势必造成隔堤坍塌。

3）经济因素

如同步合龙方案成立，各围区之间可维持较小的水位差，则隔堤防渗要求降低，可不对隔堤进行加宽加固，工程造价相对降低。

基于上述施工技术及经济因素的考虑，采用多龙口同步合龙方案成为必然。

3 多龙口同步合龙技术

3.1 龙口布置

1）龙口位置宜选择在潮汐动力相对较弱处，以减轻堵口和闭气的难度。

2）龙口位置应选择在地质条件比较好的堤段，以利于龙口保护和合龙。

3）尽量选择在滩面地势相对较低位置，以有利于水流进出并控制龙口规模。

根据上述龙口布置原则，各龙口位置及宽度见表1。

表1 龙口位置及宽度Table1 Position and w idth of closure gap

3.2 结合数模计算拟定龙口合龙各阶段节点目标

根据工程总体推进情况并结合2016年12月下旬和2017年1月上旬的气象、潮位信息，总体上1—5号龙口需经历12月底的大汛，然后在1月初的小汛进行抛石截流，因此12月底大汛前的龙口宽度、抛石标高、截流前可收缩的宽度等均需要数模计算指导施工。

3.2.1 确定抛石坝打底高程

按照1—5号龙口设计宽度，选取不同的底标高进行大潮汛龙口最大流速的数模计算。大潮汛各龙口最大流速见表2。

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

通过表2分析，维持设计龙口宽度，各龙口抛石底标高控制在0.0 m或+2.0 m底标高，龙口流速均不超过3.0 m/s，相对较为安全；而结合各龙口现状滩面标高，0.0 m的抛投标高控制极难，+2.0 m标高又容易造成较大的跌水冲击，对龙口护底排体的保护不利。最终权衡利弊后，决定龙口抛石打底标高控制在+1.0 m，一方面对护底排体形成压载保护，另一方面为1月初小汛抛石截流做基础，减小截流抛石量。

3.2.2 确定前期（大潮汛前）龙口最大收缩幅度

从收缩后龙口大潮汛最大流速可以看出，在保持龙口底高程不变并且保证龙口在收缩后能承受大潮袭击的情况下，各龙口最多可以收缩100m。见表3。

表3 龙口收缩后大潮时龙口最大流速统计Table3 M aximum flow velocity of closure gap in case of spring tideafter the closure gap shrunk

3.2.3 验证龙口底高程抬至+1.0m后龙口安全性（已局部缩窄）

龙口抛石底高程抬升至+1.0m后将经历12月31日的大潮作用，故需对抬升后的龙口在大潮作用下的安全性进行论证。其中4号龙口最大流速超过3.0m/s安全流速，其他龙口均不超过安全流速。见表4。

表4 大潮期间龙口最大流速统计（已局部缩窄）Table4 M aximum flow velocity of closure gap during spring tide(localshrinkage)

3.2.4 确定大潮汛后龙口收缩幅度（后期缩窄）

在经过12月31日的大潮后立即进行龙口收缩，初拟龙口收缩一半，收缩后的龙口要经历中小潮作用，选取2017年1月4日的中潮，分析收缩后龙口在经受中潮作用时的安全性。其中4号龙口最大流速为3.07m/s，超过3.0 m/s安全流速，其他龙口均不超过安全流速。见表5。

表5 2017年1月4日中潮期间最大流速统计Table 5 M aximum flow velocity duringmoderate tide on January 4,2017

综合上述数模计算成果，结合大汛、小汛施工组织安排，龙口抛石及收缩宽度总体原则如下：

1）龙口抛石护底施工阶段，临时抛石坝顶标高施工必须严格按照+1.0m标高控制，时间安排在12月底前，确保龙口安全度过12月底大汛。

2）龙口抛石坝及棱体土方缩窄宽度及缩窄时间：12月底大汛前，龙口维持设计宽度不变；1月1日起，视天气情况，1号、2号、3号、5号龙口可缩窄一半，4号龙口两侧可各缩窄50 m（共100m），为合龙做准备。

3.3 护底结构设计及龙口保护期监测

3.3.1 护底结构设计

龙口构筑时，护底采用了双层软体排护底结构[4-6]。底层铺设砂肋软体排，上层铺设混凝土联锁片软体排，2层软体排搭接位置错缝铺设，以增加龙口段护底的抗冲刷保护，确保龙口安全，见图3。

图3 双层软体排护底结构Fig.3 Double-layer soft body mattress bottom protection structure

3.3.2 龙口保护期监测

1）旁扫声纳进行排体检测

每隔7 d进行1次旁扫，旁扫进行水下排体检测时，测线平行于软体排边位置，通过扫测图片直观检测相邻排体搭接及平整度，见图4。

图4 旁扫声纳检测软体排Fig.4 Inspection of soft body mattress by side scan sonar

2）龙口断面水深测量

在龙口保护期期间，每隔3~5 d进行1次龙口固定断面监测，通过监测情况来查看护底排体范围内和排体内外侧原泥面冲刷情况，并有针对性的采取预防或补救措施。

根据龙口监测结果，及时向设计反馈，如果通过计算，可能影响抛石坝甚至围堤的稳定，可对冲刷部位采取抛填石块、充填砂袋或补填散砂等措施。

3.4 合龙施工前需要满足的其他施工条件

1）袋装砂堤身施工

除龙口外，围堤全线以外棱体达到+5.5 m以上高程，内棱体达到+3.8 m、堤心砂达到+3.0 m以上。

2）外侧临时抛石坝

除龙口外，全线标高达到+5.0m。

3）隔堤需要满足合龙后大堤防渗稳定要求

由于1—5号围区先行合龙，6号围区2个月后合龙。5号隔堤两侧存在较大水位差，原防渗能力无法满足要求，需要在5号隔堤西侧进行傍宽处理，增加渗流渗径，提高防渗透性。

4）临时排水口

各围区临时排水口需要全部安装完成，满足合龙后排水要求。

5）储砂备砂

各龙口设置砂库，储存的砂量须满足合龙外棱体断流用砂，至少为用砂量的2倍以上。

3.5 合龙施工流程

根据数模计算指导意见，将合龙施工流程分为3个阶段，各阶段任务详见表6。

3.6 合龙过程中的必备措施

1）砂库、锁坝布置

砂库布置在龙口两侧，为加大储砂量，在布置龙口砂库的同时，加高围堤内外棱体，形成堤心砂备砂区。同时，因为抛石坝为透水结构，为防止龙口收缩过程中，涨潮流通过抛石坝从抛石坝和外棱体间涌入，增大过水量和龙口流速，需要在龙口两侧外棱体与临时抛石坝间各布置1组锁坝，锁坝采用单棱体袋装砂结构，标高+5.0m，顶宽5 m，在合龙土方收缩过程中，随着砂袋推进，每推进1个砂袋长度，加设1道锁坝，见图5。

表6 龙口合龙各阶段任务划分表Table6 Task division ateach closing stage of closure gap

图5 砂库、锁坝平面布置图Fig.5 Sand bin and closure dam layoutp lan

2）尼龙网兜石的应用

抛石合龙时，选用的块石规格应为50~500 kg级配良好的乱石，减少透水量；同时采用尼龙网兜石作为备用抛石方案，每个围区提前组织1 000 m3尼龙网兜石现场待命，一旦出现流速过快造成抛石无法合龙时，立即将备用尼龙网兜石进行抛投，确保抛石合龙顺利完成，尼龙网兜石在实际应用中取得了很好的效果。

4 结语

超大围区多龙口同步合龙技术在国内属首次应用，数模计算在横沙八期多龙口同步合龙方案编制中起到了正确的指导作用，同时在龙口合龙中的相关施工工艺和技术也获得成功，取得了良好的社会和经济效益。该技术的成功使用，也为类似超大围区工程的合龙提供了宝贵的经验，在缩短工期、降低施工成本、确保合龙成功率等方面均将发挥较大作用，具有良好的推广前景。

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[1]中交上海航道勘察设计研究院有限公司.横沙东滩圈围八期工程施工图说明及施工技术要求[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，堤防工程设计规范[S].GB 50286—2013,Code for design of levee project[S].

[3] SL 260—2014，堤防工程施工规范[S].SL 260—2014,Specification for levee project construction[S].

[4]SL/T 225—98，水利水电工程土工合成材料应用技术规范[S].SL/T 225—98,Standard for applications of geosynthetics in hydraulic and hydro-power engineering[S].

[5]DG/TJ 08-90—2014，水利工程施工质量检验与评定标准[S].DG/TJ 08-90—2014,Inspection and assessment standard for construction quqlity of hydraulic engineering[S].

[6] SL 197—2013，水利水电工程测量规范[S].SL197—2013,Code for surveying of waterresources and hydropower engineering[S].