福清東壁島大型圍墾工程深港堵口綜合技術研究

張裕平

（福建省水利水電勘測設計研究院 福州 350001）

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

福清東壁島圍墾工程位于福建省福清灣的西南部，是福建省目前建成的的最大圍墾項目，圍墾面積4.34萬畝，海堤總長4820m。工程級別為3級，防潮標準為50年一遇，堵口設計潮型為20年一遇。海堤分為北堤 （長3247.5m）和東堤 （長1572.5m）兩段，總長4820m；工程共布置水閘5座，其中能參與堵口分流的有4座 （分流總凈寬180m）。堵口設在東堤，大口門寬度1020m，其中深港處小口門寬度450m。

1.2 風況及潮位

工程區(qū)平均每年有2～3次臺風影響，多出現(xiàn)在7～9月份，以東北風為主，實測東北風最大風速34m／s。圍墾工程區(qū)潮型為正規(guī)半日潮，潮位特征值為：50年一遇高 （低）潮位5.14m （－3.65m）（黃零，下同）；堵口期20年一遇高 （低）潮位分別為：農(nóng)歷8月大潮4.54m （－3.15m），公歷11～12月潮位3.69m （－2.81m），公歷1～3月潮位3.83m （－3.00m）。

1.3 地質(zhì)

口門根據(jù)灘涂地形的不同分為深港及高灘兩部分（見圖1）。深港部分灘涂－5.0m高程以下寬度約250m，最深處高程為－12.8m；深港范圍基礎為淤泥夾粉細砂，厚度3～10m，下部為中粗砂及殘積砂質(zhì)粘土。高灘部分灘涂高程在－3.3～－4.5m之間；高灘處基礎表層 （粉）細砂厚度1.8～4.9m，下部為淤泥夾粉細砂 （厚度5～14m）及淤泥質(zhì)粘土 （厚度2～4m），兩層均為力學指標較差的軟弱土層，再下部為中粗砂及殘積砂質(zhì)粘土。

圖1 堵口地形及合龍實際施工程序圖

1.4 截流堤斷面

堵口截流堤下部采用擴展斷面，上部采用密集斷面，截流拋投材料為塊石與鐵籠，考慮到基礎淤泥夾沙層有一定的排水作用，經(jīng)比較，截流堤基礎不進行專門處理，對表面為淤泥的灘面，采用拋中粗砂墊層加速基礎的排水固結，在砂墊層表面鋪高強機織土工布保護，同時起加筋作用，小口門截流堤典型斷面見圖2。

圖2 堵口小口門截流堤斷面圖

1.5 堵口難度

本工程堵口合龍難度主要表現(xiàn)為：龍口合龍潮差7.69m、龍口水流吞吐量1.2億m3、龍口水深19m、龍口軟基淤泥最大厚度18m。通過對大型圍墾工程深港堵口水流特性的系統(tǒng)性研究，制定深港堵口護底及截流的綜合措施，并根據(jù)現(xiàn)場施工情況的變化，及時修正堵口施工程序及堵口護底和截流材料，順利實現(xiàn)了在大庫容、大潮差、大水深、深軟基上的高難度條件下大型圍墾工程一次性堵口合龍成功，節(jié)約工程投資1000多萬元。工程于2004年3月全面開工，口門于2005年5月23日順利合龍成功，墾區(qū)于2005年9月即開始水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)揮效益，創(chuàng)造了從開工到實現(xiàn)堵口合龍只用不到15個月、較同等工程縮短一半施工工期的奇跡。

2 堵口合龍程序制定

2.1 原設計采用方案

根據(jù)水量平衡原理，采用寬頂堰公式計算過流能力，共計算了14種不同的工況，從方便陸上施工及避開較大的龍口流速角度考慮，推薦了以立堵為主、平堵為輔 （先抬高深港段口門，然后先堵大口門，再堵小口門）的堵口合龍施工程序。

河海大學堵口整體水工模型試驗共進行了11個工況的全潮試驗，從避開較大的龍口流速角度考慮，推薦了以平堵為主、立堵為輔 （先抬高深港段口門，然后大、小龍口同時平堵抬高，兩龍口高差1.0m）的堵口合龍施工程序。

對上述兩種方法邊界條件基本相同的堵口工序流速分析表明，口門最大流速差值在5%以內(nèi)，吻合性很好。由于兩種方法推薦的堵口程序不盡相同，取相近堵口工序進行對比可知，水工模型試驗推薦的堵口程序龍口最大流速要比水量平衡原理計算法推薦的堵口程序小20%左右。

根據(jù)省水利廳堵口技術方案審查意見，設計采用了龍口最大流速較小的水工模型試驗推薦堵口程序，即深港段需先抬高底檻高程至－3.0m高程，然后以平、立堵相結合的方法進行施工，南尾高灘段比深港段高1m交錯抬高底檻，待深港段底檻抬高至0.0m高程后，以立堵為主、平堵為輔的方法進行堵口合龍。按該程序制定的施工進度為：在2004年農(nóng)歷8月大潮來臨前，北堤應全線貫通擋水；東堤應完成口門護底工作，即堵口深港段部位應填筑至－5.0m高程，高灘部位應護底至－2.0m高程，以便東堤口門安全度過年內(nèi)農(nóng)歷8月大潮，水閘于2004年12月底通水參與口門分流，東堤口門在農(nóng)歷8月大潮過后即開始堵口，于2005年3月左右實現(xiàn)合龍。

2.2 堵口合龍程序修正

2.2.1 修正的必要性

在實際施工過程中，工地屢次受群眾阻撓而停工，施工進度緩慢，同時施工單位認為用船拋平堵需二次倒運，會增加成本，投入拋石的船只也無法滿足小口門先行抬高的要求。到2004年11月11日為止，北堤尚留缺口寬度為1300m，底檻高程為1.0m；東堤深港段部位只填筑至－7.0m高程，高灘部位才護底至－2.0m高程。

若按原定堵口合龍程序進行施工，需增加大量的拋投船只，才能滿足深港段從－7.0m迅速抬高至－3.0m高程，然后方可開始高灘段用汽車拋填、深港段用船只拋填，必然影響整個工程的堵口施工進度。為此，在2004年11月中旬對堵口合龍程序作了適當?shù)男拚?/p>

2.2.2 修正的可能性

修正的可能性主要體現(xiàn)在以下三個方面。

（1）堵口分流條件較好。目前北堤還有1300m的口門可進行分流，該段海堤需到2005年1月份左右才能全線貫通擋水；接下來，總凈寬達180m的四座水閘將可參與堵口分流。

（2）后續(xù)潮型有利于堵口合龍施工。按目前施工進度，堵口合龍時間將推遲到年內(nèi)高潮位較低、潮差較小的4～5月份，如此可部分改善口門的水流條件，對堵口截流堤合龍較為有利。

（3）基礎地質(zhì)條件較好。基礎表層為 （粉）細砂，下部為淤泥夾粉細砂，淤泥內(nèi)的粉細砂夾層有利于消除孔隙水壓力，經(jīng)穩(wěn)定計算分析，深港段基礎可滿足較快的加荷速率要求。

2.2.3 修正思路

為加快施工進度，克服缺少船只的影響，把停工損失的時間爭取回來，修正的思路為加大施工強度，采用陸上車拋與水上船拋平堵相結合的方式同時進行施工。

2.2.4 修正后的堵口合龍程序

圖3 堵口合龍程序修正圖

按以上思路修正后的堵口合龍程序見圖3。堵口合龍程序修正后，采用水量平衡原理計算方法重新復核龍口水力要素。

3 大型平面鐵籠及特大塊石的運用

3.1 問題提出

堵口合龍程序適當修正后，南尾高灘段采用車拋立堵方式進行抬高口門底檻，速度較快，而深港段用有限的船只進行拋投平堵抬高口門底檻，速度較慢，如此，深港段處流速必然增加較大，如：堵口工序2大口門底檻由－0.5m抬高到1.5m時，漲落潮最大流速分別由原設計方案3.80m／s（－3.08m／s）增加到4.35m／s （－3.18m／s）；另外，工序2和3在小口門底檻從－5.0m抬高到－0.5m過程中，漲落潮最大流速也分別由原設計方案3.46～4.69m／s （－2.83～ －3.85m／s）增加到5.22～5.51m／s （－4.71～－4.96m／s）；最大流速增加幅度在11～17%之間，經(jīng)分析，口門縮窄后可通過大型平面鐵籠及特大塊石來抵抗高流速的沖刷，以確保截流堤的水力穩(wěn)定。

3.2 大型平面鐵籠

高灘部位大口門1.5m高程處，漲落潮最大流速分別為4.35m／s （－3.18m／s），用普通的鐵籠（5m×1.5m×0.8m，單個重10.5t）難以抵御如此大的流速。經(jīng)分析，在深港小口門底檻高程為－2.5m時，高灘部位－0.5m高程處，每個潮水有2～3h的露灘時間，非常適合人工趕潮排鐵籠施工。為加快施工進度及提高鐵籠的抗沖能力，提出了人排大型平面鐵籠的新工藝。該工藝將現(xiàn)場準備的用于編織原普通鐵籠的鐵絲網(wǎng)連接成片，采用機械裝石，人工綁扎的方法，形成長度約10m、寬度為5m、高度為1m的大型平面鐵籠，如此單個鐵籠重量超過80t，足以抵抗高流速水流的沖刷。要求在小口門左右兩側(cè)計200m范圍大口門段截流堤內(nèi)外側(cè)1.0m高程處均鋪設一道此大型平面鐵籠，鐵籠長度方向沿堤軸線布置。

3.3 特大塊石

深港小口門底檻從－5.0m抬高到－0.5m過程中，最大流速達5.51m／s，如采用普通鐵籠（5m×1.5m×0.8m）進行護底，需集中拋投大量鐵籠，利用鐵籠間的相互嵌合作用，方能抵御如此大的流速，如此必然增加工程投資及施工難度；如采用零星的鐵籠進行護底，則單個鐵籠重量需超過18t，如此重的鐵籠在船拋施工時，鐵籠極易損壞。根據(jù)施工現(xiàn)場存在大量的特大塊石 （單個重量在2～6t）的情況，提出了采用特大塊石來代替一部分普通鐵籠的辦法，經(jīng)分析，大塊石與大塊石或鐵籠間可相互嵌合形成一個整體，可以抵擋超過5m／s的水流沖刷。特大塊石主要采用大型液壓開體船進行拋投施工。

4 堵口實際施工程序

根據(jù)修正后的堵口程序及采用的合龍新工藝，堵口合龍實際施工程序見圖1。施工過程中東堤大口門兩側(cè)于2004年6月8日全斷面填筑到4.0m高程，4座水閘于2005年2月全部通水分流，北堤于2005年1月15日全線貫通擋水。堵口主要過程簡述如下。

4.1 護底階段

深港段采用大型船只拋石，結合吹砂船拋砂，使深港小口門從－12.8m拋填到－7.0m；高灘段采用大型自卸汽車拋石護底到－2.0m高程 （施工時段：2004.6.9～2004.11.11）。

4.2 壓縮口門階段

深港段采用大型船只拋普通塊石、特大塊石及鐵籠，結合吹砂船拋砂，使深港小口門從－7.0m平堵到－3.5m；高灘段壓縮口門，底檻高程抬高到1.5m高程。口門寬度壓縮到600m，小口門主要由特大塊石及普通鐵籠護底，大口門由大型平面鐵籠護底，見圖1中①、②工序 （施工時段：2004.11.12～2005.2.24）。

4.3 堵口攻堅階段

采用汽車為主、船只為輔拋填普通塊石，口門壓縮到小口門寬度450m，小口門底檻從－3.5m抬高到1.5m，變?yōu)閷挸ㄊ娇陂T，見圖1中③工序（施工時段：2005.2.25～2005.4.17）。該階段最艱難時刻為小口門剩余寬度約200m，底檻從－3.0m左右抬高到1.5m過程中，施工時間選擇在月內(nèi)小潮的農(nóng)歷3月9日 （公歷4月17日），集中工地所有運輸設備在一個白天內(nèi)完成。

4.4 堵口閉氣階段

該階段口門剩余寬度450m，底檻高程已抬高至1.5m，由于是小潮期，龍口實際流速已比較小，采用汽車拋石立堵進占及拋填山土閉氣，低灘部位仍采用吹砂船拋填海泥沙閉氣，見圖1中④、⑤工序 （施工時段：2005.4.18～2005.6.10），其中小口門于2005年5月23日順利實現(xiàn)合龍。

5 結語

本大型圍墾工程高難度堵口能迅速順利的合龍，總結采用的綜合技術有：

①應用大型施工機械設備 （如大型液壓開體船等）進行施工；

②采用大型平面鐵籠 （長10m×寬5m×厚1m）和特大塊石 （塊重達2～6t）進行堵口；

③制定合理的堵口程序從而避開不利的水流條件；

④利用有效的分流措施 （如北堤與東堤互相分流、水閘參與分流）；

⑤充分利用有利小潮期 （4、5月份）進行合龍。