數模法指導多港池充砂袋工藝龍口合龍

王宇光+柳軍生

摘 要：本文結合臨港經濟區三期14區圍堤及部分吹填工程的實際情況，針對港池中各龍口的合龍條件和時間的選擇，龍口的寬度及合龍順序制定最優的施工部署及優化措施，為類似工程提供借鑒和經驗。

關鍵詞：水流物理模型 深水充砂袋工藝 多港池龍口合攏

工程概況

臨港經濟區三期14區圍堤及部分吹填工程圍隔堤頂標高設計為+6.0m，圍合總面積約8km2 ，施工區原泥面標高為-2.1m～-3.3m。堤身主要采用充砂袋結構，共分三個圍合小區，進行多個龍口合攏。

圖1 總平面布置圖

常規施工工藝弊端及各龍口施工工況分析

充砂袋施工工藝具有就地取材、施工速度快、對軟基適應能力較好、施工工藝簡單、造價低等優點，在圍海造陸工程應用廣泛。然而對于深水作業區域的充砂袋圍堤工程及其龍口施工，由于受潮流影響較大、施工作業周期性較長等特點，施工難度較大，常規設計中龍口常采用拋石方法合攏，但主要存在如下弊端：①施工條件惡劣，受潮流影響大，拋石合攏法材料損失量大，利用率低，施工危險系數高。②天津港地區淤泥質地基基礎上拋石底層基礎要求較高，基礎工程量大，拋石成本高。③龍口段若采用拋石結構必然存在透水性大的特點，對圍堤整體穩定性不利。

結合以上問題，通過深入分析深水海域充砂袋施工的特點，對龍口施工方案進行了創新性的優化，即為充分利用充砂袋工藝進行龍口合攏，首次通過應用水流物理模型試驗測試不同充填砂袋的臨界穩定流速，通過二維潮流數學模型和水力學計算分析不同工況情況下合攏口的流速大小過程，在給定充填砂袋規格基礎上，優化合攏口位置與大小，并推薦最佳合攏時機。在此基礎上采用等同于圍堤常規部位充填袋的方式進行龍口合攏，一方面極大的降低龍口合攏成本，另一方面也保證了龍口合攏的成功率。

分析該工程的工況可以發現，該工程漲落潮過水量較大、水流速度快，合龍施工難度較大。為此，在最外側大龍口合龍前，我們需對各龍口合龍進行合理部署安排，合理安排施工進度，制定最優的施工部署及優化措施，保證龍口順利合龍。

因為有渤西管線兩條輸油、輸氣管線穿越EF段龍口， EF段龍口需待BC段及GH段龍口合龍后進行。

IF段圍堤主體采用磚渣土施工，預留龍口長度70米，東二區圍合面積1.8平方公里，潮汐流通水量可達近200m3/s，為減小龍口合龍壓力，可以等待BC段龍口寬度縮小至一定程度，港池內潮差變小后進行最后合龍。

BC段圍堤主體為充填砂袋，龍口段充分考慮本工程施工區域的地理位置及潮位變化，根據水力計算結果先采用充砂袋立堵，將500m寬龍口縮窄至300m，然后采用拋石平堵方案，直至高潮位不過水。而在該龍口合龍前，先將IF段龍口合龍，減小圍區面積，可大大減輕該龍口合龍壓力。

龍口水力計算

堵口水力計算的內容是擬定龍口尺寸和計算龍口水力要素，一般采用水量平衡法和寬頂堰流的水力計算公式相結合得到。

寬頂堰流的水力計算分自由出流和淹沒出流， 在計算大潮條件下，計算龍口不同寬度和底高程時的龍口最大單寬流量，龍口最大落差和龍口最大流速。

計算龍口寬度：100m、200m、300m、400m、500m。

計算龍口底高程：-2.5m、-1.8m、-1.1m、-0.4m、+0.3m、+1.0m、+1.7m、+2.4m、+3.1m。

典型龍口尺度條件下的潮位過程線、圍區內水位過程線及龍口流速過程線見圖2。

流速是堵口過程中最重要的控制因素，不同寬度龍口流速變化規律為：當口門寬度不變而抬高底檻高程（平堵）時，無論進流與出流，最大流速開始逐漸增大，到某一高程（口門越窄，此高程越低）時達到最大值，然后隨底檻（龍口堤頂）高程的抬高，最大流速逐漸減少，直至堤頂高出水面時變為零。當底檻高程不變而壓縮口門寬度（即立堵）時，則最大流速逐漸增大，隨著龍口底高程的抬高，龍口最大流速增幅逐漸減小，當龍口底高程在+1.0m以上時，最大流速隨著龍口寬度的縮窄，變幅已較小。

圖2 典型龍口尺度條件下潮位、圍區水位及龍口流速過程線

利用充填砂袋進行平堵2層至-1.1m高程時，龍口寬度為400m時，龍口最大流速為2.06m/s，略小于砂袋的臨界穩定流速2.50m/s，龍口寬度不應小于400m。

利用充填砂袋進行平堵3層至-0.4m高程時，龍口寬度為500m時，龍口最大流速為2.37m/s，略小于砂袋的臨界穩定流速2.40m/s，龍口寬度不應小于500m。因此為安全起見，采用砂袋至-1.1m高程，即平堵2層，龍口寬度取500m。

根據《灘涂治理工程技術規范》（SL389-2008）8.6.1條，“…選擇龍口尺寸的控制流速可取2m/s～4m/s。當施工條件允許時，也可適當提高控制流速”。

該工程以4.0m/s為控制流速，砂袋平堵至-1.1m高程后，繼續采用拋石平堵即可滿足要求，龍口最大流速為3.87m/s。

拋石塊體重量和粒徑的計算可按伊茲巴斯公式進行，計算得到堵口方案中需使用塊石的最大粒徑和最大重量分別為0.69m和140.9kg。

龍口合龍施工進度安排

合龍時機應盡可能選擇在潮差小的時段進行。根據本工程施工進度安排及2012年各月份潮位預報結果，選于在2012年10月7日～10月12日間的小潮為開始合龍的時間最佳。

10月7日前，確保BC段龍口完成充砂袋立堵將龍口縮小至300米，完成剩余段一級棱體護底壓護及外側平臺拋石截流，GH段龍口磚渣及建筑混凝土廢料推進縮小至30米。

GH段龍口待BC段外圍堤龍口施工拋石截流完成后，低潮位兩側采用建筑混凝土廢料推進合龍。

施工過程控制及優化措施

1、 斷面優化

主要考慮如下因素：①堵口期施工與堤身穩定；②與常規段堤身的銜接與平滑過渡；③堤身充砂袋定位及拋石平臺寬度與標高。

一級棱體內外側按1：5控制，拋石平臺標高定于+0.0米附近，頂部二級棱體坡度外側1：3，內側1：2，主堤外側平臺增加拋石截流擋壩，標高+6.0米以上。

2、施工優化措施

底部砂被采用200g/m2編織土工布，并壓上軟體排，軟體排采用600g/m2的長絲機織布制作，提高整體強度 ；當龍口束窄至100m內時，此時流速相當大，堤心袋體采用400g/m2的高強長絲機織土工布，以增強土工材料的強度，提高其抗沖刷的能力。現場施工圖見圖3。

圖3 龍口軟體排及長絲機織布充填袋

最大程度減小龍口過流流量，降低過流流速，提高充砂袋的充灌成型率。

施工監測

監測工作在施工期間有著極其重要的意義，特別是龍口段施工由于集中加荷速率較快，過程檢測更是尤為重要。

施工監測的主要內容包括：①地表沉降監測。②土體深層側向位移監測。③孔隙水壓力監測。④結構位移監測。

沉降、土體側向位移控制標準：①沉降速率：<20mm/d；②深層土體側向位移速率：<4mm/d③結構位移速率：〈6mm/d

監測頻率：龍口合攏施工期間，每日至少觀測一次，如果發現異常情況，應加大觀測頻率。

結束語

通過對該工程工況分析，對龍口水利特性計算，合理安排施工，并對施工工藝進行優化，臨港經濟區三期14區圍堤及部分吹填工程龍口順利合龍，實踐證明通過以上施工部署及優化，有效保證了龍口合龍一次成功，同時也有效節約了施工成本，經濟效益和社會效益顯著，推廣應用前景廣闊。

（作者單位：中交天航港灣建設工程有限公司）