沿海潮汐河道截流技術研究與應用

顧永明

（江蘇省水利建設工程有限公司 揚州 225002）

1 引言

河道截流是水利水電工程施工導流項目的主要分部之一，也是工程施工關鍵線路中的控制性項目。因在截流施工過程中存在多種不確定因素和隨機因素，截流施工過程本身存在著很強的風險性。在沿海潮汐河道中實施截流施工，受海水漲落潮的影響，在河道內定時形成正反向水流沖刷河床，因此進行截流施工的難度更大。本文結合新沭河治理三洋港樞紐中泓封堵施工實例，研究了沿海潮汐漲落條件下截流的水力學特性，提出了截流施工優化方案，并對各階段的施工要點作了深入的探討分析。

2 工程概述

2.1 工程簡介

新沭河治理三洋港擋潮閘樞紐是治淮19項骨干工程之一，位于新沭河臨海口，由33孔總凈寬495m的擋潮閘、3孔總凈寬18m的排水閘及上、下游引河擴挖工程組成。工程主體分三期完成，施工安排在每年的非汛期進行，汛期正常行洪，需要導流的時間為每年的10月至次年的5月。根據主體工程布置及現場地形條件，新沭河中泓左岸工程施工期間，在建筑物周圍筑圍堰擋水，利用新沭河中泓導流，在新沭河中泓截流前完成建筑物水下工程施工，且挖通三洋港閘右半幅引河，具備通水條件，至汛前拆除圍堰；右岸公路路基施工期間，在其上、下游筑圍堰截斷新沭河中泓，保護其干地施工，利用已挖通的三洋港閘右半幅引河導流。

2.2 截流河道水流概況

3 截流壩壩址選擇

截流壩壩址選擇考慮的因素：（1）河道兩側地塊開闊、平坦，有足夠的場地堆放填筑料；（2）有已成型施工道路與外界相通；（3）截流時水流的沖刷對建筑物的安全運行影響最小；（4）結合后續施工要求。經綜合考慮、論證，新沭河中泓封堵截流壩壩址選擇布置于樁號為11+990（左岸）～12+123m（右岸）位置。

4 截流壩斷面設計

截流壩斷面結構設計如圖1、圖2所示。采用進占法水中拋填塊石筑成塊石壩，兩岸第一階段塊石壩填筑結束后，即開始在石壩的兩側坡面采用兩布一膜覆蓋，結合兩側填土保護中泓兩側邊坡。截流成功后在截流石壩的下游側填筑成后戧臺以防滲流。截流石壩總長約180m。

5 截流施工

5.1 施工準備

圖1 非龍口段截流壩斷面示意圖

圖2 龍口段截流壩斷面示意圖

測量放樣：按照設計要求確定截流壩的位置，進行現場放樣。

施工便道：在中泓的左、右岸分別修筑至截流壩的施工便道。左岸便道為塊石便道，但由于便道緊鄰排水閘下游護坡，安排載重30t以內的汽車運輸。右側施工便道采用厚度為1.0 m的灰土路基，上鋪50cm厚土夾石，寬度約為8m，能確保重載塊石運輸車輛的暢通、安全運行。

材料準備：直接從礦山供應塊石到填筑點，兩布一膜約12000m2，編織袋5000只，土工格柵8000m2，包括鐵絲等材料施工前組織進場。

塊石備料場：在截流壩左右兩河岸設置塊石儲料場，儲備充足的合龍備用石料。

施工機械準備：800t塊石運輸平倉船2艘（自帶挖掘機），水上交通艇1艘，30～50t汽車24輛，180推土機2臺，20t吊車2輛。

5.2 截流水力學計算

針對該工程實際情況，運用數模計算，假定截流時新建擋潮閘閘門按三種狀態考慮截流方案。方案一：閘門全開導流、分流；方案二：閘門全關；方案三：漲潮時關閉閘門，落潮時開啟閘門。

上邊界：封閉；下邊界：2010年9月28日實測潮型過程線；龍口簡化：寬頂堰，底高程-2.0m，邊坡1∶1.6，頂高程2.5m；導流明渠：底寬300m，上游底高程-2.0m，下游底高程-1.0m，邊坡1∶8。

通過計算，漲潮時關閉閘門并不能擋住潮水，反而使龍口流速大大增加，落潮時打開閘門可使龍口流速大大降低。因此龍口合龍施工時擬采用方案一，即打開所有閘門，盡量降低龍口最大流速。

此工況下，龍口出現的可能最大平均漲潮流速為4.17m/s，可能最大平均落潮流速為3.77m/s，此時龍口寬度為38m。根據經驗，堤頭最大流速為斷面平均流速的1.3倍，即可能達到5.42m/s。

龍口寬度與最大漲落潮流速、水位落差關系見表1。

表1 龍口寬度與最大漲落潮流速、水位落差關系表

5.3 中泓截流封堵塊石料的選用

結合該工程上下游出船通道缺口封堵的施工經歷，根據伊茲巴什公式：

式中：V—塊石的極限抗沖流速，m/s；

Ke—穩定系數，當墊層塊石小于拋填塊石時取0.9；

D—塊石直徑，m；

γm—塊石容重，取2.65t/m3；

γ—水容重，取1.03t/m3；

g—重力加速度，取9.8m/s2。

可計算出各種流速下對應的塊石直徑、重量見表2。

表2 塊石選用分類表

塊石進場時，所進塊石粒徑根據不同施工時段的流速不小于表2所要求的單塊重量（或粒徑），盡量減少沖失量。填筑時盡量將大塊石拋填至邊坡側，粒徑相對較小的拋填于中間。

5.4 截流施工流程

因中泓左側便道臨近排水通道的護坡，為防止塊石運輸車輛通行影響護坡穩定，運輸車輛限載30t；30t以上的重型車輛主要從中泓右側陸路進場。截流壩施工流程見圖3。

截流壩填筑總計需用塊石約77000m3（塊石沖失系數約為1.2），分3個階段施工。

（1）第一階段。需用塊石59800m3，其中陸上約24800m3，水上約35000m3。首先河底坡腳位置平拋，塊石由陸路運至碼頭后，用汽車將塊石轉至800t的平倉船上，運輸船到達指定位置后，用平倉船上的挖掘機拋填至坡腳。坡腳護好后，用同樣的方法拋填中泓河道中間部分，水上拋填平鋪河底至-2.0m，非龍口位置順水流向長約86.4m，龍口位置順水流向長90.6m，總寬度約180m，同時左右兩側從陸路同步拋石防護岸坡。中間段22.4m長位置填至-4.0m。

圖3 截流壩施工流程圖

（2）第二階段。需用塊石約12900m3，其中陸上約7000m3，水上約5900m3。塊石由水上、左岸、右岸三個方向同時拋填。由陸路運輸的塊石，部分從左右兩岸進行立堵，至頂高程2.5m；在高潮位時，部分塊石由水上船拋填龍口兩側的中間段，至頂高程2.5m（龍口位置除外）。拋填至龍口段時，全部拋填大塊石護面，左右兩側第二階段的石壩填筑長度均約為53m。

（3）第三階段（即合龍階段）。需用塊石4300m3。塊石由陸路從左岸、右岸兩個方向同時進行，龍口位置盡量布置在河道中間。

各階段需用塊石量見表3。

因中泓為潮汐河道，為防止漲、落潮水流對拋填堤頭的沖刷，非合龍階段在填筑時大塊石填于壩上、下游迎水側形成防沖磯頭，中小塊石與石渣料填于壩心位置。壩頭拋填視穩定情況，采用汽車直接拋填，或采用壩頭集料，用山推趕料拋填。中間段由平倉船拋填。非合龍段塊石約72700m3，因受道路及場地的限制，可運輸時間按80%計，則非合龍階段的塊石日均填筑（運輸）量約為1560m3。用30t和50t汽車運輸（車輛數約為1∶1），需約60車次，每車運3趟所配車輛滿足要求。

通過計算，龍口寬度在40～30m階段是最危險的階段，最大流速都在4.15m/s左右。根據實測資料，漲潮速度快落潮慢，計劃高潮位時開始龍口封堵，一個漲落潮周期即約13小時內完成龍口封堵。左右兩岸同時進占，龍口封堵總量約4300m3，每側拋填總量約2150m3，每側的拋填強度約為165m3/h，每側安排7輛（2輛備用）30t卡車，每小時每車拋填31m3，即拋填強度約為1車/30min。能夠滿足要求。龍口封堵前在堰頂、備料場儲備約3000m3大塊石，另準備5m3的塊石鐵絲籠400個。

土質后戧臺布置于石壩的下游側，后戧臺土方填筑緊隨土石壩合龍后進行。填土采用進占法，從左右兩側積土區取土，向河道中間推進。土堰頂寬14m，填土坡比約1∶10，

表3 各階段塊石用量表（單位：m3）

為防止龍口一次合龍不成功，龍口段兩側及上下游護底在龍口施工前先采用大塊石護面，以防沖失。

根據工程水文資料，春季施工可能遭遇上游洪水。為此采取以下措施以應對可能的洪水：

（1）塊石壩填筑時，盡量將大塊石拋填至邊坡側，并且上游側的塊石粒徑相對更大些，粒徑相對較小的拋填于中間。

（2）擋潮閘上下游導流寬度盡量挖寬，以盡量增加通過擋潮閘的流量，減少通過中泓的流量，降低流速。

（3）左岸坡頂和坡底打設8～10m長木樁，防止拋石時滑坡而對排水閘帶來安全隱患。拋石前在河底鋪一層強度為120×120kN的土工格柵，以提高塊石壩的穩定，降低下沉量，減少拋石量，盡可能地加快施工進度。

5.5 施工導流

三洋港樞紐主體工程在非汛期施工，中泓截流安排在汛后實施，避免影響汛期行洪。由于種種原因，截流在4～6月份實施，帶來了較大的度汛風險，中泓截流只能一次成功。一旦發生反復，不僅會造成嚴重沖刷現象，更會影響到汛期的行洪安全。

根據進度計劃安排，4月底前截流壩填至 -4.0m，5月10日完成2.0m以下塊石填筑。水力數學模型計算，在現有狀況下擋潮閘閘門一直打開對截流壩施工有利。填筑4.0m以下塊石時的最大流速均小于2.3m/s，填筑4.0～-2.0m時的可能最大流速均達4.02m/s以上，因此填筑-4.0m以上塊石時擋潮閘側應開始導流，以盡量降低流速，減少塊石沖失。

5.6 截流時機的選擇

根據觀測，每個月的農歷初三～初五、十五～十八為高潮位，因此龍口的突擊封堵時間需避開此時間段，需合理選擇龍口封堵時間。

6 結語

中泓封堵時因上下游引河施工進度慢，新建擋潮閘未能開啟分流，只能在老泓道強行封堵。配備塊石運輸船只3艘，龍口兩側各配備挖掘機1臺、推土機1臺、30t運輸汽車20輛4.0～-2.0m之間填筑時時值高潮位，龍口寬度在80～90m，龍口水流流速最大約為4～5m/s，石壩內外側最大水頭差約2～3m。最后合龍時龍口寬度約40m，時值低潮位，龍口的內外水頭差約2m，龍口最大流速約為2～3m/s，龍口位置每天的拋填量約3000t，2天時間合龍，塊石的實際用量約為理論值的1.2～1.3倍。整個填筑工期約40天。

在該工程實踐中，把握住了充分利用潮位、土石方填筑速度迅捷、填料級配合理三個關鍵因素，確保了在沿海潮汐漲落條件下一次性截流合龍，為以后類似工程提供了成功的借鑒案例