絞吸挖泥船吹填工藝在紅樹林灘涂高程改造中的應用

程鵬

（中交廣州水運工程設計研究院有限公司，廣東 廣州 510220）

0 引言

紅樹林是生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶灘涂上的木本植物群落，在維持濱海濕地生產力、生物多樣性、環境及海岸安全等方面發揮著巨大的作用[1]。隨著我國經濟的發展，大面積紅樹林遭受圍填海的破壞[2-3]，水產養殖等人為活動進一步惡化了紅樹林的生長環境，紅樹林及其宜林灘涂保存量迅速減少。2004 年印度洋海嘯事件后，紅樹林的保護與恢復工作越來越受到重視，在十三五期間，“南紅北柳”被當做生態修復和海岸防護的重要內容。2020 年，自然資源部、國家林業和草原局聯合印發了《紅樹林保護修復專項行動計劃（2020—2025 年）》，提出到2025 年，計劃營造紅樹林9 050 hm2。

紅樹林的宜林灘涂高程宜介于平均海平面（或稍上）與回歸潮平均高潮位之間，漲潮時根部被海水淹沒，退潮時灘涂全部出露。實踐證明，在低高程灘涂造林很難獲得成功[4]。目前合適高程的紅樹林宜林灘涂較少[1]，人工營造紅樹林中一項重要任務即為對灘涂高程進行改造。本文以汕尾品清湖藍色海灣項目紅樹林濕地建設為例，對絞吸船吹填淤泥增高灘涂施工方法進行探討，為類似項目的施工提供借鑒。

1 項目概況

本項目的紅樹林濕地位于中國第一大潟湖——汕尾市品清湖東南部海岸潮間帶，通過圍埝后回填淤泥提高灘涂高程，形成總長約800 m、寬約30 m 的人工造林宜林灘涂，回填后灘涂目標高程1.0 m，灘涂凈回填量約3.9 萬m3，種植形成面積約2.4 萬m2紅樹林濕地景觀帶，整個項目施工工期11 個月。圍埝由4 層大砂袋結構組成梯形斷面，頂寬2 m，底寬9 m，頂標高1.5 m，內側坡比1頤2，外側坡比1頤3。頂層砂袋沿軸線方向每30 m 預留排水口作為紅樹周期性浸水排水通道，排水口寬0.5 m，高0.5 m。場地泥面標高-0.5~0.1 m，回填區泥面標高-0.2~0.1 m，場地后方為鋼筋混凝土海堤，海堤頂標高4.7 m。項目平面布置如圖1 所示。

圖1 項目平面布置圖Fig.1 Project layout plan

1.1 自然條件

1）水文

區域潮汐為不正規日潮，海域潮差小，平均潮差在0.73~0.93 m 之間，最大潮差均在3.0 m 以下，屬于弱潮區。高程基準面采用1985 國家高程基準面，設計高水位1.34 m，設計低水位-0.36 m。

2）地質

地表為淤泥，該層在區內廣泛分布，鉆孔揭露層厚0.5耀9.1 m（未揭穿），平均層厚3.85 m；灰色、深灰色，飽和，流塑，含少量有機質，局部混雜少量粉細砂、貝殼，脫水后干強度較高。主要物理力學指標平均值如下：天然重度酌=15.80 kN/m3，天然含水量W=66.6豫，液性指數IL=1.67，孔隙比e=1.8，壓縮模量ES=1.89 MPa，有機質含量平均值為6.9%。

1.2 項目特點

1）水深較淺。紅樹林生長于海岸潮間帶，一般位于水深較淺區。本項目計劃采用小型絞吸船近地取土吹填種植場地。取土區泥面標高-0.5~+0.1 m，低潮時水深不足0.5 m，大潮高潮時水深約2 m，給施工帶來較大困難。

2）灘涂目標高程較低。作為紅樹林種植的基質，灘涂需要周期性浸泡潮水，吹填后目標高程應根據紅樹林適宜生長的灘涂高程確定。一般來說，紅樹林在高潮應淹沒根部，保證樹苗有足夠的水量澆溉，退潮時應露灘，保證根部呼吸。本項目吹填目標高程為1.0 m。

3）吹填土工程性質差，易流失。紅樹林一般生長在海灣河口泥灘鹽漬化沼澤上，適宜生長的土有機質含量較高，土壤顆粒組成較細，該類土一般高含水量，力學性質差，不易形成穩定邊坡。此外，高潮水位高過圍埝頂高程，整個吹填區位于水下，吹填土易流失。

4）取土區距離吹填區較近，應注意圍埝和吹填區整體穩定性。結合本項目場地地質條件，選取水域表層淤泥作為吹填土，取土區位于吹填區圍埝外一定距離。

2 施工準備

2.1 吹填標高與吹填工程量預估

1）吹填標高

吹填高程應按設計使用高程加上完工后由于地基加固和沉降所需的預留高度確定，本項目不涉及地基加固，設計吹填高程主要取決于沉降。將沉降分為2 部分，第1 部分為由于吹填淤泥堆載引起的地基壓縮變形，第2 部分為吹填淤泥本身干縮引起的變形。

吹填淤泥堆載按1.2 m 高土柱的自重計，為22 kPa，荷載較小，引起的地基最終沉降較小。吹填區地基土為飽和淤泥，透水性差，在上部吹填淤泥的堆載作用下，孔隙水壓力難以消散，固結十分緩慢，完全固結沉降所需的時間達幾年甚至更久[5]，因此地基壓縮變形較小且發展緩慢。此外紅樹林成林后，對灘涂具有促淤作用，可彌補后續地基壓縮沉降，因此可以忽略地基壓縮引起的變形。

吹填土本身干縮變形是由于吹填后灘涂晾曬失水引起的，失水只發生在灘涂表層，引起的干縮變形有限，保守起見，取為0.2 m。綜上，吹填高程取1.2 m。

2）吹填工程量

吹填工程量包括吹填容積量、地基下沉量和超填量，并考慮流失率[6]，按式（1）計算：

式中：V 為吹填設計工程量，萬m3；V1為吹填容積量，萬m3，按V1=3.9+2.4伊0.2=4.38 萬m3；駐V1為竣工驗收前原地基沉降量，萬m3，取0；駐V2為超填工程量，萬m3，按完工后吹填平均高程不允許低于設計吹填高程控制[5]，駐V2=2.4 伊0.2=0.48萬m3；P 為吹填土進人吹填區后的流失率，%，取30%。經計算，吹填設計工程量6.94 萬m3。

2.2 施工船舶與工藝選擇

針對項目總吹填量較小、疏浚土開挖容易、疏浚區水深淺等特點，選擇可拼裝小型絞吸船，船舶主要參數見表1。疏浚土為淤泥質土，水力輸送性好，采用“絞吸船挖泥—管路輸送—吹填區”工藝流程。根據以往施工經驗，吹填淤泥時泥泵管路流量Q 約為1 000 m3/h。

表1 施工船舶主要參數Table 1 Main parameters of construction ship

2.3 施工效率測算

1）時間利用率

項目吹填區高潮沒頂，位于水下，為保證吹填淤泥不被潮汐帶走，需趁中低潮作業。漲潮漫過圍埝頂前約1 h 停止吹填作業，保持吹填區的泥漿不被擾動，靜止沉淀一段時間，降低高潮沒頂時吹填區泥漿擴散流失。一個潮汐周期中，可作業時間從高潮退潮至圍埝頂高程以下開始，經歷低潮再漲潮到圍埝頂高程前約1 h 截止，施工只安排白天實施，根據潮汐規律統計，每日平均吹填作業時間約6.5 h，時間利用率S=0.27。

2）生產率與工期計算

泥泵管路吸輸生產率W 主要與土質、泥泵特性和管路特性有關，按泥泵管路流量Q 伊泥漿濃度籽計算，Q=1 000 m3/h，籽取20%，W=200 m3/h，吹填施工工期T 按式（2）計算。

經過計算，吹填工期為54 d，滿足工程進度要求。

3 施工過程

3.1 取土區布置

取土區布置主要在于確定2 個參數，即取土開挖邊線到圍埝的距離和取土底標高，而這2 個參數又相互影響：為了確保吹填區和圍埝的整體穩定性，取土底標高越低，則要求取土邊線到圍埝的距離越大。為了合理確定這2 個參數，圖2給出了一個簡便計算示意圖：1）根據地基土的天然重度、天然含水量、液性指數、孔隙比等，結合工程區域的工程經驗確定取土區的水下挖槽邊坡比[6]，以本項目為例，坡比取1頤10。2）根據船舶挖深、開挖超深和取土區土層條件，合理確定取土底標高。本項目吹填土要求為淤泥，淤泥層底標高-3.6 m，船舶開挖超深按0.4 m，取土底標高-3.2 m，在船舶挖深范圍。3）從吹填區頂標高到取土區底標高，按照挖槽邊坡坡比放坡，再考慮富余距離，即得到開挖邊線到圍埝的距離。

圖2 取土區邊線計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation of the borrow area boundary

3.2 吹填管口與排水口布置

淤泥質土經吹填后極軟，排水緩慢，需要很長的泥漿流程來沉淀，結合項目吹填區長條形的特點，吹填區內部不布置管線，吹填管口沿著圍埝自北向南布置，共布置4 處。1 號管口位于最北端，2 號、3 號管口向南依次間隔210 m，4 號管口位于最南端，從1 號向4 號依次吹填。不專門設置吹填排水口，利用圍埝頂預留的排水口，排水口底標高1.0 m，寬0.5 m，每30 m 一道，排水口兩側預備袋裝土，根據吹填排水需要，封堵或打開排水通道。吹填管口與排水口布置見圖1。

為盡量延長泥漿流程，保證吹填物充分沉淀，減少流失，只利用最南端排水口，其余排水口在吹填期間用袋裝土封堵。排水口按溢流堰計算排水能力[5]，溢流堰寬度b 按式（3）計算：

式中：b 為溢流堰寬度；m1為流量系數，查表保守的取為0.419；籽為吹填泥漿濃度，%，取20%；g為重力加速度；H 為溢流水頭，m，取0.4 m；K為修正系數，根據經驗可取1.3；Q 為進人吹填區的泥泵管路流量，按1 000 m3/h 計算。推算當溢流水頭H 取0.4 m（預留0.1 m 富余），排水溢流堰寬度b 取0.61 m，即只需開2 個0.5 m 寬排水口，即可滿足排水能力要求。1 號~3 號管口距離排水口的距離分別為670 m、430 m、220 m，3 號管口吹填泥漿流程較短，通過降低吹填總流量，以保證泥漿能有效沉淀。

3.3 吹填施工

絞吸船乘高潮移至吹填取土區，靠近1 號吹填管口，船身縱向與圍埝軸線平行，鉸刀頭朝南，拋左前和右前錨，下鋼樁，接通排泥管線，除遠離吹填管口的2 個排水口外，其余全部封堵。絞吸船開工布置圖見圖1。通過試挖，獲得船舶最佳的生產率，并確定優化泥泵轉數、鉸刀前移量、切泥厚度、鉸刀轉數和橫移速度等操作參數。同時，在船舶起始位置挖出一定水深的水域，避免低潮時船舶擱淺，影響施工。

采用橫挖法施工，挖槽寬度15 m，分層厚度1 m，船舶邊開挖邊前移。加強排泥口泥質觀察，若排泥口堆積粗顆粒土或貝類，有“起灘”現象，吹填土質與地質情況不符時，則立即調整挖泥船，避開此類土。圖3 為吹填淤泥施工。

圖3 吹填淤泥施工Fig.3 Construction of reclamation sludge

吹填施工分3 步：1）吹填區沿排水方向立若干水尺，觀察整個吹填區泥面標高變化，當吹填泥面高度達到1.0 m 時，即轉移管線至下一個吹填管口，依次完成1 號~3 號吹填管口作業。2）4號管口吹填采用小流量，反向排水方法施工，即封堵南段的排水口，打開北側若干排水口，逆坡吹填直至整個吹填區泥面達到1.0 m。3）封堵所有排水口，緩慢將整個圍埝區吹填至圍埝頂標高，靜置后排干吹填區水，反復幾次，完工時灘涂面標高達到1.2 m。

3.4 灘涂晾曬

工程實踐表明，吹淤體晾曬0.5 a 可形成10耀30 cm 的硬殼層，晾曬1 a 可形成30耀50 cm 的硬殼層[7]。為保障后續紅樹栽植工序，新吹填形成的灘涂需晾曬固結達到一定強度。由于圍埝頂高程在高潮位以下，晾曬過程中灘涂每日會浸泡數小時。為盡量減少灘涂浸水時長，漲潮階段將排水口封堵，退潮階段打開排水口盡快排干水。

晾曬固結有以下幾個階段：吹填剛結束的灘涂，淤泥呈流動狀態，含水率極大；經過30~40 d的浸水曝曬循環后，灘涂基本成形，表面形成光滑泥皮，無裂縫，豎直插入細竹竿后能保持傾斜姿態；經過50~60 d，灘涂周邊出現裂縫，不成片，深達10 cm，豎直插入細竹竿后能保持豎直姿態，具有一定強度，個別區域具備一定的承載力，借助荊笆可進行紅樹栽植，但新種紅樹易倒伏；經過75~90 d，灘涂具有較大承載力，工人陷入灘涂淤泥深度不超過50~60 cm，可大面積種植紅樹。

4 質量控制要點

1）吹填土質。嚴格按照地質條件和設計要求的回填土質吹填施工[8]，開挖較深地層的硬質土，含砂量高的土雖然更容易吹填成灘，但將導致紅樹林種植存活率大大降低。以本項目為例，淤泥質土基質種植紅樹成活率在90%以上，而硬質土基質的成活率不足50%。

2）灘涂回填平整度。目前針對紅樹林灘涂回填平整度偏差，規范[9]規定，未經機械整平的淤泥類土，高程最大允許偏差為依0.6 m，經過實踐驗證，不完全適用。分析如下：紅樹林的生長，需要退潮時灘涂全部出露，按灘涂高程最大允許偏差依0.6 m 控制，極易形成大大小小的洼地，退潮無法暢通排水，導致紅樹死亡。因此，紅樹林灘涂回填應盡量平整，最大允許偏差依0.15 m 為宜，或者形成面向排水口方向的微坡。

3）排水區灘涂護底。灘涂排水口處水流被束窄，流速大，淤泥質土易被沖刷，形成洼地。在排水口附近鋪設土工布護底，可較好地解決沖刷問題。

5 結語及建議

1）利用水力吹填方法進行紅樹林灘涂高程改造與傳統吹填造地施工相比，具有水深淺、吹填頂標高較低、吹填土力學性質差、易流失等特點。為保證吹填淤泥有效沉淀，減少流失，應合理布置吹填管口與排水口位置，延長排水流程。吹填施工應重點關注吹填土質情況、灘涂回填平整度、灘涂排水區沖刷情況。

2）針對風浪條件較大、大規模的紅樹林灘涂加高吹填施工，建議圍埝內部增加子堰，形成彎曲排水通道，并適當加高圍埝或在圍埝頂加防填土流失的土工布圍欄。

3）合理控制排水口開放，低潮位打開、高潮位封堵，盡量延長淤泥晾曬時間，可以加快吹填淤泥固結，早日達到種植要求。采用適當方法對吹填淤泥的淺表層進行加固處理，可大大縮短施工工期。