河道疏浚吹填施工技術應用分析

朱 啟

(安徽省引江濟淮集團有限公司,安徽 合肥 230000)

0 引 言

疏浚是指發生于江河、湖泊等水域的疏通活動,采用爆破、土石開挖等方法,結合現場港口、河道等特點進行改擴建,實現疏通。吹填是從水下挖砂土,通過排泥管線、泥泵等裝置的共同應用,將開挖產生的砂土傳輸至地面,用于填平指定的地點。[1]在引江濟淮工程東淝河項目中采用疏浚吹填施工技術,高質量完成工程建設,對引江濟淮工程的順利通水通航具有重要意義,同時也有利于當地泄洪、排澇和生態環境的改善。

1 工程概述

東淝河位于安徽省淮南市境內,施工樁號為J77+070～97+505,J141+600～151+008,主要包括河道疏浚29.843km,圍堰填筑、吹填和水土保持等施工內容。設計疏浚邊坡為1∶3,設計寬60m,底高程13.4m,按Ⅱ級航道標準設計,水下疏浚工程量總計約9 689 600m3,設計7個排泥場用于疏浚排泥充填。

2 河道疏浚吹填施工技術

2.1 設備選擇

考慮東淝河沿線分布有城市飲用水取水口和國控斷面,施工期對河道水質不可避免地產生一些影響,結合太湖、巢湖等地疏浚工程實際經驗,絞吸式挖泥船是適合該河道的施工船型。[2]結合土質、排距、排高等因素綜合分析施工生產率,其中設備利用率80%,時間利用率75%,生產效率為500m3/h,日平均工作時間18h,根據絞吸船的理論生產能力計算,月產量可達162 000m3,單艘船舶施工需要59.8個月完工。

2.2 施工準備

絞吸式挖泥船施工前,應先經過全斷面掃測,摸清水下障礙物及障礙物的大體位置,不影響挖泥船施工障礙物直接清除,影響施工的采用液壓抓斗船進行清除。[3]

2.3 施工測量

測量人員根據圖紙進行測量放線,高程精度滿足五等水準測量的精度,平面位置偏差滿足設計要求。挖槽位置有明顯標志顯示,縱向標志設在挖槽中心線和設計上開口邊線上,槽向標志設在挖槽起點及施工分界線及彎道處。平直河段每隔50～100m設立一組橫向標志,彎道處應適當加密。在施工作業區內必須設置水尺,水尺設置在便于觀測、水流平穩、波浪影響最小和不易被船艇碰撞的地方。[4]

2.4 排泥管線布設

排泥管線由水上管、陸地管組成。遵循“近土遠揚,遠土近棄”的原則,避免出現遠挖遠吹現象,排泥管線與挖泥船泥泵功率相匹配,以保證吹填揚程。

2.4.1 水上管線

水上排泥管線采用一節膠管連接一節排泥標準鋼管方式組裝,每節標準鋼管安裝鋼質浮體上。水上浮筒在臨時碼頭進行組裝,在水上管線與水下管線連接處的兩套浮體的排泥管上安裝排氣閥,避免施工船啟動開車時,水下管線突然浮起,影響輔助船只的航行安全。

2.4.2 陸地管線

采用標準排泥鋼管之間硬連接的方式組裝,陸地主線每200m增加1個排泥膠管,以便增加其伸縮性。排泥管口搭支架支撐,梗內陸地管架設因為剛剛吹填的疏浚土,地基濕軟,需要搭支架支撐。

2.4.3 出口布置

排泥管出口的布置以遠離出水口為原則,這樣退水時的流徑得到延長,水中的泥漿會加速沉淀、從而會減少泥漿流失量,保證退水水質合格。考慮到水流沖刷圍堰,采用木樁打管架的方式將出口垂直圍堰布設,管口高度高出設計高度0.5m,吹填管口與圍堤及隔埂的距離不小于5m,以保證圍堤和隔埂穩定及安全,且不得損壞圍堤與隔埂結構。采用長度為3m左右的木杠打到地基的持力層,上部擋方木,下部綁扎橫杠,每1.5m一個斷面。

2.5 挖泥作業

挖泥船挖較硬的黏性土時,其一次切削厚度應通過試驗確定。絞吸式挖泥船施工參數見表1。

表1 施工參數

2.5.1 開挖方式

東淝河疏浚采取了新工藝進行水下疏浚,挖泥船采用縱向分條的方法,使得條與條之間留有5m重疊區,根據設計圖紙,在CAD上設計模型,施工船舶配備了先進的南方測繪自由行水上施工設備(GPS定位系統),設備精度誤差在0～10cm,并將施工圖導入GPS定位系統,可以有效觀測施工船舶的分條區域施工狀況,確保施工質量。

2.5.2 邊坡開挖

計疏浚邊坡為1∶3,根據施工規范,采取下超上欠的多級階梯梯形開挖法,自然塌落形成邊坡方式。分層階梯形開挖,根據設計邊坡及泥層厚度合理分層,使邊坡施工質量最大限度地滿足設計要求,疏浚超寬每邊控制在0.5m。[5]當疏浚區域泥層較厚時,按下列規定分層施工,分層挖泥的厚度應根據土質和挖泥船斗輪頭的性能取斗輪頭直徑的 0.5～2.5倍,對堅硬土取較低值,對松軟土取較高值;分層的上層較厚(按0.8～1.5m控制),以保證挖泥船的效率,最后一層應較薄(按0.5～1.0m控制),以保證工程質量;當浚前泥面在水面以上,或水深小于挖泥船的吃水時,最上層開挖深度應滿足挖泥船吃水和最小挖深的要求。[6]

2.5.3 挖深

在施工區域內,絞吸船采用“上層取平,中層取量,下層保質”的挖泥方法。在上層挖平的基礎上,中層可以加大挖掘力度,提高主機、絞刀的轉速以及橫移的速度,或加大進尺,或加大挖厚,讓挖泥船在最大功率下工作并保持最佳工效狀態。在挖掘底層時,可以采用正反刀挖掘法和一刀挖掘法,并確保質量層平整。此外在開挖過程中考慮回淤問題,將開挖超深控制在0.3m,以保證開挖達到設計要求。

2.5.4 巖脈的開挖

部分河段存在巖脈,會導致絞吸式挖泥船工作效率明顯降低。此時要采取水下爆破的措施,采用炸礁船水下鉆孔爆破方法。炸礁船進行定位后,利用船上鉆機鉆孔,一次性鉆孔至設計要求高程,然后裝藥起爆。爆破完成后采用水上長臂挖掘機清渣,用裝駁船運至岸邊臨時碼頭后,再用挖掘機轉裝自卸汽車運至排泥區,埋至排泥區下部。

2.6 吹填作業

2.6.1 圍堰施工

首先對排泥場表土進行剝離并集中堆放,表土剝離厚度為0.3～0.5m,然后利用現有的塘埂由外向內逐區填筑,根據排泥工程量,考慮風浪影響、沉淀富余水深和安全超高等,最終確定填筑高度為4m。根據排滲、退水需要,在圍堰外圍設置排水溝,在排泥場區周邊,平行于圍堰外邊線2m處開挖截水(滲)溝排水溝貫通于圍堰外圍,底寬1m,高1.5m,邊坡比為1∶1。

2.6.2 格埂施工及優化

在適當位置設置格埂,使水流呈S形環流,以減少泥漿的流失。隔埂最終填筑高程為4.0m,邊坡按1∶1.5控制。

圖1 排泥場格埂工藝優化

2.6.3 退水口布置

退水口的位置以盡可能延長泥漿沉淀路徑為原則,同時兼顧與退水口外現有水系溝通,使泥漿在排泥區可以沉淀,減少退水口中尾水的含泥量。退水口的退水系統是由退水口的溢流井、排水管涵、出口消能段三部分組成,如圖2所示。

圖2 退水口結構示意圖

2.6.4 吹填施工

在吹填前,將吹填區內的障礙物清除出吹填區。每級放水和沉淀間隔時間至少為6～12h。若吹泥出口遠離退水口時,可采用邊吹邊放水的方法,來提高吹填施工效率。此外,加強出泥口含泥量控制,避免泥沙淤積,通過移管來保持吹填土的均勻性,吹填施工如圖3所示。

圖3 吹填施工

2.7 疏浚土處理

疏浚土處理是疏浚工程的重點和難點,引江濟淮工程中所有排泥區都是租用的臨時耕地,在疏浚結束后要快速對疏浚土進行固化,進行復墾移交。排泥場自然晾曬需要2～3年,時間成本太高,且下臥層承載力難以提高。而傳統的堆載預壓、土工管袋及真空預壓固化等處理方法存在成本高、技術復雜、易對周圍環境產生二次污染等缺點,此外不能處理疏浚底泥中可能存在的重金屬、有機物,不利于排泥場復墾農用。

2.7.1 工程處理措施

排泥區表層覆水工程排水預處理措施,分2個階段實施。第1階段為靜置,關閉排泥區的泄水口,減小排泥區內的水流速度,使懸浮物充分沉淀。第2階段為初期物理排水,在排泥區覆水較為集中區域的圍堰上,每隔30～50m開挖排水溝,排水溝底部鋪設水稻秸稈,用于吸附水中的懸浮物,結果表明SS的去除率在41.1%～56.9%,平均去除率為52.5%。

2.7.2 植物處理措施

通過在新近吹填的淺表層疏浚土種植皇竹草和高丹草,同時結合工程排水措施,能夠在一定程度上促進淺表層疏浚土的脫水固化,種植5個月后,承載力最高達到90.7kPa。[7]皇竹草還能吸附土壤中重金屬[8],該措施經濟、生態、環保,適合在排泥場快速固化中推廣使用。生態固化后的排泥場如圖4所示。

圖4 生態固化后的排泥場

2.7.3 輔助固化措施

植物生長期結束后,人工收割高丹草并將秸稈均勻地平鋪在排泥區表面。對于1m深度承載力未達到40kPa的區域,采用水上挖掘機,由排泥區邊緣向內部逐步對疏浚土進行翻曬,同時將收割的秸稈與疏浚土一同攪拌翻曬,翻曬厚度為1m,直至表面形成50cm厚度的硬殼層,判斷標準為表層50cm土壤平均含水率低于40%。按照上述方案逐步向納泥區中心區域推進,直至納泥區所有區域均形成50cm左右厚度硬殼層。

對于表面已形成50cm厚度硬殼層的區域,將堆土區的原狀剝離表土回填至排泥區表面,回填厚度為50cm,并利用推土機攤平和壓實。高丹草的種植具有一定的季節性,安徽地區的最佳種植期為4—6月,種植過晚會導致種子萌發率下降或生長期過短,致使植物生長發育不理想,直接影響排泥區的固化和改良效果。因此,必須根據項目排泥區吹填計劃,科學安排生態固化和改良技術的實施。排泥場固化施工工藝流程如圖5所示。

圖5 排泥場固化施工工藝流程圖

3 河道疏浚吹填質量控制措施

3.1 疏浚質量控制

絞吸式挖泥船安裝了南方測繪自由行施工軟件,結合設計和施工要求,分片、分區、分段、分層有序開展施工。為了避免形成欠挖土埂,條與條之間一般不少于5m的重疊區,在施工范圍內設立固定水尺,隨時掌握水情變化,在進行邊坡開挖時,必須按照設計要求進行放坡,此外還要注意超挖、欠挖。

3.2 吹填質量控制

根據管頭泥面堆積情況,經常改變或移動管頭方向和位置,防止泥漿堆積,促進泥漿整體流動,對排泥區原地面局部高差較大的地方,排泥管管頭先布置在深坑,待泥面高出原地貌一定高度后再調整到合適位置。排泥區泥面水位高度由退水口擋板高度決定,圍堰前期泥面尚未高出原地面,清水排出,一般泄水口擋板盡量降低,以促進底層泥面流動和泥面密實,有利于拋泥區圍堰底部安全。泥面高出原地面時盡量保持清水流出,但排泥場內水深應控制在0.3～0.5m,一方面保證圍堰安全,另一方面保持拋泥區泥面的流動。

如果圍堰面積較小,施工進度快,為保證圍堰安全,控制吹填平整度,可采用相鄰兩個圍堰交替吹填,結合挖泥船管線布置,一個圍堰吹填一部分,再吹填另外一個圍堰,吹填結束后及時排水,有利于泥面高差控制和固結。

3.3 含泥量控制

通過控制退水口高程,實現退水流速的調節。當排泥場水位標高逐步增加,根據退水含泥濃度及時調整擋板的高度,確保吹填施工過程中該裝置均高出吹填泥面0.1～0.2m,以此增加排泥場泥漿的沉淀時間。

3.4 生態固化質量控制

降雨發生后,排泥區物理排水系統需要在24h內排干降雨產生的積水,以防止水淹造成高丹草死苗,如排水不暢則應對排水溝適當加深、加寬。須在專業廠家采購高丹草草籽,種植前應開展室內萌發試驗,發芽率不得低于85%。安徽地區的高丹草種植時間為4—6月,夜間最低溫度不低于15 ℃。

在種植時,排泥區表層5cm土壤含水率不得高于70%,并盡量避免在連續高溫天氣播種。播種15天如發芽率低于65%,要及時補種。高丹草葉片數為11～12片后,利用無人機施撒尿素,尿素總氮的質量分數不得低于46%,施肥量為15kg/畝。

4 結束語

東淝河疏浚施工采用了環保絞吸式挖泥船,在施工過程中對水體擾動較小,污染擴散范圍小,適合在環保要求高、水質要求高的內河疏浚中使用,施工過程中優化了施工工藝,有效提高了疏浚吹填質量。疏浚土處理中采用了“自然沉淀+周邊排水+速生植物吸水和根系加筋”的疏浚土排泥區生態固化和改良技術,與自然晾曬風干相比,該技術可以顯著促進疏浚土的脫水固化,創造顯著的經濟和生態價值。

綜上所述,河道疏浚吹填是一項工程量非常大、施工較為復雜的施工過程,在河道疏浚吹填施工中,應在充分了解施工區域河道內的地勘資料、工期要求、環境特點、通航要求等前提上選取合適的施工機具和方法,并合理規劃施工方案,確保各項保障措施落實,以保證疏浚吹填施工效果。