顧寬海，陳明陽，黃勁松，孫平鋒，張蕊（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上?！?00032）

海南龍沐灣人工海水運河設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

顧寬海，陳明陽，黃勁松，孫平鋒，張蕊
（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032）

依托海南龍沐灣人工海水運河工程實例，針對運河功能要求高、平面形態(tài)復(fù)雜、海水水質(zhì)差、生態(tài)環(huán)境保護難等工程特點，通過對平面布置、水體交換設(shè)計、海水入侵防治設(shè)計、取水工藝和海水凈化工藝設(shè)計、閘門選型等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，提出了水體交換周期及相應(yīng)的取排水量、護岸結(jié)構(gòu)的防滲與疏通相結(jié)合的方式和超大型海水凈化池工藝等設(shè)計對策，達到了度假區(qū)自然景觀環(huán)境和諧優(yōu)美的目的。

人工海水運河；城市景觀；水體交換；海水入侵；超大型海水凈化池

隨著國民經(jīng)濟及旅游業(yè)的迅猛發(fā)展，人們對宜居城市和休閑度假的要求不斷提高，將人工海水運河工程作為城市景觀建設(shè)的理念已經(jīng)開始引入到當(dāng)今城市水利、市政項目當(dāng)中，工程不僅要具有傳統(tǒng)的防洪、排澇及通航等功能，更要與城市的發(fā)展水平和城市景觀建設(shè)相適應(yīng)，旨在提升景觀魅力和區(qū)塊旅游等價值，這不僅是一個全新設(shè)計理念，而且豐富了運河的內(nèi)涵。目前國內(nèi)外的研究大多數(shù)著眼運河水體流動方向和海水入侵的因素[1-3]；而針對水質(zhì)差的海水如何用作高標(biāo)準(zhǔn)的景觀水體，并保持生態(tài)和諧及水資源的循環(huán)利用方面的研究較少。總體上來說，對于人工海水運河的研究存在局限，給設(shè)計人員帶來了極大技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合海南龍沐灣人工海水運河工程的設(shè)計方案，針對平面復(fù)雜、功能要求高、海水水質(zhì)差、生態(tài)環(huán)境保護難等工程特點，以及設(shè)計中許多技術(shù)問題無規(guī)范和經(jīng)驗參考的情況，通過對平面布置、水體交換設(shè)計、海水入侵防治設(shè)計、取水工藝和海水凈化工藝設(shè)計、閘門選型等關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究，提出了相應(yīng)的設(shè)計對策，確保了人工海水運河的有效運行，實現(xiàn)了度假區(qū)自然景觀環(huán)境的和諧優(yōu)美和區(qū)塊旅游價值，可為今后類似工程設(shè)計提供借鑒和參考。本文重點介紹海南龍沐灣人工海水運河設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。

1　工程特點及技術(shù)難點

1.1工程特點

1）功能要求高

業(yè)主要求通過人工海水運河將整個龍沐灣國際旅游度假區(qū)內(nèi)10座左右五星級和超五星級酒店、一二類住宅、商業(yè)配套設(shè)施、高爾夫球場、會所等串聯(lián)起來，使得整條運河集景觀、船運、防洪排澇等功能于一身，達到提升度假區(qū)內(nèi)景觀魅力和區(qū)塊旅游等價值的目的。

2）平面布置內(nèi)容多、形態(tài)復(fù)雜

海水運河蜿蜒穿梭于各建筑物間，總長度約6 734 m，水域面積約184 100 m2，容量約367 500 m3，總體布置要求設(shè)置1處主排放設(shè)施、1處側(cè)排放設(shè)施和1處取水設(shè)施，以及5座游艇巴士停靠站和1處游艇維修場地，運河的某些局部平面轉(zhuǎn)彎角達90°[4]。平面位置布置見圖1。

圖1　海水運河平面布置圖Fig.1　General layout of seawater canal

3）海水水質(zhì)差

通過對龍沐灣海水水質(zhì)調(diào)查，其海水懸浮物（SS）均值約30 mg/L，最大值約90 mg/L，作為海水運河的交換水和補充水，水質(zhì)差，達不到觀賞性景觀環(huán)境用水要求。

4）淺層地質(zhì)水文條件差，生態(tài)環(huán)境保護難

根據(jù)本工程地質(zhì)報告，整條運河區(qū)域的地質(zhì)從上到下分別為，第①層礫砂，第①1層粉質(zhì)黏土，第②層粉質(zhì)黏土等。其中第①層礫砂為強透水層，滲透系數(shù)為8.55×10-2cm/s，層底標(biāo)高位于運河底3～8 m間，接下為弱透水的第①1層粉質(zhì)黏土層，滲透系數(shù)為5.0×10-5cm/s，淺層的礫砂層易造成海水入侵地下水，造成整個度假區(qū)的生態(tài)環(huán)境破壞。

1.2技術(shù)難點

根據(jù)本工程的功能定位、平面形態(tài)、自然環(huán)境條件等特點，以及許多技術(shù)問題無規(guī)范和經(jīng)驗參考的情況，在設(shè)計過程中存在以下技術(shù)難點：

1）運河總體布置與度假區(qū)的總體布置關(guān)系；

2）如何進行有效的水體交換，確保運河水質(zhì)達到要求；

3）水工結(jié)構(gòu)設(shè)計與環(huán)境協(xié)調(diào)性；

4）如何對大體積海水進行有效的凈化且環(huán)保、節(jié)能。

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1運河總體布置設(shè)計

本運河處于度假區(qū)中，用地長達2.5 km；縱深達750 m；建設(shè)內(nèi)容多，多達10座左右的五星級和超五星級酒店、一二類住宅、商業(yè)配套設(shè)施、高爾夫球場、會所等建筑物，如何布置運河的平面線形和取水、排水設(shè)施及與周邊建筑物的協(xié)調(diào)是工程最為關(guān)鍵的技術(shù)問題，它直接關(guān)系到運河能否有效運行和達到提升度假區(qū)內(nèi)景觀魅力、區(qū)塊價值的問題。

總體布置時，在遵循規(guī)劃和滿足運河基本功能的原則下，重點考慮運河與環(huán)境協(xié)調(diào)美觀的原則，平面布置主要內(nèi)容如下：

1）在一期與二期的交界處設(shè)置1座直徑225 m的海水凈化池，同時作為景觀湖，四周布置運河接口，并考慮為二期預(yù)留。

2）在海水凈化池西側(cè)設(shè)置了取水設(shè)施，主要包括取水口頭部、取水管及取水泵房。為保證全天取水，同時考慮淤積情況，取水頭布置在泥面標(biāo)高-3.8 m等深線附近，距離海堤軸線約140 m，并在取水頭的周圍設(shè)防撞警示標(biāo)（燈樁）3座。

3）為滿足運河雨水的排放，北端設(shè)置一處主排放設(shè)施、一處側(cè)排放設(shè)施。

4）為增強運河的景觀，在運河中部設(shè)置了1條具有水上威尼斯風(fēng)情的水街；在運河沿岸共布置了6處游艇碼頭，同時在運河中設(shè)人工小島或種植紅樹林區(qū)等，充分體現(xiàn)自然、和諧。

根據(jù)上述的布置，總體上形成長度約6 734 m，平均寬度約18.4 m（最小寬度15 m），水深為2 m，集取水、防洪排澇、航運、景觀于一體的一條人工海水運河，取得了設(shè)計總體效果，具體布置見圖1。

2.2人工海水運河內(nèi)水體交換

海水運河水循環(huán)設(shè)計的關(guān)鍵點在于滿足度假區(qū)內(nèi)排澇標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，形成一個系統(tǒng)的取排水體系，以促進運河水體的流動，防止運河水質(zhì)的惡化影響到景觀效果。景觀水體從新鮮水體到水質(zhì)變差有自身的生命周期，一般3～5 d水體中的生物會減少；10 d內(nèi)水體一般不會發(fā)生水華；14 d是水體發(fā)生富營養(yǎng)化的大概時間，因此海水運河換水周期確定為：1）在運河水質(zhì)不發(fā)生異常的平常時段，按14 d周期進行運河水體置換；2）在運河水質(zhì)因降雨或其他情況發(fā)生異常時，按4 d將運河水體置換。

根據(jù)本運河景觀設(shè)計要求及度假區(qū)內(nèi)的設(shè)施安全等因素確定運河正常水位為+1.0 m±0.1 m （1985國家高程基準(zhǔn)，下同）。在運河的水質(zhì)突然被污染需迅速進行水交換或汛期來臨前預(yù)留防汛庫容時，可將水位降到最低控制水位+0.5 m。運河最高防洪水位控制在+2.0 m。利用運河與外海的水位差以及必要的工程措施實現(xiàn)引水換水。

根據(jù)運河總體布置、庫容、水體的蒸發(fā)量、潮位資料以及取排水設(shè)施等信息資料，建立模型進行數(shù)值模擬計算，確定滿足設(shè)計要求的方案：

1）在運河水質(zhì)正常時，可利用運河常水位與龍沐灣潮位間的水位差進行自然取水及排水。

2）當(dāng)小潮期，單純利用自然取水不能滿足14 d 1次運河水體交換要求時，利用水泵進行輔助性取水，取水時間約243 h，計算得到平常時水泵取水量約0.5 m3/s。

3）在運河發(fā)生水質(zhì)異常時，利用水泵取水滿足4 d 1次水體交換的要求，取水時間約62 h，計算得到異常時水泵取水量為1.873 m3/s。

計算模型同時確定了相應(yīng)不同交換周期的排放量。

2.3海水入侵防治設(shè)計

由于海水運河引入的是海水，若采用常規(guī)擋土護岸結(jié)構(gòu)，沒有防滲措施，海水必將入浸陸域，導(dǎo)致環(huán)境的破壞；防滲措施還應(yīng)防止破壞自然地下水體交換，造成環(huán)境惡化。

1）護岸防滲結(jié)構(gòu)選型

針對淺層有強透水層、下有弱透水層的地質(zhì)情況，分別選用了適合本工程的垂直防滲止水護岸方案（方案一）和水平防滲止水護岸方案（方案二），方案一是在L形擋墻底板下設(shè)攪拌樁止水墻[5]截斷強透水層；方案二采用在河底設(shè)置水平防滲膜的方式，具體見圖2、圖3。

圖2　垂直防滲止水護岸方案Fig.2　Revetment structure of vertical water-stopping for seepage prevention

圖3　水平防滲止水護岸方案Fig.3　Revetment structure of horizontal water-stopping for seepage prevention

從經(jīng)濟性看，方案二稍優(yōu)于方案一，但方案一施工方便、速度快、質(zhì)量易保證，方案二由于施工工作面大，防滲膜鋪設(shè)質(zhì)量不易保證，速度較慢，經(jīng)過綜合比較，本工程采用方案一。

2）地下對流段護岸結(jié)構(gòu)選型

整條運河若采用垂直防滲體系，將隔斷運河兩側(cè)的地下水，破壞地下水環(huán)境。設(shè)計采用數(shù)值模擬手段，通過對完全隔斷地下水和部分隔斷展開試驗對比，并重點對部分隔斷進行研究，最終確定每隔200 m左右設(shè)1處約50 m長的地下水對流段，確保地下水貫通，融通處擋墻結(jié)構(gòu)采用“U”形重力式護岸斷面，底板下設(shè)1 m厚的透水層基礎(chǔ)，剖面圖見圖4。

同時，為適應(yīng)運河景觀的需要，特別是為模擬紅樹林的種植環(huán)境，專門設(shè)計了雙“U”形護岸斷面，具體剖面圖見圖5。

圖4　地下對流段U形護岸剖面圖Fig.4　Profile of U-form revetment for groundwater convection

圖5　紅樹林種植段護岸剖面圖Fig.5　Profile of U-form revetment for mangrove

2.4取水工藝和海水凈化工藝設(shè)計

為實現(xiàn)海水運河優(yōu)質(zhì)的景觀水要求，選擇合適的海水凈化工藝、取水工藝是關(guān)鍵，同時要兼顧經(jīng)濟效應(yīng)、美觀大方。

1）取水工藝設(shè)計

水泵+自然取水方案是考慮利用龍沐灣與運河的水位高差取水，通過數(shù)值模擬，46%運轉(zhuǎn)時間為自然取水，54%為水泵取水。該方案建設(shè)投資大，但在運行期間，利用潮汐水位差取水可以有效節(jié)能，減小運行費用。

全水泵取水方案是考慮只利用水泵定量取水，可以減小取水管道系統(tǒng)建設(shè)投資，但是運行期間取水量大，能耗高，運行費用高。

經(jīng)綜合比較，水泵+自然取水方案作為設(shè)計推薦方案。

2）海水凈化工藝設(shè)計

海水運河通常要求14 d進行1次水體交換，且由于取水海域的海水懸浮物（SS）監(jiān)測均值約30 mg/L，為了滿足GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅱ類水質(zhì)要求，必須對取水進行凈化。

若采用常規(guī)凈化池工藝，難以滿足如此大容量水體交換要求。為此，提出超大型海水凈化池凈化工藝，即設(shè)置1座直徑215 m圓形海水凈化池，凈化泵房取水中泥沙等懸浮物，同時周邊可供游艇通行、兼具景觀作用。

目前凈化工藝主要有自然沉淀、混凝沉淀、澄清和過濾等?；炷恋砗统吻骞に嚲柙谠刑砑铀巹?，而過濾則需要過濾介質(zhì)。本工程取水量大，加藥或過濾處理原水運行費用高、產(chǎn)生污泥量大不易處理，所以選擇自然沉淀作為本工程處理工藝。

凈化池采用中心進水輻流式沉淀池自然沉淀的處理工藝，減少了凈化池內(nèi)設(shè)備布置、避免通航障礙；海水由送水管送到凈化池中心，沿徑向以逐漸變小的速度流向池子周邊，在池內(nèi)完成沉淀凈化過程后，從池子周邊與運河水系連接段進入運河，作為運河補充水或交換水。設(shè)計的大池徑較傳統(tǒng)的輻流沉淀池增加了原水的停留時間，能有效地將龍沐灣抽取的海水中的泥沙自然沉淀去除。

海水凈化池的排泥也是本工藝重要部分。國內(nèi)大型圓形輻流式沉淀池排泥一般采用刮泥機，但刮泥機最大直徑只能做到80 m左右，遠(yuǎn)小于本工程池徑，且在池內(nèi)布置設(shè)備將對通航產(chǎn)生安全隱患，故不宜采用刮泥機排泥。通過計算，海水凈化池（沉淀池）內(nèi)的泥砂沉積強度為0.04 m/a，設(shè)計泥沙堆積高度為0.5 m，則泥砂排除時間最大約12 a 1次，排泥頻率很低。最終，凈化池不設(shè)固定排泥裝置，要求凈化池排泥與整個運河體系清淤同步進行，采用小型吸泥船吸泥排除沉淀池泥砂。

2.5排水設(shè)施中水閘閘門的選型

海水運河設(shè)有主、次排放口2座水閘，實現(xiàn)排水、擋潮、調(diào)節(jié)水位等功能，為實現(xiàn)該功能，并與景觀協(xié)調(diào)一致，在排水口設(shè)置了新型流量調(diào)節(jié)閘及防潮閘。

流量調(diào)節(jié)閘閘門采用能夠?qū)崿F(xiàn)雙向擋水、靈活啟閉、閘門開度無級可調(diào)、方便調(diào)度、工程隱蔽、無礙防汛和通航，改善河道景觀的新型閘門鋼壩門。

防潮閘閘門采用頂升式平面閘門，該門型特點是將啟閉設(shè)備置于閘門兩側(cè)閘墩內(nèi)，采用液壓油缸伸縮實現(xiàn)閘門開閉，操作方便、可靠性好且上部建筑物僅需在閘門兩側(cè)設(shè)導(dǎo)向柱，對景觀影響小。

通過上述閘門的選擇，達到了設(shè)計功能要求，確保項目的整體效果。

3　結(jié)語

人工海水運河工程是一個系統(tǒng)復(fù)雜的工程，集市政整體規(guī)劃、水利防洪排澇、海水凈化、水環(huán)境保持、景觀、航道等于一體，為沿海開發(fā)高品質(zhì)風(fēng)景度假區(qū)提供了范例，對今后其他相似設(shè)計提供了借鑒的經(jīng)驗，主要有以下成果：

1）根據(jù)功能及使用要求，采用合理的運河總體布置，因地制宜布置各類構(gòu)筑物，并有機結(jié)合，充分體現(xiàn)自然和諧，實現(xiàn)提高其功能價值的目的。

2）提出海水運河換水周期。在運河水質(zhì)不發(fā)生異常的平常時段，按14 d將運河水體置換；在運河水質(zhì)因降雨或其他情況發(fā)生異常時，按4 d將運河水體置換，置換周期的設(shè)置合理、可行。

3）提出的超大型海水凈化池凈化工藝不僅能滿足高標(biāo)準(zhǔn)的水環(huán)境要求，而且環(huán)保、節(jié)能、運行成本低，是一種經(jīng)濟、合理、可行工藝方案。

4）本人工海水運河通過防滲與疏通相結(jié)合的的護岸結(jié)構(gòu)處理方式既有效確保海水不入浸陸域，且確保地下水貫通，可為今后類似工程提供借鑒和參考。

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GONG Xiao-nan.Manual for ground improvement[M].2nd ed. Beijing:China Architecture&Building Press,2008.

Key technology for design of artificial seawater canal in Longmu Bay of Hainan

GU Kuan-hai,CHEN Ming-yang,HUANG Jin-song,SUN Ping-feng,ZHANG Rui
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Based on the engineering practice in the building of the artificial seawater canal in Longmu Bay of Hainan Province and aiming at adapting the characteristics of high requirements on canal function,complexity of flat form,low seawater quality and difficulties in ecological and environmental protection,a research was carried out on the key design technology for the general layout,design of water exchange,seawater intrusion protection,water intaking technology,seawater cleaning technology and sluice gate selection.The design proposals such as water exchange cycle and relevant quantity of water intake and displacement,the bank protection structure combining seepage proofing and drainage and ultra-large seawater purifying pool proposal were presented.These proposals have achieved the goals of keeping natural landscape graceful and harmonious in the holiday resort.

artificial seawater canal;urban landscape;water exchange;seawater intrusion;ultra-large seawater purifying pool

U612.33

A

2095-7874（2016）08-0038-05

10.7640/zggwjs201608009

2016-01-25

2016-03-30

顧寬海（1973— ），男，上海市人，教授級高級工程師，從事總圖及水工結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：gukh@theidi.com