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中低灘深水海域圍墾充泥管袋筑堤關(guān)鍵技術(shù)

蘇穎（安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽蚌埠233300）

沿海城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源緊缺制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間問題已日益嚴(yán)重，人類對海洋資源的開發(fā)與利用，已從陸地走向淺海，繼而逐步邁向深海區(qū)，傳統(tǒng)意義上的高灘圍墾資源急劇減少。文章主要對中低灘深水海域圍墾項目中充泥管袋筑堤施工技術(shù)加以論述。

圍墾；中低灘；數(shù)值模擬；吸運吹一體化；筑堤

0　前言

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國新一輪沿海開發(fā)戰(zhàn)略的啟動與實施，沿海地區(qū)城市化、工業(yè)化和人口集聚加快，進(jìn)一步加大了對土地資源的需求。建國后全國主要河口海岸灘涂圍墾總面積累計達(dá)22361.7km2，平均每年約350～400km2。長江口區(qū)域的上海市自2008年起對中央沙、青草沙、橫沙東灘、南匯東灘以及崇明島北緣的部分高灘區(qū)域?qū)嵤┝巳?，累計圍涂約98.7km2。

傳統(tǒng)意義上的高灘圍墾主要是針對平均高潮位以上區(qū)域進(jìn)行圍墾，圍墾區(qū)水動力弱、波浪強(qiáng)度小，施工技術(shù)相對簡單。隨著高灘資源的日益減少，沿海中低灘圍墾已成為今后圍墾發(fā)展重要方向。目前，國內(nèi)中低灘圍墾筑堤施工時多選擇在低潮位時，采用人工方式鋪設(shè)、充灌充泥管袋，或者利用小型船舶展開袋體充填，作業(yè)時間受漲落潮影響明顯，施工效率低下，作業(yè)人員安全風(fēng)險極大。因此，研發(fā)新型中低灘深海水域圍墾筑堤施工技術(shù)，適應(yīng)高風(fēng)險、高附加值的圍海造地勢在必行。

1　中低灘水域水動力數(shù)值模擬研究

中低灘深水區(qū)徑流、潮流動力條件復(fù)雜，泥沙活動性強(qiáng)，一般在工程選址和施工可行性研究設(shè)計階段，均需要對工程實施前后的水流動力條件、河床沖淤變化開展論證研究，主要研究手段包括現(xiàn)場水文泥沙資料分析、物理模型試驗和數(shù)學(xué)模型等。近年來隨著計算機(jī)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)因速度快、成本低等優(yōu)點應(yīng)用越來越廣泛。

對于施工中經(jīng)常遇到的圍堤局部沖刷以及龍口合龍等關(guān)鍵問題，必須開展相應(yīng)的數(shù)值模擬研究，以預(yù)測風(fēng)險、排除隱患。隨著海堤的推進(jìn)，潮流受到構(gòu)筑物的約束和控制，改變了水流的方向或流速的大小，原有的平衡狀態(tài)被破壞，會引起局部范圍的沖刷現(xiàn)象。因為構(gòu)筑物周圍都存在復(fù)雜的旋渦及環(huán)流系統(tǒng)，這種局部的水流結(jié)構(gòu)是決定沖刷坑形態(tài)和大小的最重要因素之一，對數(shù)值模擬技術(shù)要求較高。安徽水利開發(fā)股份有限公司自2003年進(jìn)入圍海造地行業(yè)起，高度重視科技創(chuàng)新工作，為達(dá)到“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，理論指導(dǎo)實踐”的目的，與河海大學(xué)、合工大及南科院等國內(nèi)知名水利科研機(jī)構(gòu)開展產(chǎn)學(xué)研合作，共同開展中低灘復(fù)雜邊界和動力條件的潮流泥沙數(shù)值模擬方法研究，引入超松弛系數(shù)改進(jìn)了LU-SGS隱式有限體積法，提高了計算效率，基于拋物型的垂向流速分布關(guān)系實現(xiàn)了二、三維耦合求解；建立了復(fù)雜水動力條件環(huán)境下全河段二、三維數(shù)學(xué)模型，利用實測資料研究了水沙運移及灘槽演變規(guī)律及潮流泥沙變化規(guī)律，為指導(dǎo)長江口地區(qū)中低灘圈圍工程施工方案的制定提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

2　“吸運吹”一體化吹灌筑堤施工

研發(fā)了鋪袋船船載六通吹灌裝置及其工藝（關(guān)鍵設(shè)備——“鋪排船船載吹灌裝置”獲得實用新型專利授權(quán)，專利號：ZL201420308847.1；關(guān)鍵技術(shù)——“用鋪排船船載吹灌裝置充填充泥管袋的方法及吹灌裝置”獲得發(fā)明專利，專利號：201410257414.2），利用鋪袋船做為作業(yè)和中轉(zhuǎn)平臺，采用六通吹灌裝置控制充填速度、壓力，實現(xiàn)了深水區(qū)“吸運吹”一體化吹灌筑壩快速施工。

2.1基本原理

利用吸砂船在指定采砂區(qū)進(jìn)行采砂，通過砂泵直接將砂輸送到運砂船上；運砂船到達(dá)施工現(xiàn)場后，逆水靠泊吹砂船，用纜繩連接穩(wěn)定，按吹砂船泥漿泵—輸泥總管—六通吹灌裝置—輸泥支管—充泥管袋的順序連接，在吹灌裝置分流出砂口設(shè)置閘閥，實現(xiàn)各充泥支管的啟閉，調(diào)節(jié)充灌壓力；利用高壓水槍在駁船倉內(nèi)造漿，啟動泥漿泵開始袋體充灌施工；當(dāng)充泥管袋充灌達(dá)到理論計算量時停止作業(yè)，即完成單個袋體施工。逐袋逐層進(jìn)行充灌施工直至充泥管袋所形成的堤身到達(dá)設(shè)計斷面要求?！拔\吹”一體化吹灌筑壩施工工藝流程如圖1所示。

圖1　“吸運吹”一體化吹灌筑壩施工工藝流程圖

2.2材料來源

吸采砂直接利用長江內(nèi)砂源，施工中常與航道整治、沙洲治理和清淤護(hù)灘相結(jié)合，起到一舉兩得的功效，生態(tài)環(huán)保，符合國家大力推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)政策的方向。

2.3工藝流程

2.3.1吸砂船采砂施工

利用吸砂船在指定采砂區(qū)進(jìn)行采砂，采砂船單錨定位，運砂船靠泊吸沙船，用纜繩連接穩(wěn)定后，吸沙船通過砂泵直接將砂輸送到駁船上，開始采砂裝運。

2.3.2砂料運輸

砂料主要采用駁船進(jìn)行運輸，為了達(dá)到砂料迅速排水、單次運輸量最大化的目的，駁船吃水保持駁船干舷15cm，運輸駁船按照與海事等部門確定的航行線路通航行駛，并及時發(fā)布通航公告。

2.3.3吹砂船準(zhǔn)備

采用專用吹砂船施工，施工前根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行定位，由艏艉六根錨進(jìn)行固定，船上配備機(jī)械化控制的泥漿泵、高壓水槍，由專業(yè)人員進(jìn)行操控。

2.3.4管線連接和布置

吹砂船靠鋪袋船停泊，吹砂船上的泥漿泵連接輸砂總管，輸砂總管連接六通吹灌裝置，從吹灌裝置分流的輸砂支管與充泥管袋的進(jìn)漿口連接。為了輸砂軟管的平面布局合理、易于實施和經(jīng)濟(jì)安全，管線布置綜合考慮船舶的總揚(yáng)程、地形地貌、排距、吹填高程、水位和潮汐變化等條件。

充泥管袋吹灌主要設(shè)備為吹砂船、輸砂管線、六通吹灌裝置、浮筒。六通吹灌閥示意圖如圖2所示，六通吹灌裝置進(jìn)行堤壩袋體、圍區(qū)吹填施工平面圖如圖3所示，剖面圖如圖4所示。

圖2　六通吹灌閥示意圖

圖3　六通吹灌裝置充填袋體示意圖

圖4　六通吹灌裝置充填堤壩袋體施工剖面圖

2.3.5吹灌施工

①管線連接檢查完畢后進(jìn)行充水實驗，保證管線無破損、連接處不漏漿；打開六通閘閥，吹砂船利用高壓水槍進(jìn)行造漿，開始充填施工，通過閘閥啟閉對軟管出泥口的流量及壓力進(jìn)行調(diào)控。

②水下袋體施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制加載速率，給予袋體足夠的沉降固結(jié)時間。運砂船靠駁鋪排船造漿。

③待水下堤身填筑完畢，不能滿足鋪袋船吃水深度要求后，將吹灌裝置從鋪袋船轉(zhuǎn)移至已露出的堤身處、低潮時采用人工展鋪袋體，繼續(xù)逐袋逐層進(jìn)行充泥管袋吹灌施工，直至充泥管袋所形成的海（江）堤堤身到達(dá)設(shè)計斷面要求。

3　龍口合龍

龍口合龍是圍墾項目施工的核心環(huán)節(jié)。圍堤龍口處水流壓縮，流速急劇增加，漲退潮時流速一般可達(dá)到或者超過5.0m/s；工程實施前，進(jìn)行龍口模型試驗研究，研究各種工況下的水流及灘槽變化，提出龍口封堵工程措施，為龍口合龍?zhí)峁├碚撘罁?jù)。作業(yè)期間，利用鋪袋船對龍口區(qū)域鋪設(shè)軟體排進(jìn)行護(hù)底，降低過槽水流對灘面的沖刷，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)；圍區(qū)外側(cè)設(shè)置拋石棱體進(jìn)行阻水，將潮流速降低至約3.5m/s；在泥庫備砂及龍口兩側(cè)堤身達(dá)到設(shè)計要求后，開始啟動龍口合龍；采用“吸運吹”工藝、平立堵相結(jié)合的方式將龍口或竄溝的底高程逐步抬升至平均灘面高程，而后利用一個小潮汛將堤身迅速斷水并抬高到大潮汛平均高潮位之上。

4　結(jié)語

隨著國家大力推進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，科學(xué)合理地對中低灘資源進(jìn)行圍墾開發(fā)利用，行業(yè)前景十分廣闊。近年來，在“一帶一路”宏偉構(gòu)想的部署下，我國南海及東南亞沿海國家的島嶼開發(fā)力度逐步加大，陸續(xù)進(jìn)入促淤、圈圍狀態(tài)，采用充泥管袋筑堤施工是已成為當(dāng)前主流技術(shù)，研發(fā)并掌握中低灘深水海域圍墾關(guān)鍵技術(shù)，可為國有資產(chǎn)保值增值和支撐省屬企業(yè)“走出去”打下堅實的基礎(chǔ)。

S277.4

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1007-7359（2016）04-0082-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.031

蘇穎（1978-），男，安徽蚌埠人，合肥工業(yè)大學(xué)在職研究生，高級工程師，國家注冊一級建造師，國家注冊安全工程師，國家注冊造價工程師。