淺析反向對流吹填排水工藝在沿海水質敏感區(qū)的應用設計

梁俊波 李波 唐偉

摘 要：本文結合北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程施工區(qū)周圍實際條件和吹填工程情況，設計反向對流吹填排水系統(tǒng)工藝，成功應用于吹填工程排水，大大降低吹填尾水的渾濁度，減少吹填施工對周圍海域不良影響，該工藝在水質敏感的養(yǎng)殖區(qū)海域吹填項目應用較好。

關鍵詞：排水 工藝 沿海 水質 泥沙

1.前言

近年來，為解決土地稀缺問題和促進沿海經(jīng)濟發(fā)展，吹填造陸被越來越多的運用到工程施工中。吹填造陸是將一定比例的砂、泥漿和海水混合成漿體，并用吹管運輸至指定區(qū)域，經(jīng)過排水固結形成陸域的土地開發(fā)技術。文中根據(jù)北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程為例，探討反向對流吹填布置在水質敏感區(qū)的施工應用。

2.工程概況

2.1 建設規(guī)模及內容

北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程位于北部灣東部的鐵山港灣，起于灣口鐵山港5萬噸錨地附近的A點，終至規(guī)劃的鐵山港西港池北暮作業(yè)區(qū)16#泊位東側Z點，全長約18.7km，建設規(guī)模為按10萬噸級散貨船舶單向乘潮保證率90%標準建設，同時考慮兼顧滿足26.3萬立方米LNG船等船型安全通航的要求。主要施工內容包括：吹填區(qū)臨時圍堰工程施工、臨時儲泥坑疏浚吹填施工、航道疏浚及疏浚土直接吹填和二次轉吹施工、航標工程施工等。設計工程量（含施工期回淤量）為2232萬立方米，疏浚泥土全部采用內吹方式處理，其中挖運吹約1617萬立方米，運至C點附近的臨時卸泥坑卸下，再用絞吸式挖泥船進行二次轉吹填至指定吹填一區(qū)，單程平均運距約6.0km；直接吹填約615萬立方米，平均吹距約3.5km疏浚土，通過絞吸船直接吹至吹填二區(qū)。

2.2工程技術難點問題

（1）本工程若采用傳統(tǒng)常規(guī)的吹填排水布置方法，會因吹填施工后期吹填細顆粒積堆在排水口前沿，流徑短，泥漿水力停留時間短，吹填泥漿得不到有效沉降，造成吹填流失量大。

（2）鐵山港區(qū)是廣西壯族自治區(qū)北海市所轄的一個市轄區(qū)，是世界著名的“南珠”產(chǎn)地。瀕臨全國四大漁場之一的北部灣漁場，沿海灘涂17.5萬畝，是珍珠、牡蠣、對蝦、文蛤、青蟹、方格星蟲等優(yōu)質海養(yǎng)產(chǎn)品的天然養(yǎng)殖場，同時也是習近平主席提出“一帶一路”重大戰(zhàn)略有機銜接的重要門戶。吹填泥漿未經(jīng)過足夠沉積過程會導致排入海水中的尾水渾濁度過高，影響周邊海域養(yǎng)殖的水質濃度，嚴重的會造成整個排放海域養(yǎng)殖物以及紅樹林的大量死亡，對環(huán)境造成難以恢復的惡劣影響。

（3）吹填泥漿大量流失的情況下，勢必要加大吹填工程量，增加船舶開挖時間及開挖航道疏浚工程量，同時也會造成更多的吹填量流失及水質污染。

（4）傳統(tǒng)的吹填布置在后期吹填排水活動范圍小，吹填水上漲快，必須加高圍埝標高，防止吹填水外溢沖跨圍埝，同時也會造成吹填邊角和死角的出現(xiàn)。

2.3 施工目標及施工工藝方法設置

（1）如何降低吹填尾水濃度：根據(jù)本工程的實際情況，如何降低吹填尾水排放濃度成為本工程需要解決的重點問題。又因吹填水中泥沙濃度的下降方式主要為泥沙的自然沉降，因此若能在排出吹填區(qū)之前完成絕大部分的泥沙沉降即可達到施工經(jīng)濟安全并很好的兼顧環(huán)保的要求。

（2）反向對流吹填工藝方案設置。傳統(tǒng)吹填方式為由一個方向作為吹填水的進入方向，經(jīng)過在吹填區(qū)內的長距離流動，泥沙等固態(tài)物質自然沉降，較純凈的水流通過另一個方向的排水口流出，以此形成陸域。在前期吹填過程中，吹填水有足夠的距離進行自然沉降，但在后期吹填區(qū)域內大部分陸域已經(jīng)形成、有較大高差的情形下，收尾區(qū)域沒有足夠長的沉降路徑。基于這些方面考慮，設計的反向對流吹填工藝方案，其思路是充分利用前期吹填區(qū)內納水量大的優(yōu)勢，首先吹填覆蓋泄水口前區(qū)域，然后在已形成陸域內人工開挖一條排水通道作為排水路徑，再吹填距排水口較遠的區(qū)域，以此達到延長吹填水沉降距離的目的。

3.反向對流吹填工藝方案設計

吹填水通過管線排至吹填區(qū)后，匯流到排水渠內，形成非均勻懸浮液，在排水渠的外排過程中，泥沙沉降所需距離，與排水渠內流速、排水渠高度、泥沙粒徑和沉降速度有關。不同粒徑的泥沙在不同狀態(tài)下沉降速度不同，當求出泥沙沉降速度后，可根據(jù)明渠高度和流速求出其沉降所需的大致距離。由此可見，該方案的關鍵在于泥沙沉降速度的確定及沉降所需距離確定。

3.1沉降速度確定

3.1.1 沉降速度的計算方法

根據(jù)實踐來說，遇到的是有一定粗、細顆粒含量的非均勻砂渾水懸浮液，渾水的含沙量和粒徑級配是已知的，可按公式計算渾水的粘滯系數(shù)、運動粘滯系數(shù)。將非均勻砂分組，根據(jù)各組的粒徑和所占重量的百分數(shù)，可以求得其分組沉速。再按經(jīng)驗公式求出該非均勻砂渾水懸浮液考慮了含沙量影響的群體沉速。從工程泥沙角度考慮可簡便地按含沙量1960N/m3，作為高、低含沙量的分界值，當含砂量大于分界值時，應考慮含沙量對沉速的影響。

在沉降速度的研究中，現(xiàn)在存在多種經(jīng)驗公式，如斯托克斯公式（即球體公式）、岡恰洛夫公式、沙玉清公式、張瑞瑾公式、竇國仁公式等等，都有不同的使用范圍和參考價值，在本次計算中，我們根據(jù)經(jīng)驗采用原水電部推薦公式出發(fā)，考慮采用以下公式進行沉降速度計算：

（1）層流區(qū)（d<0.1mm）

（2）紊流區(qū)（d>1.5mm）

（3）過渡區(qū)（0 . 1 m m < d<1.5mm）

具體計算時，可根據(jù)已知條件，將公式適當變型以便利計算。泥沙下沉時的三種運動狀態(tài)可通過泥沙粒徑或砂粒雷諾數(shù)判斷。

3.1.2 沉降速度的試算

根據(jù)本項目吹填區(qū)排水明渠（尺寸為深1m、寬10m）初始位置實測的平均含沙量S=6.94KN/m3，平均泥沙級配如表1所示，測驗時水溫t=20℃。

根據(jù)泥沙級配可求得：

根據(jù)不同粒徑，進行試算，得出其相應沉降速度，根據(jù)設計排水明渠尺度，其排水渠（1m深）或沉淀內沉降所需距離最大值如表3（距離取整數(shù)）。

由此可見，在排水明渠斷面尺寸為1m×10m時，300m即可滿足細沙以上土質沉降，對粉砂、粘土和淤泥繼續(xù)進行細分計算（見表4）

在滿足排水渠長1200m的時候，預計能完成87.5%的泥沙沉降。

3.3沉降效果分析

由上述計算結果進行初步估計，考慮到吹填水從管頭至排水渠（距離50m左右）的過程，至少有54.4%的泥沙已經(jīng)完成沉降，300m范圍內至少有74.5%的泥沙沉淀，在經(jīng)過1200m的排水渠（斷面尺寸1m×10m）后，有87.5%的泥沙可以完成沉降，其余泥沙經(jīng)排水明渠后進入沉淀池。

北海港鐵山港區(qū)航道疏浚二期擴建工程施工過程按照該設計方案，結合現(xiàn)場實際進一步細化實施后，目前施工主體工程基本完成，施工效果好，施工質量優(yōu)良。

4.結語

應用反向對流吹填排水布置施工方法，有效降低了吹填泥漿流速，延長了吹填細顆粒土質的沉淀路徑，使細顆粒得以有效的沉降在吹填區(qū)內，并使吹填尾水凈化后排放，優(yōu)化了吹填施工環(huán)保措施，在海洋環(huán)保日益嚴格要求下具有廣闊的應用前景，并在工程實踐中取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益，可供同類工程提供參考和借鑒。

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