結合數模計算的多龍口同步合龍關鍵技術

劉若元，張劍

1 概述

1.1 平面布置

橫沙東灘圈圍八期工程圍區面積約42 km2，工程平面位置見圖1[1]。為減小每個龍口漲落潮過水量，在圍區內先期建成5條頂寬為6 m的簡易隔堤，將圍區分為6個小圍區，為盡可能降低合龍綜合成本，5條隔堤均為臨時充灌袋裝砂結構，防滲性能和堤身穩定較差，無法承受單一龍口合龍所造成的內外水位差影響。

為了確保合龍能夠成功，考慮1—5號圍區同步合龍，5個圍區總面積約36 km2，圍堤長度為17 868m。

1.2 斷面設計

圍堤采用袋裝砂斜坡堤結構，軟體排護底，拋石鎮腳，外護坡主要為灌砌塊石、柵欄板[2-3]。為在合龍期間保護袋裝砂堤身，減小長江口風浪對龍口袋裝砂堤身的沖擊破壞，拋石鎮腳先期施工形成臨時拋石壩形式，同時可利用拋石壩形成的龍口雍水和阻流效果，減緩龍口內側水流流速。合龍并完成護面保護后，再理平形成拋石鎮腳。圍堤斷面見圖2。

圖1 橫沙八期工程平面布置圖Fig.1 Layout plan of Hengsha phase VIIIproject

圖2 圍堤斷面示意圖Fig.2 Cofferdam cross section draw ing

2 選擇多龍口同步合龍的必要性

1）選擇多個龍口

由于圈圍面積大，經設計計算，如選擇單龍口合龍，庫內流量大，漲落潮流速快，龍口寬度至少需2.2 km。合龍工程量巨大，護底結構設計需增強，且當龍口逐漸縮小后，高流速作用下，無法采用普通拋石壩阻流方案，合龍期間需組織大量的人員、船舶、材料，增加了管理難度且合龍時間長，合龍難度高。

2）選擇同步合龍

由于已建成的1—5號隔堤主要作為前期材料運輸臨時便道，斷面較小，如各圍區分時段先后合龍，已合龍和未合龍的相鄰圍區之間將存在較大的水位差，隔堤防滲性能無法滿足要求，勢必造成隔堤坍塌。

3）經濟因素

如同步合龍方案成立，各圍區之間可維持較小的水位差，則隔堤防滲要求降低，可不對隔堤進行加寬加固，工程造價相對降低。

基于上述施工技術及經濟因素的考慮，采用多龍口同步合龍方案成為必然。

3 多龍口同步合龍技術

3.1 龍口布置

1）龍口位置宜選擇在潮汐動力相對較弱處，以減輕堵口和閉氣的難度。

2）龍口位置應選擇在地質條件比較好的堤段，以利于龍口保護和合龍。

3）盡量選擇在灘面地勢相對較低位置，以有利于水流進出并控制龍口規模。

根據上述龍口布置原則，各龍口位置及寬度見表1。

表1 龍口位置及寬度Table1 Position and w idth of closure gap

3.2 結合數模計算擬定龍口合龍各階段節點目標

根據工程總體推進情況并結合2016年12月下旬和2017年1月上旬的氣象、潮位信息，總體上1—5號龍口需經歷12月底的大汛，然后在1月初的小汛進行拋石截流，因此12月底大汛前的龍口寬度、拋石標高、截流前可收縮的寬度等均需要數模計算指導施工。

3.2.1 確定拋石壩打底高程

按照1—5號龍口設計寬度，選取不同的底標高進行大潮汛龍口最大流速的數模計算。大潮汛各龍口最大流速見表2。

表2 大潮汛各龍口最大流速表Table 2 M aximum flow velocity ofeach closure gap in case of spring tide

通過表2分析，維持設計龍口寬度，各龍口拋石底標高控制在0.0 m或+2.0 m底標高，龍口流速均不超過3.0 m/s，相對較為安全；而結合各龍口現狀灘面標高，0.0 m的拋投標高控制極難，+2.0 m標高又容易造成較大的跌水沖擊，對龍口護底排體的保護不利。最終權衡利弊后，決定龍口拋石打底標高控制在+1.0 m，一方面對護底排體形成壓載保護，另一方面為1月初小汛拋石截流做基礎，減小截流拋石量。

3.2.2 確定前期（大潮汛前）龍口最大收縮幅度

從收縮后龍口大潮汛最大流速可以看出，在保持龍口底高程不變并且保證龍口在收縮后能承受大潮襲擊的情況下，各龍口最多可以收縮100m。見表3。

表3 龍口收縮后大潮時龍口最大流速統計Table3 M aximum flow velocity of closure gap in case of spring tideafter the closure gap shrunk

3.2.3 驗證龍口底高程抬至+1.0m后龍口安全性（已局部縮窄）

龍口拋石底高程抬升至+1.0m后將經歷12月31日的大潮作用，故需對抬升后的龍口在大潮作用下的安全性進行論證。其中4號龍口最大流速超過3.0m/s安全流速，其他龍口均不超過安全流速。見表4。

表4 大潮期間龍口最大流速統計（已局部縮窄）Table4 M aximum flow velocity of closure gap during spring tide(localshrinkage)

3.2.4 確定大潮汛后龍口收縮幅度（后期縮窄）

在經過12月31日的大潮后立即進行龍口收縮，初擬龍口收縮一半，收縮后的龍口要經歷中小潮作用，選取2017年1月4日的中潮，分析收縮后龍口在經受中潮作用時的安全性。其中4號龍口最大流速為3.07m/s，超過3.0 m/s安全流速，其他龍口均不超過安全流速。見表5。

表5 2017年1月4日中潮期間最大流速統計Table 5 M aximum flow velocity duringmoderate tide on January 4,2017

綜合上述數模計算成果，結合大汛、小汛施工組織安排，龍口拋石及收縮寬度總體原則如下：

1）龍口拋石護底施工階段，臨時拋石壩頂標高施工必須嚴格按照+1.0m標高控制，時間安排在12月底前，確保龍口安全度過12月底大汛。

2）龍口拋石壩及棱體土方縮窄寬度及縮窄時間：12月底大汛前，龍口維持設計寬度不變；1月1日起，視天氣情況，1號、2號、3號、5號龍口可縮窄一半，4號龍口兩側可各縮窄50 m（共100m），為合龍做準備。

3.3 護底結構設計及龍口保護期監測

3.3.1 護底結構設計

龍口構筑時，護底采用了雙層軟體排護底結構[4-6]。底層鋪設砂肋軟體排，上層鋪設混凝土聯鎖片軟體排，2層軟體排搭接位置錯縫鋪設，以增加龍口段護底的抗沖刷保護，確保龍口安全，見圖3。

圖3 雙層軟體排護底結構Fig.3 Double-layer soft body mattress bottom protection structure

3.3.2 龍口保護期監測

1）旁掃聲納進行排體檢測

每隔7 d進行1次旁掃，旁掃進行水下排體檢測時，測線平行于軟體排邊位置，通過掃測圖片直觀檢測相鄰排體搭接及平整度，見圖4。

圖4 旁掃聲納檢測軟體排Fig.4 Inspection of soft body mattress by side scan sonar

2）龍口斷面水深測量

在龍口保護期期間，每隔3~5 d進行1次龍口固定斷面監測，通過監測情況來查看護底排體范圍內和排體內外側原泥面沖刷情況，并有針對性的采取預防或補救措施。

根據龍口監測結果，及時向設計反饋，如果通過計算，可能影響拋石壩甚至圍堤的穩定，可對沖刷部位采取拋填石塊、充填砂袋或補填散砂等措施。

3.4 合龍施工前需要滿足的其他施工條件

1）袋裝砂堤身施工

除龍口外，圍堤全線以外棱體達到+5.5 m以上高程，內棱體達到+3.8 m、堤心砂達到+3.0 m以上。

2）外側臨時拋石壩

除龍口外，全線標高達到+5.0m。

3）隔堤需要滿足合龍后大堤防滲穩定要求

由于1—5號圍區先行合龍，6號圍區2個月后合龍。5號隔堤兩側存在較大水位差，原防滲能力無法滿足要求，需要在5號隔堤西側進行傍寬處理，增加滲流滲徑，提高防滲透性。

4）臨時排水口

各圍區臨時排水口需要全部安裝完成，滿足合龍后排水要求。

5）儲砂備砂

各龍口設置砂庫，儲存的砂量須滿足合龍外棱體斷流用砂，至少為用砂量的2倍以上。

3.5 合龍施工流程

根據數模計算指導意見，將合龍施工流程分為3個階段，各階段任務詳見表6。

3.6 合龍過程中的必備措施

1）砂庫、鎖壩布置

砂庫布置在龍口兩側，為加大儲砂量，在布置龍口砂庫的同時，加高圍堤內外棱體，形成堤心砂備砂區。同時，因為拋石壩為透水結構，為防止龍口收縮過程中，漲潮流通過拋石壩從拋石壩和外棱體間涌入，增大過水量和龍口流速，需要在龍口兩側外棱體與臨時拋石壩間各布置1組鎖壩，鎖壩采用單棱體袋裝砂結構，標高+5.0m，頂寬5 m，在合龍土方收縮過程中，隨著砂袋推進，每推進1個砂袋長度，加設1道鎖壩，見圖5。

表6 龍口合龍各階段任務劃分表Table6 Task division ateach closing stage of closure gap

圖5 砂庫、鎖壩平面布置圖Fig.5 Sand bin and closure dam layoutp lan

2）尼龍網兜石的應用

拋石合龍時，選用的塊石規格應為50~500 kg級配良好的亂石，減少透水量；同時采用尼龍網兜石作為備用拋石方案，每個圍區提前組織1 000 m3尼龍網兜石現場待命，一旦出現流速過快造成拋石無法合龍時，立即將備用尼龍網兜石進行拋投，確保拋石合龍順利完成，尼龍網兜石在實際應用中取得了很好的效果。

4 結語

超大圍區多龍口同步合龍技術在國內屬首次應用，數模計算在橫沙八期多龍口同步合龍方案編制中起到了正確的指導作用，同時在龍口合龍中的相關施工工藝和技術也獲得成功，取得了良好的社會和經濟效益。該技術的成功使用，也為類似超大圍區工程的合龍提供了寶貴的經驗，在縮短工期、降低施工成本、確保合龍成功率等方面均將發揮較大作用，具有良好的推廣前景。

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[1]中交上海航道勘察設計研究院有限公司.橫沙東灘圈圍八期工程施工圖說明及施工技術要求[R].2016.CCCC Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.,Ltd.Construction drawing description and construction technical requirement of Hengsha East Shoal Reclamation Project(Phase VIII)[R].2016.

[2]GB 50286—2013，堤防工程設計規范[S].GB 50286—2013,Code for design of levee project[S].

[3] SL 260—2014，堤防工程施工規范[S].SL 260—2014,Specification for levee project construction[S].

[4]SL/T 225—98，水利水電工程土工合成材料應用技術規范[S].SL/T 225—98,Standard for applications of geosynthetics in hydraulic and hydro-power engineering[S].

[5]DG/TJ 08-90—2014，水利工程施工質量檢驗與評定標準[S].DG/TJ 08-90—2014,Inspection and assessment standard for construction quqlity of hydraulic engineering[S].

[6] SL 197—2013，水利水電工程測量規范[S].SL197—2013,Code for surveying of waterresources and hydropower engineering[S].