湄洲灣石門澳工程圍堤龍口合龍施工工藝

(中交上航局航道建設有限公司，浙江 寧波 315200)

湄洲灣石門澳工程位于福建莆田秀嶼區，屬強潮海區，以半日分潮占絕對優勢，本工程海域的潮汐屬于正規半日潮。但湄洲灣潮差大，平均潮差4.60m以上，最大潮差7.0m以上。根據設計方案和工程進度要求，綜合水文氣象等條件，對圍堤龍口的布置、堵口順序、實施方案優化等進行了研究。

1 工程概況

1.1 工程簡介

湄洲灣石門澳工程圍堤總長7.4km，堤身為堤心石結構，地基處理采用基槽開挖、回填砂墊層、插打塑料排水板的方式。圍墾區新建4號堤、東堤、南堤，圍墾區被9號隔堤分割成C-1和C-2兩個圍區，其中C-2圍區面積151.5萬m2，C-2區吹填軟土標高+10.0m(秀嶼當地理論高程，下同)，圍區原始泥面平均標高+3.45m。所有吹填土均采用絞吸式挖泥船直接從取土區吹填至陸域。本文主要介紹C-2圍區合龍施工工藝。 圍墾區平面圖見圖1。

圖1 圍墾區平面圖

1.2 水文地質資料

工程海域的潮汐屬于正規半日潮，設計高水位7.35m，設計低水位0.78m。

預留龍口位置上層土質為灰色淤泥，厚度為7～12m，抗沖刷能力弱，易被潮水沖刷。

1.3 龍口地基處理

由于龍口位置淤泥層較厚，為確保合龍安全，必須嚴格按照設計要求做好圍堤的地基處理工作。本工程采用開挖換填中粗砂、回填中粗砂、插打塑料排水板的方式進行地基處理，以提高軟土地基的承載力，保證圍堤穩定，避免出現不均勻沉降。開挖換填中粗砂深度1m，再回填1m厚中粗砂，塑料排水板打設至-14m，然后分層回填堤心石，預壓不少于15天，分層厚度不超過1.5m，回填至+4.5m后預壓不少于30天，再沉降補填至+4.5m，并加強沉降位移觀測，最后陸續回填至+8.5m。待地基排水固結、沉降穩定后進行圍堤龍口的加高合龍。南堤往東堤的銜接貫通采用拋砂封堵、分幅施工進行，施工步驟與東堤一致。

2 龍口合龍施工工藝

2.1 總體方案

圍堤的合龍方案，分五個步驟，兩次合龍。

a.選取龍口位置。根據水文地形資料分析，東堤地勢低，設置石料主堤龍口在東堤EK0+630～EK0+830處。

b.預留拋砂龍口。南堤拋砂墊層施工時，樁號SK0+050～SK0+130處暫時不拋，預留拋砂龍口。

c.干地施工過水斷面。陸上推進東堤拋石，先進尺至南堤與東堤銜接處，再開挖樁號EK0+630～EK0+830處低潮干地施工，形成過水斷面。過水斷面結構為砂面標高3.0m，覆蓋一層無紡布，上拋50cm塊石護底，防止沖刷，塊石頂標高3.5m，并做好塊石棱體施工。

d.合龍預留拋砂龍口。過水斷面完成后，拋砂合龍南堤樁號SK0+050～SK0+130處的龍口，塘內海水從過水斷面出入，即第一次合龍。按設計半幅施工南堤樁號SK0+050～SK0+130處的各個工序。

e.合龍東堤龍口。最后合龍東堤樁號EK0+630～EK0+830處過水斷面，即第二次合龍，完成圍堤合龍。

實施該方法的前提條件為整個施工區域低潮時為全露灘的原始地面；并且圍堤設計砂墊層寬度超過60m，具備半幅砂面堆高擋水，另外半幅正常施工的條件。

2.2 龍口構筑和防護

2.2.1 龍口構筑

東堤龍口段的堤心石回填作為護底施工，護底寬度大于龍口寬度，在露出灘面時進行，堤頭采用拋大塊石保護，表面采用大塊石護底，石料石質新鮮堅硬、無風化、不含泥，拋石料盡量級配連續。石料采用挖掘機進行整平，表面基本平整，標高+3.5m。縫隙交錯咬緊，挖掘機來回行走壓實。龍口縱剖圖、平面布置見圖2、圖3。

圖2 東堤龍口縱剖面圖 (單位：m)

圖3 東堤、南堤龍口平面示意

2.2.2 龍口防護

龍口形成后至合龍前以及堵口進占時，采取拋石加固的措施對龍口兩側和堤頭進行防護，以防止龍口水流、立軸漩渦及堤身滲流對堤頭造成破壞。

根據潮汐表高低潮規律，每天在施工現場進行巡視檢查，出現不良情況立即進行補拋塊石等方式處理。

適當放緩堤頭坡度，盡量不要形成陡坡，以改善龍口水流態勢，加強堤頭兩側的防護。

2.3 合龍時間

南堤缺口拋砂于2014年5月14—16日進行，之后進行該段各個分項施工，做好與東堤龍口處的銜接。在南堤堤心石拋填沉降穩定后，于6月7—8日小潮汛期采取龍口兩端陸上拋填石塊的方式進行東堤龍口合龍。

2.4 龍口水力計算及合龍

2.4.1 水力計算

2.4.1.1 水量平衡計算

龍口水力計算采用圍區進(出)水量平衡原理，見式(1)。

|Q0±(Qs+Qf+Qp)|×Δt=W1-W2

(1)

式中Q0——計算時段內內陸流域來水平均流量，m3/s；

Qs——計算時段內水閘泄水平均流量，m3/s；

Qf——計算時段內龍口溢流平均流量，m3/s；

Qp——計算時段內截流堤堆石體滲流平均流量，m3/s；

Δt——計算時段,s；

W1——計算時段末圍區容量，m3；

W2——計算時段初圍區容量，m3。

由式(1)可知，龍口水力計算需針對潮位過程曲線以及圍區庫容變化曲線的變化規律，在不同口門尺寸和底檻高程條件下計算流速的等值曲線圖。

2.4.1.2 流速過程線計算

當龍口口門兩側邊壁對口門流量影響不大時, 根據寬頂堰流理論，龍口頂部流速與庫區內外水位差關系見式(2)、式(3)(兩式為庫外高于庫內情況, 庫內高于庫外本方案不作考慮)：

(2)

(3)

式中v自由出流——自由出流情況下龍口頂部流速,m3/s；

v淹沒出流——淹沒出流情況下龍口頂部流速,m3/s；

m——流量系數，取0.354～0.385；

g——重力加速度，m/s2；

α——流量分布修正系數，取1.19～1.10；

φ——流速系數，取0.92～0.96；

H外——庫外水位，m；

H口門——口門底檻高程，m；

H內——庫內水位，m；

Z——庫內外水位差，m。

2.4.1.3 圍區東堤龍口漲潮流速計算

根據水量平衡原理及流速公式，計算C-2圍區東堤龍口的水位過程線，再根據內外水位過程線，求得流速過程線，然后假設東堤龍口不同口門尺寸和底檻高程，得到流速最大值。

根據相關資料和類似工程經驗，為提高龍口合龍安全系數，本工程龍口流速控制值取4m/s。流速是合龍過程中最重要的控制因素，由于漲潮流速大于落潮流速，本方案僅計算漲潮流速，計算結果見表1。

表1 不同口門尺寸漲潮最大流速 單位：m/s

根據表1可知在口門寬度在125～150m，底檻高程在+3.75～+4.35m時，最大流速可控制在4m/s以下，用平立堵交叉的方式對龍口進行合龍。繪出龍口最大流速的等值曲線，見圖4，根據圖4分析得到合龍過程線。

圖4 龍口合龍過程線

2.4.2 東堤龍口封堵

在南堤貫通與東堤銜接后，進行東堤龍口的封堵。東堤龍口采用低潮平堵，立堵進占，平立堵結合的方式進行。龍口封堵施工步驟如下。

2.4.2.1 龍口口門進占縮小

采用平立堵進占法分兩期進行填筑縮小龍口，利用退潮間歇拋石逐步進占，合龍過程中控制最大流速為4m/s，平立堵施工示意見圖5。

從龍口(B=200m，h=3.5m)開始壓束，先平堵到h=4.10m(完成①)，再立堵到B=125m(完成②)，在這段過程中最大流速不超過4.0m/s，過此點后平堵到4.5m(完成③)，此時已高于潮位，繼續進行推進至標高+5.5m，再立堵至B=50m直至完成合龍。在h=4.5m后，最大流速逐漸減小至4.0m/s以下，最后平堵到標高+5.5m堤身基本出水后，抓緊時間進行龍口段抬高至標高+8.0m(合龍期最高潮位6.0m)，確保安全，至此龍口合龍。合龍后做好堤身各部位檢查。圖5僅做平立堵步驟示意圖，圖中②和③、③和④在施工過程中根據實際情況是同步施工的。

2.4.2.2 龍口堤頭防護

龍口寬度由原200m逐漸縮小后直至截流前，該位置是水流進出的唯一通道，因此該龍口位置必須在原拋石護底基礎上采用部分大塊石(不小于150kg)進行口門兩側堤頭一定范圍的拋填保護。

圖5 龍口平立堵示意 (單位：m)

2.5 施工強度及機械配置

2.5.1 施工強度計算

根據預留龍口尺寸，完成整個合龍預計需要石料約8400m3，總體施工進尺見表2，龍口卸料強度計算見表3。

表2 龍口進尺方量計算

表3 龍口卸料強度計算

表2、表3計算結果顯示，單車從料場裝料、龍口卸料整平到回料場裝料總需時約為84min，按6月7日潮期7h計算，則該段時間內可填料約4625m3，滿足壓縮龍口至125m需要4200m3石料的要求，在6月8日，運輸強度也滿足余下4200m3石料的填筑要求。

2.5.2 機械配置

根據6月7日堵口時拋石用量和拋填強度計算，充分考慮機械意外故障率，龍口東堤頭、南堤頭各配置2100m3自卸汽車17輛備用3輛，共37輛； 南、北兩側堤頭各配置PC200型挖掘機1臺備用1臺，共4臺，南、北兩側堤頭各配置裝載機1輛備用1輛，共4輛。在合龍過程中，上述機械配置滿足施工要求，做到了有備無患。

3 合龍過程中應注意的問題

根據本工程地質情況以及各堤回填堤心石過程中的沉降位移觀測數據對比分析，在東堤合龍過程中可能發生的最大風險是拋填加載過程中出現異常沉降，按施工技術要求及同類工程施工經驗，在龍口合龍過程中應注意以下問題：

a.在龍口合龍推進過程中項目部負責人全程指揮。

b.必須做好人力、物力、機械的統一調度安排。

c.龍口合龍前現場提前進行備料。

d.延長龍口處外海側護底的長度，從堤軸線往外72m到塊石棱體位置，護底盡量用大塊石(不小于150kg)壓緊壓實，作為圍堤壓載。

e.在龍口構筑完成、護底做好之后加強該段圍堤的沉降位移觀測。在實際施工過程中，圍堤沉降位移觀測數據在設計控制數據范圍內。

4 結 語

如果采取水陸結合，從東堤、南堤兩側同時推進合龍，需預留的龍口寬度相應增加，地基處理只能等到低潮露灘時進行，施工進度不滿足要求，且容易造成沖刷無法保證龍口處地基處理的施工質量，且水上施工，施工成本相應增加。而本工程先選取南堤作為圍區進出水口，低潮時按設計要求的工序先在東堤形成龍口斷面，再利用東堤龍口作為圍區進出水口，然后進行南堤推進合龍，最后推進東堤合龍。此施工方法既分散了水流，減小了單一口門承受過大的壓力，又保證了圍堤施工質量，且避免水上施工，施工成本沒有增加，施工難度降低，提高了合龍安全性，此施工方法經濟合理，技術可行，值得推廣應用。