兩級箱涵式泄水口在吹填工程中的應用

張哲 交通運輸部天津水運工程科學研究所

吹填軟泥中余水的排出是水運工程界普遍關注的問題。在吹填造陸項目中通常需要設置泄水口排出吹填區內的余水，泄水口結構型式有溢流堰式、箱涵式等。溢流堰式泄水口具有結構簡單、施工方便等優點，但堤身頂部因開口而不能通車、過人，且泥沙流失率較大，控制泄水位需要在堰口位置加土工織物袋裝砂等墊高，增加了工程環節。箱涵式泄水口結構簡單、經濟節約、泥沙流失較小，因堤身頂部沒有缺口形成，因此可以滿足堤頂通車需求。

當在深水區吹填時，往往吹填區外部圍堰建設高度很大。若采用傳統形式的箱涵式泄水口，當箱涵安設在圍堰低位置處，隨著吹填泥面高程的增加，埋沒箱涵后將無法正常排出吹填區內的余水。若箱涵設置在堤身高位置處，吹填初期的余水將無法排出，形成較大水頭對堤身穩定帶來影響。

根據上述特點本文設計了適用于深水斜坡堤的兩級箱涵式泄水口，由箱涵、排水管兩部分組成。箱涵由角鋼和側板焊接構成，設置有閘板槽和閘板，閘板位于閘板槽內，構成閘板式調控結構。箱涵和排水管安放在深水斜坡堤堤身上，箱涵與排水管通過焊接相互連接在一起，組成適用于深水斜坡堤的泄水結構。吹填區內余水進入排水管的水位借助箱涵進行調節，吹填區內的余水達到箱涵進水口處時，在重力作用下流入箱涵底部，并從設置在箱涵底部的排水管排出。第一級箱涵式泄水口可以拆卸，當泥面高度超過第一級箱涵式泄水口排水高度極限時，將其拆除并封堵堤身缺口，并在堤身較高高程處布置第二級箱涵式泄水口，由此排出高吹填處的余水。箱涵可以根據吹填的進度，不斷調節排水的高程，這樣可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣，既節約工程造價又能保證深水斜坡堤的安全穩定。

1.實例應用

1.1 工程簡介

我國北方某港為滿足發展需要于2016年在港區內某海域進行了吹填造地作業。該工程成陸面積約85萬m2，原泥面平均標高-3m，設計吹填標高+10m，工程所需吹填工程量約1100萬m3。

1.2 工程水文氣象條件

本工程海域設計高水位3.58m，設計低水位0.54m，極端高水位5.14m，極端低水位-1.30m。風況以風浪為主，涌浪為輔，常浪向為ENE向，頻率為16.22%；次常浪向E向，頻率14.54%；強浪向ENE向，H4%＞2.0波高頻率為0.94%，次強浪向WSW向，H4%＞2.0波高頻率為0.33%，實測最大H1/10波高3.07 m，對應最大波高3.6 m，波向ENE向。潮流在漲潮潮段平均流速在0.35～0.57m/s，落潮潮段平均流速在0.41～0.53m/s。本海區每年12月上旬出現海冰，翌年2月下旬終冰，冰期約90天，其中初冰期約18天，盛冰期約55天，融冰期約18天左右。本海區灘寬水淺，河道溝汊多，盛冰期可形成15～25cm厚的固定冰區，由于面積大，冰層厚，冰質硬，對海上建筑物會產生一定的破壞力。

1.3 工程地質條件

本項目地處濱海地帶，地形極平坦，普遍鹽漬化或沼澤化。堆積物以濱海相褐灰色淤泥質黏土和粉細砂為主，質軟、抗沖性能差，在潮汐作用下，形成了寬闊平坦的海灘。勘察顯示表層為粉土及淤泥質土，土質較軟。根據場地地基土物理力學性質、埋藏條件、成因時代、巖性成分及其結構構造等，將場地勘探深度內巖土體劃分為3個工程地質層：第四系全新統海相沉積層、第四系全新統海陸交互沉積層以及第四系上更新統沖積層。依據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015）及《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010），勘察區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第三組。

1.4 圍堰構造

本工程圍堰全長1053m，第一級堤頂高程為+6.0m，頂寬9m，第二級圍堰頂高程為+11.0m，頂寬5m。采用重力斜坡式結構形式，充砂袋堤心，內外側均設有肩臺，第一級肩臺高程為+0.5m，寬度為6m，第二級肩臺高程為+2.5m，寬度為5m。第二級肩臺以下坡度為1：2，第二級肩臺以上坡度為1：1.5。堤身底部鋪設 1m厚中粗砂墊層作為橫向排水通道，采用B型塑料排水板作為豎向排水通道，排水板間距1m，呈正方形布置。堤身內外兩側鋪設600mm厚度的60～100kg塊石進行防護，堤身與塊石護面之間鋪設300mm厚度的二片石墊層。堤身外側堤腳鋪設厚600mm，長5m的60～100kg塊石護底。

由上述基本信息可知，本工程吹填厚度達13m，圍堰高為14m，屬深水斜坡堤形式。由于堤高水深，若吹填過程中余水不能及時排出在影響區內納泥效果的同時還會增加堤身所承受的水壓，帶來安全隱患。根據建設單位要求，施工作業期間圍堰頂端應能保證通車。結合本文前面所述，本工程適用兩級箱涵式泄水口，如圖1所示。

1.5 泄水口布置

泄水口平面位置選擇應根據吹填區地形、排泥管線的布置等因素確定。為有利于吹填土沉淀，設計中將泄水口布設在吹填區的死角。

為充分結合堤身結構，將第一級箱涵式泄水口放置在圍堰第一級肩臺上，即高程+0.5m處，第二級箱涵式泄水口放置在圍堰第二級肩臺上，即高程+2.5m處。第一級箱涵式泄水口設計為可拆卸的結構，當吹填區內泥面低于第一級箱涵頂部位置時，余水可以通過箱涵的開口將吹填區內的余水收集至箱涵內通過箱涵底部的排水管將余水排出。隨著吹填泥面的上升，第一級箱涵已不再適用，將第一級箱涵式泄水口拆除并封堵第一級泄水口所在位置的堤身缺口。在堤身上部第二級肩臺上安設第二級箱涵式泄水口，安設完成后，后續吹填產生的余水可以通過第二級泄水口排出。本工程經計算排水管的直徑700mm，長度為40m，由兩根長度為20m的鋼管焊接而成，根據排水需求計算求得需要13根排水管。

圖1 兩級箱涵式泄水口

為確保排水管安放穩定，在箱涵、排水管的安放位置先鋪設碎石層，然后在碎石上部鋪設土工織物倒濾層，土工織物倒濾層采用規格為400g/m2無紡短纖土工布，最后在400g/m2無紡短纖土工布上部安放排水管。為確保排水管穩定，在水流作用下不發生顫動，在排水管的四周均勻鋪設袋裝碎石，為防止碎石刺破上部袋裝砂堤身在碎石上部鋪設500g/m2高強長絲機織土工布，并在吹填側安置箱涵。

2.工程效果

工程進展過程中，在吹填泥面高程未淹沒第一級箱涵時，吹填區內的余水順利的由第一級箱涵式泄水口排出，排水過程中未出現因泥沙淤堵排水管而停工的情況。當吹填泥面逐漸淹沒第一級箱涵時，用吊車將第一級箱涵吊出，并在堤身的第二級肩臺處安設了第二級箱涵式泄水口，直至吹填結束。總體來講，箱涵可以根據吹填區內泥面的變化，通過箱涵的閘板不斷調節排水的高程，可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣，可以簡化施工環節、節約人力，效益顯著，驗證了兩級箱涵式泄水口在深水斜坡堤上的適用性。

3.結論

經實例驗證，兩級箱涵式泄水口具有以下優點：

（1）箱涵可以根據吹填區內泥面的變化，通過箱涵的閘板不斷調節排水的高程，可以避免隨泥面高度變化不斷抬高排水管帶來的繁瑣。

（2）當泥面高度超過第一級箱涵式泄水口排水高度極限時，將第一級箱涵式泄水口拆除，用于建設第二級箱涵式泄水口，節約造價。

（3）采用箱涵式泄水口無需在堤身開口，可以保證堤頂通車的需求，給工程帶來極大便利。

（4）分兩次逐步排出吹填區內軟土表面的余水，可減少吹填區內余水對堤身穩定性的不利影響。

（5）所用材料主要為有鋼板、鋼管等，方便尋得，且可以回收利用，經濟節約。